• # 小记 JavaScript 执行机制

    本文的目的就是要保证你彻底弄懂javascript的执行机制,如果读完本文还不懂,可以揍我。

    不论你是javascript新手还是老鸟,不论是面试求职,还是日常开发工作,我们经常会遇到这样的情况:给定的几行代码,我们需要知道其输出内容和顺序。因为javascript是一门单线程语言,所以我们可以得出结论:

    • javascript是按照语句出现的顺序执行的

    看到这里读者要打人了:我难道不知道js是一行一行执行的?还用你说?稍安勿躁,正因为js是一行一行执行的,所以我们以为js都是这样的:

    let a = '1';
    console.log(a);
    
    let b = '2';
    console.log(b);
    
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    然而实际上js是这样的:

    setTimeout(function(){
        console.log('定时器开始啦')
    });
    
    new Promise(function(resolve){
        console.log('马上执行for循环啦');
        for(var i = 0; i < 10000; i++){
            i == 99 && resolve();
        }
    }).then(function(){
        console.log('执行then函数啦')
    });
    
    console.log('代码执行结束');
    
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    依照js是按照语句出现的顺序执行这个理念,我自信的写下输出结果:

    //"定时器开始啦"
    //"马上执行for循环啦"
    //"执行then函数啦"
    //"代码执行结束"
    
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    去chrome上验证下,结果完全不对,瞬间懵了,说好的一行一行执行的呢?

    我们真的要彻底弄明白javascript的执行机制了。

    # 1.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!

    # 2.javascript事件循环

    既然js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js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:

    img

    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,异步的进入Event Table并注册函数。
    • 当指定的事情完成时,Event Table会将这个函数移入Event Queue。
    • 主线程内的任务执行完毕为空,会去Event Queue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?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。

    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');
    
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    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。

    # 3.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)
    
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    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');
    
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    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()
    
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    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)
    
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    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);
    
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    //代码2
    console.log('先执行这里');
    setTimeout(() => {
        console.log('执行啦')
    },3000);
    
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    代码1的输出结果是:

    //先执行这里
    //执行啦
    
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    代码2的输出结果是:

    //先执行这里
    // ... 3s later
    // 执行啦
    
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    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。

    # 4.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。

    # 5.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Promiseprocess.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setTimeoutsetInterval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');
    
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    • 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Promisenew 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:

    img

    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:

    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')
        })
    })
    
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    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Promisenew 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process1then1两个微任务。
    • 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process2new 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process2then2两个微任务可以执行。
    • 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。
    • process.nextTick()分发到微任务Event Queue中。记为process3
    • 直接执行new Promise,输出11。
    • 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process3then3
    • 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)

    # 6.写在最后

    # (1)js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)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。

    # (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)最后的最后

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