JavaScript中的EventLoop 机制

前言

让我们先来看一个简单的例子：

Q: 请写出下列JS代码的运行结果。

console.log(1);
setTimeout(function () {
    console.log(2);
})
var promise = new Promise(
    function (resolve, reject) {
        console.log(3);
        resolve();
    }
)
promise.then(function () {
    console.log(4);
})
console.log(5);

——题目来自SAST2020应用开发部Web部分招新题。

我们通过浏览器控制台可以很容易得出以下运行结果。

作为当时批改前端部分的我，我曾问那些写出运行结果的新同学为什么答案是这个顺序，结果并没有人可以答出个所以然来。当然了，作为刚接触web的同学来说，上来就要你谈JavaScript的事件循环机制确实难了一点。

但是这的确是一个在前端面试中非常常见的一个问题。

事件循环

JavaScript的单线程性

JavaScript语言的一大特点就是单线程，也就是说，同一个时间只能做一件事。

那么，为什么JavaScript不能有多个线程呢？这样能提高效率啊。

这和我们之前聊过的浏览器渲染原理有关系。

浏览器渲染原理：

用户请求的HTML数据通过浏览器的网络层到达渲染引擎后，浏览器的渲染工作开始。

这里我们以Webkit引擎渲染的流程为例，其余引擎大体上相似：

渲染流程有四个主要步骤：

解析HTML生成DOM树 - 渲染引擎首先解析HTML文档，生成DOM树

构建Render树 - 接下来不管是内联式，外联式还是嵌入式引入的CSS样式会被解析生成CSSOM树，根据DOM树与CSSOM树生成另外一棵用于渲染的树-渲染树(Render tree)，

布局Render树 - 然后对渲染树的每个节点进行布局处理，确定其在屏幕上的显示位置

绘制Render树 - 最后遍历渲染树并用UI后端层将每一个节点绘制出来。

JavaScript的单线程，与它的用途有关。作为浏览器脚本语言，JavaScript的主要用途是与用户互动、数据传输以及操作DOM。这决定了它只能是单线程，否则会带来很复杂的同步问题。

比如，假定JavaScript同时有两个线程，一个线程在某个DOM节点上添加内容，另一个线程删除了这个节点，这时浏览器应该以哪个线程为准？

所以，为了避免复杂性，从一诞生，JavaScript就是单线程，这已经成了这门语言的核心特征，将来基本上也不会改变。

当然，为了利用多核CPU的计算能力，HTML5提出Web Worker标准，允许JavaScript脚本创建多个线程，但是子线程完全受主线程控制，且不得操作DOM，只能做一些计算性质的工作。所以，这个新标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

执行栈和事件队列

因为JavaScript的单线程性，所以它的函数调用是通过一个执行栈来实现的。

执行栈: 同步代码的执行，按照顺序添加到执行栈中。

下面是一个简单的例子展现JS执行栈的过程：

function a() {
    b();
    console.log('a');
}
function b() {
    console.log('b')
}
a();

preview

执行函数 a()先入栈
a()中先执行函数 b() 函数b() 入栈
执行函数b(), console.log('b') 入栈
输出 b， console.log('b')出栈
函数b() 执行完成，出栈
console.log('a') 入栈，执行，输出 a, 出栈
函数a 执行完成，出栈。

但是我们的JS中并不都是顺序执行的脚本，有一些异步执行的代码，例如setTimeout(), setInterval() …

或者当我们遇到一些执行时间特别长的代码，我们也需要对其进行异步，防止阻塞JS线程。

事件队列: 异步代码的执行，遇到异步事件不会等待它返回结果，而是将这个事件挂起，继续执行执行栈中的其他任务。当异步事件返回结果，将它放到事件队列中，被放入事件队列不会立刻执行起回调，而是等待当前执行栈中所有任务都执行完毕，主线程空闲状态，主线程会去查找事件队列中是否有任务，如果有，则取出排在第一位的事件，并把这个事件对应的回调放到执行栈中，然后执行其中的同步代码。

简单理解，就是JS在执行中，非异步的代码将放入执行栈中，先入后出，如果遇到异步的代码，则放入事件队列中挂起，等待回调，先入先出。

所谓的事件循环（EventLoop），其实就是异步事件被放入事件队列（Task Queen/Message Queen）中后又经过回调加入主线程中的这样一个循环过程。

事件循环：

（1）所有同步任务都在主线程上执行，形成一个执行栈（execution context stack）。

（2）主线程之外，还存在一个"任务队列"（task queue）。只要异步任务有了运行结果，就在"任务队列"之中放置一个事件。

（3）一旦"执行栈"中的所有同步任务执行完毕，系统就会读取"任务队列"，看看里面有哪些事件。那些对应的异步任务，于是结束等待状态，进入执行栈，开始执行。

（4）主线程不断重复上面的第三步。

宏任务和微任务

在ES6中，引入了宏任务和微任务的概念。不同的任务被分为：宏任务和微任务

页面渲染事件，各种IO的完成事件等随时被添加到任务队列中，一直会保持先进先出的原则执行，我们不能准确地控制这些事件被添加到任务队列中的位置。但是这个时候突然有高优先级的任务需要尽快执行，那么一种类型的任务就不合适了，所以引入了微任务队列。

宏任务：

script(整体代码)
setTimeout()
setInterval()
postMessage
I/O
UI交互事件

微任务:

Promise().then(回调)
MutationObserver(html5 新特性)

此时的事件循环机制将对宏任务和微任务进行区分，运行机制如下：

执行一个宏任务（栈中没有就从事件队列中获取）
执行过程中如果遇到微任务，就将它添加到微任务的任务队列中
宏任务执行完毕后，立即执行当前微任务队列中的所有微任务（依次执行）
当前宏任务执行完毕，开始检查渲染，然后GUI线程接管渲染
渲染完毕后，JS线程继续接管，开始下一个宏任务（从事件队列中获取）

使用较为形象的语言来说就是：

微任务是跟屁虫，一直跟在当前的宏任务后面，当前宏任务执行完成后，按照微任务队列执行所有微任务，再开始下一个宏任务。

回到最开始的例子：

console.log(1);
setTimeout(function () {
    console.log(2);
})
var promise = new Promise(
    function (resolve, reject) {
        console.log(3);
        resolve();
    }
)
promise.then(function () {
    console.log(4);
})
console.log(5);

setTimeout()和Promise()都是异步事件，但是他们也有顺序。

前者是宏任务，后者是微任务。

值得注意的一点是，new 一个Promise对象是瞬间执行的，异步的是promise.then的部分。

下图中，主线程运行的时候，产生堆（heap）和栈（stack），栈中的代码调用各种外部API，它们在"任务队列"中加入各种事件（click，load，done）。只要栈中的代码执行完毕，主线程就会去读取"任务队列"，依次执行那些事件所对应的回调函数。

下面是一段代码的执行动画：

preview

下面在招新题上来一个复杂一点的扩展：

console.log(1);
setInterval(function () {
    console.log(100);
}, 1000);

var promise = new Promise(
    function (resolve, reject) {
        console.log(3);
        resolve();
        var promise2 = new Promise(
            function (resolve, reject) {
                console.log(10);
                resolve();
                console.log(11);
            }
        );
        promise2.then(function () {
            console.log(6);
        });
    }
)
promise.then(function () {
    console.log(4);
});
setTimeout(function () {
    console.log(2);
}, 500);
promise.then(function () {
    console.log(57);
});
console.log(5);