Javascript 执行机制

关于 Javascript

Javascript 是一门单线程语言，在最新的 HTML5 中提出了 Web-Worker，但 Javascript 是单线程这一核心仍未改变。所以一切的 Javascript 版“多线程”都是用单线程模拟出来的！

Javascript 事件循环

既然 JS 是单线程语言，那么就像只有一个窗口的银行，客户需要排队一个一个办理业务，同理 JS 任务也要一个一个的按顺序执行。如果一个任务耗时过长，那么后一个任务就必须等着。那么问题来了，假如我们想浏览新闻，但是新闻包含的超清图片加载很慢，难道我们的网页要一直卡着直到图片完全加载出来吗？因此聪明的程序员将任务分为两类：

• 同步任务
• 异步任务

当我们打开网站时，网页的渲染过程就是一大堆同步任务，比如页面骨架和页面元素的渲染。而像加载图片之类占用资源大耗时久的任务，就是异步任务。关于这部分有严格的文字定义，但本文的目的是用最小的学习成本彻底弄懂执行机制，所以我们用导图来说明：

1. 同步任务和异步任务分别进入不同的执行“场所”。同步任务进入主线程，异步任务进入 Event Table 并注册函数
2. 当指定的任务完成时，Event Table 会将这个函数移入 Event Queue
3. 当主线程内的任务执行完毕，会去 Event Queue 读取对应的函数，进入主线程执行
4. 上述过程会不断重复，也就是常说的 Event Loop (事件循环)

我们不禁要问了，那怎么知道主线程执行栈为空啊？JS 引擎存在 monitoring process 进程，会持续不断的检查主线程执行栈是否为空，一旦为空，就会去 Event Queue 那里检查是否有等待被调用的函数。

举个🌰

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let data = [];
$.ajax({
  url: 'www.javascript.com',
  data,
  success: () => {
    console.log('发送成功!');
  }
});
console.log('代码执行结束');

上面是一段简易的 Ajax 请求代码：

1. Ajax 进入 Event Table，注册回调函数 success
2. 执行 console.log('代码执行结束')
3. Ajax 事件完成，回调函数 success 进入 Event Queue
4. 主线程从 Event Queue 读取回调函数 success 并执行

又爱又恨的 setTimeout

大名鼎鼎的 setTimeout 无需再多言，大家对他的第一印象就是异步可以延时执行，我们经常这么实现延时 3 秒执行：

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setTimeout(() => {
  console.log('延时3秒');
}, 3000);

渐渐的 setTimeout 用的地方多了，问题也出现了，有时候明明写的延时 3 秒，实际却 5，6 秒才执行函数，这又是怎么回事呢？

先看个🌰

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setTimeout(() => {
  task();
}, 3000);
console.log('执行console');

根据前面我们的结论，setTimeout 是异步的，应该先执行 console.log 这个同步任务，所以我们的结论是：

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# 执行console
# task()

然后我们修改一下前面的代码：

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setTimeout(() => {
  task();
}, 3000);

sleep(10000000);

乍一看其实差不多嘛，但我们把这段代码在 Chrome 执行一下，却发现控制台执行 task() 需要的时间远远超过 3 秒，说好的延时三秒，为什么现在需要这么长的时间啊？

这时候我们需要重新理解 setTimeout 的定义。我们先说上述代码是怎么执行的：

1. task() 进入 Event Table 并注册，计时开始
2. 执行 sleep 函数，很慢…很慢…非常慢，计时仍在继续
3. 3 秒到了，计时事件 timeout 完成，task() 进入 Event Queue，但是 sleep 也太慢了吧，还没执行完，只好等着
4. sleep 终于执行完了，task() 终于从 Event Queue 进入了主线程执行

上述的流程走完，我们知道 setTimeout 这个函数，是经过指定时间后，把要执行的任务加入到 Event Queue 中，又因为是单线程任务要一个一个执行，如果前面的任务需要的时间太久，那么只能等着，导致真正的延迟时间远远大于 3 秒。

我们还经常遇到 setTimeout(fn, 0) 这样的代码，0 秒后执行又是什么意思呢？是不是可以立即执行呢？

答案是不会的，setTimeout(fn, 0) 的含义是，指定某个任务在主线程最早可得的空闲时间执行，意思就是不用再等多少秒了，只要主线程执行栈内的同步任务全部执行完成，栈为空就马上执行。

关于 setTimeout 要补充的是，即便主线程为空，0ms 实际上也是达不到的。根据 HTML 的标准，最低是 4ms。

使用 setTimeout 的注意事项

• 如果当前任务执行时间过久，会影延迟到期定时器任务的执行

• 使用 setTimeout 设置的回调函数中的 this 环境不是指向回调函数

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const name= 1;
const obj = {
  name: 2,
  test: 1,
  showName() {
    console.log(this.name, this.test);
  },
};

setTimeout(obj.showName, 1000);
obj.showName();

// 先输出 2 1
// 1s后输出 1 undefined

• 未激活的页面，setTimeout 执行最小间隔是 1000ms

如果标签不是当前的激活标签，那么定时器最小的时间间隔是 1000ms，目的是为了优化后台页面的加载损耗以及降低耗电量。

• 延时执行时间有最大值

Chrome、Safari、Firefox 都是以 32 bit 来存储延时值的，32 bit 最大只能存放的数字是 2147483647（2**31-1），这就意味着，如果 setTimeout 设置的延时值大于 2147483647ms（大约 24.8 天）时就会溢出，这将导致定时器会被立即执行。

• setTimeout 存在嵌套调用问题

如果 setTimeout 存在嵌套调用，调用超过 5 次后，系统会设置最短执行时间间隔为 4ms。

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let startTime = Date.now();
function cb() {
  const endTime = Date.now();
  console.log('cost time', endTime - startTime);
  startTime = startTime;
  setTimeout(cb, 0);
}
setTimeout(cb, 0);

之所以出现这样的情况，是因为在 Chrome 中，定时器被嵌套调用 5 次以上，系统会判断该函数方法被阻塞了，如果定时器的调用时间间隔小于 4ms，那么浏览器会将每次调用的时间间隔设置为 4ms。可以看下源码：

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// Step 11 of the algorithm at
// https://html.spec.whatwg.org/multipage/timers-and-user-prompts.html requires
// that a timeout less than 4ms is increased to 4ms when the nesting level is
// greater than 5.
constexpr int kMaxTimerNestingLevel = 5;
constexpr base::TimeDelta kMinimumInterval =
    base::TimeDelta::FromMilliseconds(4);

所以，一些实时性较高的需求就不太适合使用 setTimeout 了，比如你用 setTimeout 来实现 JavaScript 动画就不一定是一个很好的主意。

又恨又爱的 setInterval

上面说完了 setTimeout，当然不能错过它的孪生兄弟 setInterval。他俩差不多，只不过后者是循环的执行。对于执行顺序来说，setInterval 会每隔指定的时间将注册的函数置入 Event Queue，如果前面的任务耗时太久，那么同样需要等待。

唯一需要注意的一点是，对于 setInterval(fn, ms) 来说，我们已经知道不是每过 ms 毫秒会执行一次 fn，而是每过 ms 毫秒，会有 fn 进入 Event Queue。一旦 setInterval 的回调函数 fn 执行时间超过了延迟时间 ms，那么就完全看不出来有时间间隔了。

Promise 与 process.nextTick(callback)

传统的定时器我们已经研究过了，接着我们探究 Promise 与 process.nextTick(callback) 的表现。

process.nextTick(callback) 类似 node.js 版的 setTimeout，在事件循环的下一次循环中调用 callback 回调函数。

• macro-task(宏任务)：整体代码 script，setTimeout，setInterval，setImmediate，I/O 操作，UI 渲染
• micro-task(微任务)：Promise，async / await，process.nextTick，MutationObserver

不同类型的任务会进入对应的 Event Queue，比如 setTimeout 和 setInterval 会进入相同的 Event Queue。

事件循环的顺序决定了 JS 代码的执行顺序。进入整体代码（宏任务）后，开始第一次循环，接着执行所有的微任务，然后再次从宏任务开始，找到其中一个任务队列执行完毕，再执行所有的微任务。听起来有点绕，我们用文章最开始的一段代码说明：

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setTimeout(() => {
  console.log('setTimeout');
});

new Promise(resolve => {
  console.log('promise');
}).then(() => {
  console.log('then');
});

console.log('console');

1. 这段代码作为宏任务，进入主线程
2. 先遇到 setTimeout，那么将其回调函数注册后分发到宏任务 Event Queue
3. 接下来遇到了 Promise，new Promise 立即执行，then 函数分发到微任务 Event Queue。遇到 console.log()，立即执行
4. 整体代码作为第一个宏任务执行结束，看看有哪些微任务？我们发现了 then 在微任务 Event Queue 里面，执行
5. OK，第一轮事件循环结束了，我们开始第二轮循环，当然要从宏任务 Event Queue 开始。我们发现了宏任务 Event Queue 中 setTimeout 对应的回调函数，立即执行
6. 结束

事件循环，宏任务，微任务的关系如图所示：

我们来分析一段较复杂的代码，看看你是否真的掌握了 JS 的执行机制：

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console.log('1');

setTimeout(() => {
  console.log('2');
  process.nextTick(() => {
    console.log('3');
  });
  new Promise(resolve => {
    console.log('4');
    resolve();
  }).then(() => {
    console.log('5');
  });
});

process.nextTick(() => {
  console.log('6');
});

new Promise(resolve => {
  console.log('7');
  resolve();
}).then(() => {
  console.log('8');
});

setTimeout(() => {
  console.log('9');
  process.nextTick(() => {
    console.log('10');
  });
  new Promise(resolve => {
    console.log('11');
    resolve();
  }).then(() => {
    console.log('12');
  });
});

第一轮事件循环流程分析如下：

1. 整体 script 作为第一个宏任务进入主线程，遇到 console.log，输出 1

2. 遇到 setTimeout，其回调函数被分发到宏任务 Event Queue 中。我们暂且记为 setTimeout1

3. 遇到 process.nextTick()，其回调函数被分发到微任务 Event Queue 中。我们记为 process1

4. 遇到 Promise，new Promise 直接执行，输出 7。then 被分发到微任务 Event Queue 中。我们记为 then1

5. 又遇到了 setTimeout，其回调函数被分发到宏任务 Event Queue 中，我们记为 setTimeout2

6. 上表是第一轮事件循环宏任务结束时各 Event Queue 的情况，此时已经输出了 1 和 7

7. 我们发现了 process1 和 then1 两个微任务

8. 执行 process1，输出 6

9. 执行 then1，输出 8

好了，第一轮事件循环正式结束，这一轮的结果是输出 1，7，6，8。那么第二轮事件循环从 setTimeout1 宏任务开始：

1. 首先输出 2。接下来遇到了 process.nextTick()，同样将其分发到微任务 Event Queue 中，记为 process2。new Promise 立即执行输出 4，then 也分发到微任务 Event Queue 中，记为 then2

2. 第二轮事件循环宏任务结束，我们发现有 process2 和 then2 两个微任务可以执行
3. 输出 3
4. 输出 5

第二轮事件循环结束，第二轮输出 2，4，3，5。第三轮事件循环开始，此时只剩 setTimeout2 了，执行

1. 直接输出 9
2. 将 process.nextTick() 分发到微任务 Event Queue 中。记为 process3
3. 直接执行 new Promise，输出 11
4. 将 then 分发到微任务 Event Queue 中，记为 then3

5. 第三轮事件循环宏任务执行结束，执行两个微任务 process3 和 then3
6. 输出 10
7. 输出 12

第三轮事件循环结束，第三轮输出 9，11，10，12。整段代码，共进行了三次事件循环，完整的输出为 1，7，6，8，2，4，3，5，9，11，10，12
(请注意，Node 环境下的事件监听依赖 libuv 与前端环境不完全相同，输出顺序可能会有误差)

写在最后

JS 的异步

我们开篇就说 Javascript 是一门单线程语言，不管是什么新框架新语法糖实现的所谓异步，其实都是用同步的方法去模拟的，牢牢把握住单线程这点非常重要。

事件循环 Event Loop

事件循环是 JS 实现异步的一种方法，也是 JS 的执行机制。

Javascript 的执行和运行

执行和运行有很大的区别，Javascript 在不同的环境下，比如 Node，浏览器，Ringo等等，执行方式是不同的。而运行大多指 Javascript 解析引擎，是统一的。

最后的最后

• Javascript 是一门单线程语言
• Event Loop 是 Javascript 的执行机制