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    弄懂javascript的执行机制:事件轮询|微任务和宏任务

    Author:[email protected] Date:

    javascript是一门单线程语言,Event Loop是javascript的执行机制。主线程从“任务队列”中读取事件,这个过程是循环不断的。所有的同步任务都在主线程上指向,形成一个执行栈,主线程之外,还存在一个任务队列。只要异步任务有

    因为javascript是一门单线程语言,所以javascript是按照语句出现的顺序执行的。虽然HTML5提出了Web Worker,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和BOM。所以,依然没有改变JavaScript是单线程的本质。

    为什么JavaScript是单线程?

    同样的问题也可以问:

    • 为什么PHP文件的执行是单线程的

      每个PHP文件的执行是单线程的,但是,服务器(apache/nigix/php-fpm)是多线程的。每次对某个PHP文件的访问服务器都会创建一个新的进程/线程,用来执行对应的PHP文件。也就是说对于一个请求来说PHP是单线程的,但是多个请求间是并发的

    • 为什么是python是多线程是假的多线程

      虽然Python解释器可以运行多个线程,但只有一个线程在解释器中运行。它不管你有几个核,单位时间多个核只能跑一个线程,然后时间片轮转。Python不能做到并行,但可以做到并发

    脚本语言本身效率就不高,设计目的就是应对I/O密集、高开发效率、简单易用……。可以说,脚本语言基本都是单线程的。

    什么是计算密集型任务,什么是I/O密集型任务?

    • 计算密集型任务由于主要消耗CPU资源,消耗CPU资源,比如计算圆周率、对视频进行高清解码等等,全靠CPU的运算能力。这种计算密集型任务虽然也可以用多任务完成,但是任务越多,花在任务切换的时间就越多,CPU执行任务的效率就越低,所以,要最高效地利用CPU,计算密集型任务同时进行的数量应当等于CPU的核心数。

    • 涉及到网络、磁盘IO的任务都是IO密集型任务,这类任务的特点是CPU消耗很少,任务的大部分时间都在等待IO操作完成因为IO的速度远远低于CPU和内存的速度)。对于IO密集型任务,任务越多,CPU效率越高,但也有一个限度。常见的大部分任务都是IO密集型任务,比如Web应用。

    IO密集型任务执行期间,99%的时间都花在IO上,花在CPU上的时间很少,因此,用运行速度极快的C语言替换用Python这样运行速度极低的脚本语言,完全无法提升运行效率。对于IO密集型任务,最合适的语言就是开发效率最高(代码量最少)的语言,脚本语言是首选,C语言最差。

    注:进程和线程,一个是重量级的,一个轻量级的,重量级的进程有保护区,进程上下文都是操作系统保护的,而线程是自己管理,需要一定的技术,不能保证在并发时的稳定性(多进程也不稳定,但很容易看出来,因为多出了进程容易发现)

    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,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,将来也不会改变


    JavaScript任务队列

    单线程就意味着,所有任务需要排队,前一个任务结束,才会执行后一个任务。如果前一个任务耗时很长,后一个任务就不得不一直等着

    为了解决单线程导致的线程等待资源,cpu空闲,而其他任务一直等待的问题。将所有的任务分为两种,

    • 同步任务(synchronous):指的是,在主线程上排队执行的任务,只有前一个任务执行完毕,才能执行下一个任务。

    • 异步任务(asynchronous):指的是,不进入主线程,而进入“任务队列”的任务,自由“任务队列”通知主线程,某个异步任务可以执行了,该任务才会进入主线程执行。

    具体来说,异步执行的运行机制如下。(同步执行也是如此,因为它可以被视为没有异步任务的异步执行。

    1. 所有的同步任务都在主线程上指向,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”,将可执行的任务放在主线程执行。任务队列是一个先进先出的数据结构,排在前面的事件,优先被主线程读取。

    4. 主线程不断重复上面的第三步。

    bg2014100801.jpg

    只要主线程空了,就会去读取"任务队列",这就是JavaScript的运行机制。这个过程会不断重复。

    事件和回调函数

    "任务队列"是一个事件的队列(也可以理解成消息的队列),IO设备完成一项任务,就在"任务队列"中添加一个事件,表示相关的异步任务可以进入"执行栈"了。主线程读取"任务队列",就是读取里面有哪些事件。

    "任务队列"中的事件,除了IO设备的事件以外,还包括一些用户产生的事件(比如鼠标点击、页面滚动等等)。只要指定过回调函数,这些事件发生时就会进入"任务队列",等待主线程读取。

    所谓"回调函数"(callback),就是那些会被主线程挂起来的代码。异步任务必须指定回调函数,当主线程开始执行异步任务,就是执行对应的回调函数。

    "任务队列"是一个先进先出的数据结构,排在前面的事件,优先被主线程读取。主线程的读取过程基本上是自动的,只要执行栈一清空,"任务队列"上第一位的事件就自动进入主线程。但是,由于存在后文提到的"定时器"功能,主线程首先要检查一下执行时间,某些事件只有到了规定的时间,才能返回主线程。

    Event Loop(事件轮询)

    主线程从“任务队列”中读取事件,这个过程是循环不断的,所以整个过程的这种运行机制又称为Event Loop(事件循环)。

    javascript执行流程JavaScript任务队列


    除了放置异步任务的队列,“任务队列还放置定时器”,即指定某些代码在多长时间之后执行。

    定时器功能的主要由setTimeout()和setInterval()这两个函数执行。

    • setTimeout()只执行一次

    • setInterval()反复执行

    Node规定,process.nextTick和Promise的回调函数,追加在本轮循环,即同步任务一旦执行完成,就开始执行它们

    而setTimeout、setInterval、setImmediate的回调函数,追加在次轮循环

    所以,需要注意的是

    setTimeout()只是将事件插入了"任务队列",必须等到当前代码(执行栈)执行完,主线程才会去执行它指定的回调函数。要是当前代码耗时很长,有可能要等很久,所以并没有办法保证,回调函数一定会在setTimeout()指定的时间执行

    setInterval(fn,ms)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

    HTML5标准规定了setTimeout()的第二个参数的最小值(最短间隔),不得低于4毫秒,如果低于这个值,就会自动增加。在此之前,老版本的浏览器都将最短间隔设为10毫秒。另外,对于那些DOM的变动(尤其是涉及页面重新渲染的部分),通常不会立即执行,而是每16毫秒执行一次。这时使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

    除了广义的同步任务和异步的任务,更精细的定义为:

    macro-task(宏任务):包括整体代码script、setTimeout,setInterval

    micro-task(微任务):Promise、process.nextTick

    2018120611423921.png


    对于JavaScript异步回调,如setTimeout、Promise、Async/Await 。

    settimeout的回调函数放到宏任务队列里,等到执行栈清空以后执行; 

    promise.then里的回调函数会放到相应宏任务的微任务队列里,等宏任务里面的同步代码执行完再执行

    async函数表示函数里面可能会有异步方法,await后面跟一个表达式,async方法执行时,遇到await会立即执行表达式,然后把表达式后面的代码放到微任务队列里,让出执行栈让同步代码先执行。

    参看下篇《Javascript异步回调细数:promise yield async/await》 —— https://www.zhoulujun.cn/html/webfront/ECMAScript/js/2017_0118_7944.html

    Node.js时间循环

    Node.js也是单线程的Event Loop,但是它的运行机制不同于浏览器

    根据上图,Node.js的运行机制如下

    • V8引擎解析JavaScript脚本

    • 解析后的代码,调用Node API

    • libuv库负责Node API的执行。它将不同的任务分配给不同的线程,形成一个Event Loop(事件循环),以异步的方式将任务的执行结果返回给V8引擎

    • V8引擎再将结果返回给用户

    Node.js也是单线程的Event Loop

    JS执行顺序笔试题

    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') })
    })
    console.log('13');


     总结:

    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。

    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。

    如果学过java,可以回顾一下java定时任务的实现,可以加深对JavaScript的理解。本人就是从java转JavaScript的

    回顾java定时器

    主要有三种方式,new Timer().schedule、使用线程控制。

    1、使用线程控制

    创建一个thread,然后让它在while循环里一直运行着,通过sleep方法来达到定时任务的效果

    public class Task1 {
    	public static void main(String[] args) {
    		// run in a second
    		// 每一秒钟执行一次
    		final long timeInterval = 1000;
    		Runnable runnable = new Runnable() {
    			public void run() {
    				while (true) {
    					// ------- code for task to run
    					// ------- 要运行的任务代码
    					System.out.println("Hello, stranger");
    					// ------- ends here
    					try {
    						// sleep():同步延迟数据,并且会阻塞线程
    						Thread.sleep(timeInterval);
    					} catch (InterruptedException e) {
    						e.printStackTrace();
    					}
    				}
    			}
    		};
    		//创建定时器
    		Thread thread = new Thread(runnable);
    		//开始执行
    		thread.start();
    	}
    }

    使用线程来控制就更灵活一些,可以根据自己的需要判断什么时候运行,什么时候停止,这需要对java的线程有一定的了解。

    2、使用Timer的schedule

    schedule有3个参数:schedule(TimerTask task, long delay, long period)

    启动和去取消任务时可以控制,可以指定你想要的delay(开始执行的等待时间)时间,在实现时,Timer类可以调度任务,TimerTask则是通过在run()方法里实现具体任务。 Timer实例可以调度多任务,它是线程安全的。 当Timer的构造器被调用时,它创建了一个线程,这个线程可以用来调度任务。

    // 调用的工具
    import java.util.Timer;
    import java.util.TimerTask;
     
    public class Task2 {
    	public static void main(String[] args) {
    		/**
    		 * Timer:是一个定时器工具,用来执行指定任务
    		 * TimerTask:是一个抽象类,他的子类可以代表一个被Timer计划的任务
    		 */
    		TimerTask task = new TimerTask() {
    			@Override
    			public void run() {
    				// task to run goes here
    				// 执行的输出的内容
    				System.out.println("Hello, stranger");
    			}
    		};
    		Timer timer = new Timer();
    		// 定义开始等待时间  --- 等待 5 秒
    		// 1000ms = 1s
    		long delay = 5000;
    		// 定义每次执行的间隔时间
    		long intevalPeriod = 5 * 1000;
    		// schedules the task to be run in an interval
    		// 安排任务在一段时间内运行
    		timer.scheduleAtFixedRate(task, delay, intevalPeriod);
    	} // end of main
    }

    在Timer定时任务中,最主要涉及到了两个类:Timer和TimerTask。他们俩的关系也特别容易理解,TimerTask把我们得业务逻辑写好之后,然后使用Timer定时执行就

    Timer在执行定时任务时只会创建一个线程,所以如果存在多个任务,且任务时间过长,超过了两个任务的间隔时间,会发生一些缺陷。

    这里和我们的JavaScript事件是一样的。

    3、使用ScheduledExecutorService  ,

    ScheduledExecutorService是从Java SE5的java.util.concurrent里,做为并发工具类被引进的,这是最理想的定时任务实现方式。

    //调用的工具
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
     
    public class Task3 {
    	public static void main(String[] args) {
    		/**
    		 * Runnable:实现了Runnable接口,jdk就知道这个类是一个线程  
    		 */
    		Runnable runnable = new Runnable() {
    			//创建 run 方法
    			public void run() {
    				// task to run goes here
    				System.out.println("Hello, stranger");
    			}
    		};
    		// ScheduledExecutorService:是从Java SE5的java.util.concurrent里,
    		// 做为并发工具类被引进的,这是最理想的定时任务实现方式。
    		ScheduledExecutorService service = Executors
    				.newSingleThreadScheduledExecutor();
    		// 第二个参数为首次执行的延时时间,第三个参数为定时执行的间隔时间
    		// 10:秒   5:秒
    		// 第一次执行的时间为10秒,然后每隔五秒执行一次
    		service.scheduleAtFixedRate(runnable, 10, 5, TimeUnit.SECONDS);
    	}
    }

    相比于上两个方法,它有以下好处

            1.相比于Timer的单线程,它是通过线程池的方式来执行任务的 

            2.可以很灵活的去设定第一次执行任务delay时间

            3.提供了良好的约定,以便设定执行的时间间隔


    参考文章:

    JavaScript 运行机制详解:再谈Event Loop www.ruanyifeng.com/blog/2014/10/event-loop.html

    这一次,彻底弄懂 JavaScript 执行机制 https://juejin.im/post/59e85eebf265da430d571f89

    JavaScript是多线程还是单线程? https://blog.csdn.net/qq_36995542/article/details/80007381

    既然Python解释器是单线程的,还有进行多线程编程的必要吗? https://www.wukong.com/answer/6584417230828601613/

    为什么有人说 Python 的多线程是鸡肋呢? https://www.zhihu.com/question/23474039/answer/269526476

    JAVA:定时器的三种方法(详细注解) https://blog.csdn.net/qq_36537546/article/details/83044977

    java的几种定时器 https://blog.csdn.net/coolwindd/article/details/82804189

    java任务调度之Timer定时器(案例和源码分析) https://baijiahao.baidu.com/s?id=1645906817252040900&wfr=spider&for=pc


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