【Diary】如何用 Event Loop 理解异步

vlambda
2021-07-13

【Diary】如何用 Event Loop 理解异步

零. 前言

Event Loop即事件循环，是指浏览器或Node的一种解决javaScript单线程运行时不会阻塞的一种机制，也就是我们经常使用异步的原理。

一. 进程和线程

线程，是程序执行流的最小单位。线程可与同属一个进程的其他线程共享所拥有的全部资源，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。线程有就绪，阻塞，运行三种基本状态。

阮一峰大神针对进程和线程的类比，很是形象：计算机的核心CPU，是个工厂，时刻运转着，工厂里有很多个车间（进程），一个车间开工其他车间不能开工，就是说：单核CPU一次只能运行一个进程。任何时候，CPU总是运行一个进程。

而一个车间里面有很多工人（线程），协同完成一个任务。所以：一个进程可以包括多个线程。车间空间是工人共享的，一个进程中的内存空间是所有线程共享的。

内存可以上锁，防止其他线程进来，【互斥锁】也就是防止多个线程读写同一块内存区域。

还有些共享内存比较大，可以容纳多个线程，但是也是有限的，只能容纳固定数目的线程使用。如何保证多个线程不冲突呢？内存门口有个钥匙架，如果发现钥匙架空了，那就不能再进去了【信号量】。

二. 堆、栈、队列

堆（Heap）

堆是一种数据结构，是利用完全二叉树维护的一组数据，堆分为两种，一种为最大堆，一种为最小堆，将根节点最大的堆叫做最大堆或大根堆，根节点最小的堆叫做最小堆或小根堆。堆是线性数据结构，相当于一维数组，有唯一后继。

如最大堆:

栈（Stack）

栈在计算机科学中是限定仅在表尾进行插入或删除操作的线性表。栈是一种数据结构，它按照后进先出的原则存储数据，先进入的数据被压入栈底，最后的数据在栈顶，需要读数据的时候从栈顶开始弹出数据。栈是只能在某一端插入和删除的特殊线性表。

队列（Queue）

特殊之处在于它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。队列中没有元素时，称为空队列。

队列的数据元素又称为队列元素。在队列中插入一个队列元素称为入队，从队列中删除一个队列元素称为出队。因为队列只允许在一端插入，在另一端删除，所以只有最早进入队列的元素才能最先从队列中删除，故队列又称为先进先出（FIFO—first in first out）

三. 函数调用栈与任务队列

Javascript有一个main thread 主进程和call-stack（一个调用堆栈），在对一个调用堆栈中的task处理的时候，其他的都要等着。当在执行过程中遇到一些类似于setTimeout等异步操作的时候，会交给浏览器的其他模块(以webkit为例，是webcore模块)进行处理，当到达setTimeout指定的延时执行的时间之后，task(回调函数)会放入到任务队列之中。一般不同的异步任务的回调函数会放入不同的任务队列之中。等到调用栈中所有task执行完毕之后，接着去执行任务队列之中的task(回调函数)。

任务队列是“先进先出”的数据结构，先来的优先被主线程读取。

调用栈中遇到DOM操作、ajax请求以及setTimeout等WebAPIs的时候就会交给浏览器内核的其他模块进行处理，webkit内核在Javasctipt执行引擎之外，有一个重要的模块是webcore模块。对于图中WebAPIs提到的三种API，webcore分别提供了DOM Binding、network、timer模块来处理底层实现。等到这些模块处理完这些操作的时候将回调函数放入任务队列中，之后等栈中的task执行完之后再去执行任务队列之中的回调函数。

小结：

所有的代码都要通过函数调用栈中调用执行。
当遇到前文中提到的APIs的时候，会交给浏览器内核的其他模块进行处理。
任务队列中存放的是回调函数。
等到调用栈中的task执行完之后再回去执行任务队列之中的task。

四. 宏任务与微任务

其中setTimeout叫做macro-task(宏任务)，当然如我们所想，还有如promise的micro-task(微任务)。

macro-task包括：script(整体代码), setTimeout, setInterval, setImmediate, I/O, UI rendering。
micro-task包括：process.nextTick, Promise,Object.observe。

事件循环的顺序是从script开始第一次循环，随后全局上下文进入函数调用栈，碰到macro-task就将其交给处理它的模块处理完之后将回调函数放进macro-task的队列之中，碰到micro-task也是将其回调函数放进micro-task的队列之中。直到函数调用栈清空只剩全局执行上下文，然后开始执行所有的micro-task。当所有可执行的micro-task执行完毕之后。循环再次执行macro-task中的一个任务队列，执行完之后再执行所有的micro-task，就这样一直循环。

总结：

不同的任务会放进不同的任务队列之中。
先执行macro-task，等到函数调用栈清空之后再执行所有在队列之中的micro-task。
等到所有micro-task执行完之后再从macro-task中的一个任务队列开始执行，就这样一直循环。
当有多个macro-task(micro-task)队列时，事件循环的顺序是按上文macro-task(micro-task)的分类中书写的顺序执行的。

五. 浏览器中的Event Loop

同步任务和异步任务

Javascript单线程任务被分为同步任务和异步任务，同步任务会在调用栈中按照顺序等待主线程依次执行，异步任务会在异步任务有了结果后，将注册的回调函数放入任务队列中等待主线程空闲的时候（调用栈被清空），被读取到栈内等待主线程的执行。

任务队列Task Queue，即队列，是一种先进先出的一种数据结构。

事件循环的进程模型

执行栈在执行完同步任务后，查看执行栈是否为空，如果执行栈为空，就会去检查微任务(microTask)队列是否为空，如果为空的话，就执行宏任务（Task），否则就一次性执行完所有微任务。每次单个宏任务执行完毕后，检查微任务(microTask)队列是否为空，如果不为空的话，会按照先入先出的规则全部执行完微任务(microTask)后，设置微任务(microTask)队列为null，然后再执行宏任务，如此循环。

先执行同步阻塞任务，同步任务会等待上一个执行完毕以后执行下一个，当同步任务执行完毕，再执行异步任务，遇到异步任务会将异步任务的回调函数注册在异步任务队列里。注意，如果主线程上没有同步任务会直接调用异步任务的微任务。
执行宏任务，遇到微任务将都添加到微任务队列里。
开始执行微任务队列，当宏任务执行完后执行微任务队列，直到微任务队列全部执行完，微任务队列为空。
执行宏任务，如果在执行宏任务期间有微任务，将微任务添加到微任务队列里，执行完宏任务之后执行微任务，直到微任务队列全部执行完。
继续执行宏任务队列。

重复2, 3, 4，5……直到宏微任务为空。

六. $nextTick 的实现原理

从字面意思理解，next 下一个，tick 滴答（钟表）来源于定时器的周期性中断（输出脉冲），一次中断表示一个 tick，也被称做一个“时钟滴答”），nextTick 顾名思义就是下一个时钟滴答。看源码，在 Vue 2.x 版本中，nextTick 在 src\core\util 中的一个单独的文件 next-tick.js ，可见 nextTick 的重要性，虽然短短 200 多行，尤大却单独创建一个文件去维护。

接下来我们来看整个文件。

声明了三个全局变量，callbacks: []，pending: Boolean，timerFunc: undefined。
声明了一个函数flushCallbacks。
一堆 if，else if 判断。
抛出了一个函数 nextTick。

nextTick 函数

声明一个局部变量 _resolve 。
把所有回调函数压进 callbacks 中，以栈的形式的存储所有 callback。
当 pending 为 false 时，执行 timerFunc 函数。
当没有 callback 的时候，返回一个 Promise 的调用方式，可以用 .then 接收。

timerFunc 函数

我们开始说了，timerFunc 为全局变量，现在调用 timerFunc ，timerFunc 是什么时候被赋值为一个函数，并且函数里执行代码又是什么？

我们看到，这段判断代码总共有四个分支，四个分支里对 timerFunc 有不同的赋值，我们先来看第一个分支。

Promise 分支

if (typeof Promise !== 'undefined' && isNative(Promise)) {  const p = Promise.resolve()  timerFunc = () => {    p.then(flushCallbacks)    // In problematic UIWebViews, Promise.then doesn't completely break, but    // it can get stuck in a weird state where callbacks are pushed into the    // microtask queue but the queue isn't being flushed, until the browser    // needs to do some other work, e.g. handle a timer. Therefore we can    // "force" the microtask queue to be flushed by adding an empty timer.    if (isIOS) setTimeout(noop)  }  isUsingMicroTask = true}

判断环境是否支持 Promise 并且 Promise 是否为原生。
使用 Promise 异步调用 flushCallbacks 函数。
当执行环境是 iPhone 等，使用 setTimeout 异步调用 noop ，iOS 中在一些异常的webview 中，promise 结束后任务队列并没有刷新所以强制执行 setTimeout 刷新任务队列。

MutationObserver 分支

else if (!isIE && typeof MutationObserver !== 'undefined' && (  isNative(MutationObserver) ||  // PhantomJS and iOS 7.x  MutationObserver.toString() === '[object MutationObserverConstructor]')) {  // Use MutationObserver where native Promise is not available,  // e.g. PhantomJS, iOS7, Android 4.4  // (#6466 MutationObserver is unreliable in IE11)  let counter = 1  const observer = new MutationObserver(flushCallbacks)  const textNode = document.createTextNode(String(counter))  observer.observe(textNode, {    characterData: true  })  timerFunc = () => {    counter = (counter + 1) % 2    textNode.data = String(counter)  }  isUsingMicroTask = true}

对非IE浏览器和是否可以使用 HTML5 新特性 MutationObserver 进行判断。
实例一个 MutationObserver 对象，这个对象主要是对浏览器 DOM 变化进行监听，当实例化 MutationObserver 对象并且执行对象 observe，设置 DOM 节点发生改变时自动触发回调。
把 timerFunc 赋值为一个改变 DOM 节点的方法，当 DOM 节点发生改变，触发 flushCallbacks 。（这里其实就是想用利用 MutationObserver 的特性进行异步操作）

setImmediate 分支

else if (typeof setImmediate !== 'undefined' && isNative(setImmediate)) {  // Fallback to setImmediate.  // Technically it leverages the (macro) task queue,  // but it is still a better choice than setTimeout.  timerFunc = () => {    setImmediate(flushCallbacks)  }}

判断 setImmediate 是否存在，setImmediate 是高版本 IE （IE10+）和 edge 才支持的。
如果存在，传入 flushCallbacks 执行 setImmediate 。

setTimeout 分支

else {  // Fallback to setTimeout.  timerFunc = () => {    setTimeout(flushCallbacks, 0)  }}

当以上所有分支异步 api 都不支持的时候，使用 macro task（宏任务）的 setTimeout 执行 flushCallbacks 。

执行降级

我们可以发现，给 timerFunc 赋值是一个降级的过程。为什么呢，因为 Vue 在执行的过程中，执行环境不同，所以要适配环境。

flushCallbacks 函数

function flushCallbacks () { pending = false const copies = callbacks.slice(0) callbacks.length = 0 for (let i = 0; i < copies.length; i++) { copies[i]() }}

总结

nextTick 的原理就是利用 Event loop 事件线程去异步重新渲染，分支判断首要选择 Promise 的原因是当同步JS代码执行完毕，执行栈清空会首先查看 micro task （微任务）队列是否为空，不为空首先执行微任务。在我们 DOM 依赖数据发生变化的时候，会异步重新渲染 DOM ，但是比如像 echarts ，canvas……这些 Vue 无法在初始状态下收集依赖的 DOM ，我们就需要手动执行 nextTick 方法使其重新渲染。

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