JavaScript 执行机制

[felix-cao]

先思考一下下面这段代码

setTimeout( function() {
  console.log('定时器执行');
});

new Promise(function(resolve){
  console.log(执行Promise);
}).then(function() {
  console.log('执行then函数')	
});

console.log('代码执行结束');

一、JavaScript 是单线程的

在 浏览器进程、JavaScript单线程 一文中, 我们知道javascript 是单线程，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 JavaScript 版的"多线程"都是用单线程模拟出来的，一切 JavaScript 多线程都是纸老虎！

二、JavaScript 的事件循环

在 JavaScript Event Loop 一文中，我们也聊过事件循环。

既然 JavaScript 是单线程，那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 JavaScript 任务也要一个一个顺序执行。如果一个任务耗时过长，那么后一个任务也必须等着。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显示出来？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。而像加载图片音乐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：

导图要表达的内容用文字来表述的话：

• 同步和异步任务分别进入不同的执行"场所"，同步的进入主线程执行，形成执行栈。
• 异步的进入 Event Table 并注册函数，一旦异步的任务完成时，Event Table 会将这个函数移入 Event Queue。
• 主线程执行栈内的任务执行完毕为空时，会去 Event Queue 中读取对应的函数，进入主线程执行。
• 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？JavaScript 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。
说了这么多文字，不如直接一段代码更直白：

let data = [];
$.ajax({
    url:www.javascript.com,
    data: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：

• ajax 进入Event Table，注册回调函数 success。
• 执行 console.log('代码执行结束')。
• ajax 事件完成，回调函数 success 进入Event Queue。
• 主线程从 Event Queue 读取回调函数 success 并执行。

相信通过上面的文字和代码，你已经对js的执行顺序有了初步了解。接下来我们来研究进阶话题：setTimeout。

三、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：

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，这又咋回事啊？

先看一个例子：

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

//执行console
//task()

去验证一下，结果正确！
然后我们修改一下前面的代码：

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，为啥现在需要这么长时间啊？
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：

task() 进入 Event Table 并注册,计时开始。
执行 sleep 函数，很慢，非常慢，计时仍在继续。
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。
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(本例中为task())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。举例说明：

//代码1
console.log('先执行这里');
setTimeout(() => {
    console.log('执行啦')
},0);

//代码2
console.log('先执行这里');
setTimeout(() => {
    console.log('执行啦')
},3000);

代码1的输出结果是：

//先执行这里
//执行啦

代码2的输出结果是：

//先执行这里
// ... 3s later
// 执行啦

关于 setTimeout 要补充的是，即便主线程为空，0毫秒实际上也是达不到的。根据HTML的标准，最低是4毫秒。有兴趣的同学可以自行了解。

四：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 秒会执行一次fn，而是每过 ms 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。这句话请读者仔细品味。

五、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。
Promise 的定义和功能本文不再赘述，不了解的读者可以学习一下阮一峰老师的 Promise。而 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。
我们进入正题，除了广义的同步任务和异步任务，我们对任务有更精细的定义：

macro-task(宏任务)：包括整体代码 script，setTimeout，setInterval
micro-task(微任务)：Promise，process.nextTick

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：

setTimeout(function() {
    console.log('setTimeout');
})

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

console.log('console');

• 这段代码作为宏任务，进入主线程。
• 先遇到 setTimeout，那么将其回调函数注册后分发到宏任务 Event Queue。(注册过程与上同，下文不再描述)
• 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。
• 好啦，整体代码 script 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。
• 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。
• 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 JavaScript 的执行机制：

console.log('1');

setTimeout(function() {
    console.log('2');
    process.nextTick(function() {
        console.log('3');
    })
    new Promise(function(resolve) {
        console.log('4');
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log('5')
    })
})
process.nextTick(function() {
    console.log('6');
})
new Promise(function(resolve) {
    console.log('7');
    resolve();
}).then(function() {
    console.log('8')
})

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

第一轮事件循环流程分析如下：

• 整体 script 作为第一个宏任务进入主线程，遇到 console.log，输出1。
• 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。
• 遇到 process.nextTick()，其回调函数被分发到微任务 Event Queue 中。我们记为 process1。
• 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。
• 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。

宏任务Event Queue	微任务Event Queue
setTimeout1	process1
setTimeout2	then1

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。

• 我们发现了 process1 和 then1 两个微任务。
• 执行 process1，输出6。
• 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。那么第二轮时间循环从 setTimeout1 宏任务开始：

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。

宏任务Event Queue	微任务Event Queue
setTimeout2	process2
	then2

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

宏任务Event Queue	微任务Event Queue
	process3
	then3

• 第三轮事件循环宏任务执行结束，执行两个微任务 process3 和 then3。
• 输出10。
• 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)

六、写在最后

(1)、 JavaScript 的异步我们从最开头就说 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。
(2)、Event Loop 事件循环是 JavaScript 实现异步的一种方法，也是 JavaScript 的执行机制。
(3)、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。
(4)、setImmediate 微任务和宏任务还有很多种类，比如 setImmediate 等等，执行都是有共同点的，有兴趣的同学可以自行了解。
(5)、最后 JavaScript 是一门单线程语言 Event Loop 是 JavaScript 的执行机制