JavaScript 運作機制詳解：再談Event Loop

一年前，我寫了一篇《什麼是 Event Loop？ 》，談了我對Event Loop的理解。

　　上個月，我偶然看到了Philip Roberts的演講《Help, I'm stuck in an event-loop》。這才尷尬地發現，自己的理解是錯的。我決定重寫這個題目，詳細、完整、正確地描述JavaScript引擎的內部運作機制。下面就是我的重寫。

　　進入正文之前，先插播一則訊息。我的新書《ECMAScript 6入門》出版了（版權頁，內頁1，內頁2），銅版紙全彩印刷，非常精美，還附有索引（當然價格也比同類書籍略貴一點點）。預覽和購買點這裡。

　一、為什麼JavaScript是單一執行緒？

　　JavaScript語言的一大特點就是單線程，也就是說，同一個時間只能做一件事。那麼，為什麼JavaScript不能有多個執行緒呢？這樣能提高效率啊。

　　JavaScript的單線程，與它的用途有關。作為瀏覽器腳本語言，JavaScript的主要用途是與使用者互動，以及操作DOM。這決定了它只能是單線程，否則會帶來複雜的同步問題。例如，假定JavaScript同時有兩個線程，一個線程在某個DOM節點上加入內容，另一個線程就刪除了這個節點，這時瀏覽器應該以哪個執行緒為準？

　　所以，為了避免複雜性，從一誕生，JavaScript就是單線程，這已經成了這門語言的核心特徵，將來也不會改變。

　　為了利用多核心CPU的運算能力，HTML5提出Web Worker標準，允許JavaScript腳本建立多個線程，但是子執行緒完全受主執行緒控制，且不得操作DOM。所以，這個新標準並沒有改變JavaScript單執行緒的本質。

　二、任務佇列

　　單執行緒就意味著，所有任務需要排隊，前一個任務結束，才會執行後一個任務。如果前一個任務耗時很長，後一個任務就得一直等著。

　　如果排隊是因為運算量大，CPU忙不過來，倒也算了，但是很多時候CPU是閒著的，因為IO設備（輸入輸出設備）很慢（例如Ajax操作從網路讀取數據），只好等著結果出來，再往下執行。

　　JavaScript語言的設計者意識到，這時CPU完全可以不管IO設備，掛起處於等待中的任務，先執行排在後面的任務。等到IO設備回傳了結果，再回過頭，把掛起的任務繼續執行下去。

　　於是，JavaScript就有了兩種執行方式：一種是CPU按順序執行，前一個任務結束，再執行下一個任務，這叫做同步執行；另一種是CPU跳過等待時間長的任務，先處理後面的任務，這叫做非同步執行。程式設計師自主選擇，採用哪一種執行方式。

　　具體來說，非同步執行的運作機制如下。 （同步執行也是如此，因為它可以被視為沒有非同步任務的非同步執行。）

（1）所有任務都在主執行緒上執行，形成一個執行堆疊（execution context stack） 。

（2）主執行緒之外，還存在一個"任務佇列"（task queue）。系統把非同步任務放到"任務隊列"之中，然後繼續執行後續的任務。

（3）一旦"執行堆疊"中的所有任務執行完畢，系統就會讀取"任務佇列"。如果這個時候，非同步任務已經結束了等待狀態，就會從"任務佇列"進入執行棧，恢復執行。

（4）主執行緒不斷重複上面的第三步。

　　下圖就是主執行緒和任務佇列的示意圖。

　　只要主執行緒空了，就會去讀取"任務佇列"，這就是JavaScript的運作機制。這個過程會不斷重複。

　三、事件和回呼函數

　　"任務隊列"實質上是一個事件的隊列（也可以理解成訊息的隊列），IO設備完成一項任務，就在"任務在佇列"中新增一個事件，表示相關的非同步任務可以進入"執行棧"了。主執行緒讀取"任務佇列"，就是讀取裡面有哪些事件。

　　"任務佇列"中的事件，除了IO裝置的事件以外，還包括一些使用者產生的事件（例如滑鼠點擊、頁面捲動等等）。只要指定過回呼函數，這些事件發生時就會進入"任務佇列"，等待主執行緒讀取。

　　所謂"回呼函數"（callback），就是那些會被主執行緒掛起來的程式碼。非同步任務必須指定回呼函數，當非同步任務從"任務佇列"回到執行棧，回呼函數就會執行。

　　"任務佇列"是一個先進先出的資料結構，排在前面的事件，優先返回主執行緒。主執行緒的讀取過程基本上是自動的，只要執行堆疊一清空，"任務佇列"上第一位的事件就會自動回到主執行緒。但是，由於存在後文提到的"定時器"功能，主執行緒要檢查執行時間，某些事件必須在規定的時間返回主執行緒。

　四、Event Loop

　　主執行緒從"任務佇列"讀取事件，這個過程是循環不斷的，所以整個的這種運作機制又稱為Event Loop（事件循環）。

　　為了更能理解Event Loop，請看下圖（轉引自Philip Roberts的演講《Help, I'm stuck in an event-loop》）。

　　上圖中，主執行緒運行的時候，產生堆疊（heap）和堆疊（stack），堆疊中的程式碼呼叫各種外部API，它們在"任務隊列"中加入各種事件（click，load，done）。只要堆疊中的程式碼執行完畢，主執行緒就會去讀取"任務佇列"，依序執行那些事件所對應的回呼函數。

　　執行堆疊中的程式碼，總是在讀取"任務佇列"之前執行。請看下面這個例子。

    var req = new XMLHttpRequest();
    req.open('GET', url);    
    req.onload = function (){};    
    req.onerror = function (){};    
    req.send();

　　上面程式碼中的req.send方法是Ajax操作向伺服器發送數據，它是一個非同步任務，意味著只有當前腳本的所有程式碼執行完，系統才會去讀取"任務隊列"。所以，它與下面的寫法等價。

    var req = new XMLHttpRequest();
    req.open('GET', url);
    req.send();
    req.onload = function (){};    
    req.onerror = function (){};

　　也就是說，指定回呼函數的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或後面無關緊要，因為它們屬於執行堆疊的一部分，系統總是執行完它們，才會去讀取"任務隊列"。

　五、定時器

　　除了放置非同步任務，"任務佇列"還有一個作用，就是可以放置定時事件，即指定某些程式碼在多少時間之後執行。這叫做"定時器"（timer）功能，也就是定時執行的程式碼。

　　定時器功能主要由setTimeout()和setInterval()這兩個函數來完成，它們的內部運作機製完全一樣，差別在於前者指定的程式碼是一次執行，後者則為重複執行。以下主要討論setTimeout()。

　　setTimeout()接受兩個參數，第一個是回呼函數，第二個是延遲執行的毫秒數。

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},1000);
console.log(3);

　　上面程式碼的執行結果是1，3，2，因為setTimeout()將第二行延後到1000毫秒之後執行。

　　若將setTimeout()的第二個參數設為0，就表示目前程式碼執行完（執行堆疊清空）以後，立即執行（0毫秒間隔）指定的回呼函數。

setTimeout(function(){console.log(1);}, 0);
console.log(2);

　　上面程式碼的執行結果總是2，1，因為只有在執行完第二行以後，系統才會去執行"任務佇列"中的回呼函數。

　　HTML5標準規定了setTimeout()的第二個參數的最小值（最短間隔），不得低於4毫秒，如果低於這個值，就會自動增加。在此之前，舊版的瀏覽器都將最短間隔設為10毫秒。

　　另外，對於那些DOM的變動（尤其是涉及頁面重新渲染的部分），通常不會立即執行，而是每16毫秒執行一次。這時使用requestAnimFrame()的效果比setTimeout()好。

　　要注意的是，setTimeout()只是將事件插入了"任務佇列"，必須等到目前程式碼（執行堆疊）執行完，主執行緒才會去執行它指定的回呼函數。要是當前程式碼耗時很長，有可能要等很久，所以沒有辦法保證，回呼函數一定會在setTimeout()指定的時間執行。

　六、JavaScript 運作機制詳解：再談Event Loop的Event Loop

　　JavaScript 運作機制詳解：再談Event Loop也是單一執行緒的Event Loop，但是它的運作機制不同於瀏覽器環境。

　　請看下面的示意圖（作者@BusyRich）。

　　根據上圖，JavaScript 運作機制詳解：再談Event Loop的運作機制如下。

（1）V8引擎解析JavaScript腳本。

（2）解析後的程式碼，呼叫Node API。

（3）libuv函式庫負責Node API的執行。它將不同的任務分配給不同的線程，形成一個Event Loop（事件循環），以非同步的方式將任務的執行結果傳回V8引擎。

（4）V8引擎再將結果回傳給使用者。

　　JavaScript 運作機制詳解：再談Event Loop有一个process.nextTick()方法，可以将指定事件推迟到Event Loop的下一次执行，或者说放到"JavaScript 運作機制詳解：再談Event Loop"的头部，也就是当前的执行栈清空之后立即执行。

function foo() {
    console.error(1);
}

process.nextTick(foo);
console.log(2);
// 2
// 1

　　process.nextTick(foo)的作用，与setTimeout(foo, 0)很相似，但是执行效率高得多。

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