JS单线程和事件循环

一、为什么JavaScript必须是单线程

所谓单线程，就是同一个时间只能做一件事。JavaScript从诞生之初就是作为浏览器的一种脚本语言，其主要用途是与用户互动，以及操作DOM，而这就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，这个时候浏览器就不知道该如何处理了，到底是应该在节点上添加内容还是应该删除这个节点呢？
虽然为了利用CPU的多核计算能力，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，所以，这个新标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

二、为什么单线程还能实现异步

对于大多数语言而言，实现异步可以通过启动额外的进程、线程或协程来实现，也就是说仅仅靠一个进程或线程是无法实现异步功能的。而我们的JavaScript实现异步功能也不例外，也是将一些异步操作交给其他线程进行处理，比如最常用的setTimeout，就是要将异步操作交给定时器线程进行处理。然后通过事件循环机制来处理异步操作的结果。发起异步操作的时候通常会传入一个回调函数，当执行异步操作的线程处理完成后，会将回调函数放入到任务队列中，最后在未来的某轮事件循环tick中获取并执行这个回调函数。

三、浏览器中的事件循环

浏览器中的事件循环会涉及到一个任务队列(task queue)的概念。所有的异步任务执行完毕后都会将对应的回调函数放到任务队列中，并进行排队依次处理。而任务队列又分为宏任务队列和微任务队列，并且只有在主线程的调用栈被清空的时候，才会执行任务队列中的任务，这也就是所谓的JavaScript的运行机制。

浏览器宏任务主要有setTimeout()、setInterval()。
浏览器微任务主要有Promise.then()、requestAnimationFrame()。

并且微任务优先级要高于宏任务。当主线程调用栈空闲时，就会检测任务队列中是否有任务要执行，首先看一下微任务队列中是否有任务要执行，如果有则执行微任务队列中的任务，直到微任务队列清空为止，然后接着开始执行宏任务队列中的任务，宏任务清空后，又接着检测微任务队列中是否有任务，如此往复下去形成事件循环。

这里需要注意的就是浏览器是多线程的，主要为UI渲染线程、JS引擎线程、GUI线程(主要用于处理事件交互)，其中，JS引擎线程和UI渲染线程是互斥的，即，如果JS引擎主线程在执行，那么UI将无法进行渲染，因为JS引擎线程是可以进行DOM操作的，只有互斥才能保证不会出现UI引擎在渲染的同时，JS引擎线程同时在修改DOM，如页面中有一个按钮，点击按钮后会开始一段耗时比较长的计算，这里要求实现点击按钮后按钮文字显示"计算中"，计算完成后，按钮文字显示"计算完成"。

<body>
    <button id="btn">点我</button>
</body>

let btn = document.getElementById("btn");
function long_running() {
    console.log("long_running");
    var result = 0;
    for(var i = 0; i < 1000; i++) {
        for(var j= 0; j < 1000; j++) {
            for(var k=0; k< 1000; k++) {
                result = result + i + j + k;
            }
        }
    }
    btn.innerHTML = "计算完成";
}
btn.addEventListener("click", (e) => {
    btn.innerHTML = "计算中...";
    long_running();
});

运行如上代码，我们可以发现点击按钮后并没有先变成"计算中"，然后再变成"计算完成"，而是点击之后无变化，然后等计算完成后直接变成了"计算完成"。因为btn.innerHTML = "计算中...";是进行DOM操作，使用的UI渲染线程，此时，JS引擎线程调用栈还未清空(还需要往下执行long_running()方法)，所以还不能立即执行任务队列中的方法，然后执行long_running()，long_running()不是异步任务，不进入到任务队列中，直接进入到主线程的调用栈中执行，由于耗时比较长，等long_running()中的耗时计算执行完成后，接着执行btn.innerHTML = "计算完成"，同样是UI渲染，此时long_running()执行完毕，主线程调用栈被清空，开始检测是否有微任务需要执行，发现没有，接着将线程执行权限交给UI渲染线程，UI渲染需要执行btn.innerHTML = "计算中..."; btn.innerHTML = "计算完成";两个任务，执行速度非常快，所以直接显示"计算完成"了，此时UI渲染线程工作执行完毕，接着将线程执行权限交回给JS引擎线程，接着检测是否有宏任务要执行。要实现btn.innerHTML = "计算中..."先执行，再进行计算，最后执行btn.innerHTML = "计算完成"，我们需要给long_running()添加一个延时，让计算过程进入到宏任务队列中，不再占用主线程调用栈，用户点击之后发起了UI渲染和一个宏任务，click事件结束后发现没有微任务，线程权限交给UI渲染线程，渲染出计算中...，UI渲染线程工作完毕，线程权限交回JS引擎线程，发现有宏任务要执行，执行长时间的计算过程后，又发起了一个UI渲染，long_running执行完毕，发现没有微任务，线程权限再次交给UI渲染引擎，渲染出计算完成，线程权限再次交回JS引擎线程。如:

btn.addEventListener("click", (e) => {
    btn.innerHTML = "计算中...";
    setTimeout(() => {
        long_running();
    }, 0);
});

添加延时后，long_running();也进入到了任务队列中，所以会先执行btn.innerHTML = "计算中...";再执行long_running();等计算完成后再更新为"计算完成"。

四、NodeJS中的事件循环

NodeJS的运行环境与浏览器的运行环境有些许不同，所以事件循环也有些许不同。同样的NodeJS的核心是V8，V8本身没有异步运行的能力，需要借助其他线程来实现，NodeJS的异步能力是依赖于libuv库。我们先来看看NodeJS每一轮事件循环经历的过程。

 ┌───────────────────────────┐
┌─>│           timers          │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │     pending callbacks     │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │       idle, prepare       │
│  └─────────────┬─────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌─────────────┴─────────────┐      │   incoming:   │
│  │           poll            │<─────┤  connections, │
│  └─────────────┬─────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌─────────────┴─────────────┐      └───────────────┘
│  │           check           │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
└──┤      close callbacks      │
   └───────────────────────────┘

timers： 计时器阶段，用于处理setTimeout以及setInterval的回调函数
pending callbacks： 用于执行某些系统操作的回调，例如TCP错误
idle, prepare： Node内部使用，不用做过多的了解
poll： 轮询阶段，执行队列中的 I/O 队列，并检查定时器是否到时
check： 执行setImmediate的回调
close callbacks： 处理关闭的回调，例如 socket.destroy()

我们平时经常用到的也就是timers 、poll 、check三个阶段，这三个阶段都有对应的宏任务队列，并且在进入下一个阶段之前要先检测微任务队列中有没有微任务，只有先清空微任务中的任务才能进入事件循环的下一个阶段，注意不是下一轮事件循环而是事件循环的下一个阶段。
NodeJS中宏任务和微任务类型也有所不同:
NodeJS中的宏任务主要有setTimeout 、setInterval 、setImmediate。
NodeJS中的微任务主要有Promise.then 、process.nextTick，并且nextTick的优先级要高于Promise.then。因为nextTick微任务有一个单独的队列，称为 next tick queue，所以可以做到先清空next tick queue。

我们先看一个例子，以便了解promise.then,process.nextTick, setTimeout以及setImmediate的执行顺序。如:

// NodeJS运行环境
setImmediate(function(){ // 宏任务1
    console.log(1);
},0);
setTimeout(function(){ // 宏任务2
    console.log(2);
},0);
new Promise(function(resolve){
    console.log(3);
    resolve();
    console.log(4);
}).then(function(){ // 微任务1
    console.log(5);
});
console.log(6);
process.nextTick(function(){ // 微任务2
    console.log(7);
});
console.log(8);

根据上面提到的NodeJS中的事件循环过程可知，首先promise.then和process.nextTick属于微任务，setTimeout和setImmediate属于宏任务，并且process.nextTick的优先级要高于promise.then，setTimeout的优先级高于setIImmediate。
首先执行整体代码，产生了两个宏任务，然后创建Promise执行同步代码输出3和4，此时产生了一个微任务1，接着输出6，然后再产生了一个微任务2，接着输出8，此时整体代码执行完毕，然后检测微任务队列并执行(进入事件循环各阶段前需要先清空微任务队列)，此时微任务队列中有两个，虽然微任务2后面添加进去，但是微任务2是由process.nextTick创建具有更高优先级，所以先执行微任务2，依次输出7和5，接着再执行宏任务，由于setTimeout比setImmediate具有更高优先级，所以先执行宏任务2，依次输出2和1，故最终结果为3、4、6、8、7、5、2、1。

那么是不是setTimeout一定比setImmediate先执行呢？答案是不一定，因为setImmediate属于check阶段，而check阶段在I/O poll阶段之后，所以如果是在I/O poll阶段之后加入任务队列，那么就会先执行setImmediate了。

const fs = require("fs");
fs.readFile("./a.js", (err, data) => { 
    // 执行I/O poll阶段时加入timer和check阶段任务队列
    setTimeout(() => {
        console.log("setTimeout");
    }, 0);
    setImmediate(() => {
        console.log("setImmediate");
    }, 0);
});

当a.js文件读取完毕之后，发现I/O poll阶段任务队列中有任务要执行，于是开始执行readFile的回调函数，在执行过程中产生两个宏任务队列，分别加入到timer是任务队列、check任务队列中，此时I/O poll阶段任务队列清空，接着进入到check阶段的任务队列，发现有任务要执行，所以会先执行setImmediate回调，然后在下一轮事件循环中执行setTimeout回调。

五、常见示例

① 示例1
在宏任务执行过程中产生了微任务，优先执行微任务再执行下一个宏任务。

setTimeout(() => console.log('setTimeout1'), 0);  //1宏任务
setTimeout(() => {                              //2宏任务
    console.log('setTimeout2');
    Promise.resolve().then(() => { // 2微任务
        console.log('promise3');
        Promise.resolve().then(() => { // 3微任务
            console.log('promise4'); // 4微任务
        })
        console.log(5)
    })
    setTimeout(() => console.log('setTimeout4'), 0);  //4宏任务
}, 0);
setTimeout(() => console.log('setTimeout3'), 0);  //3宏任务
Promise.resolve().then(() => {//1微任务
    console.log('promise1');
})

首先按顺序执行主线程代码，产生了1、2、3三个宏任务，进入宏任务队列，然后执行到最后一行Promise的时候产生了一个微任务，进入微任务队列，在执行宏任务前会先检查微任务队列中是否有任务，发现有一个，所以首先输出promise1，微任务清空后，接着进入到宏任务队列，执行第一个宏任务，输出setTimeout1，接着执行第二个宏任务，输出setTimeout2，同时产生了一个微任务2和宏任务4，执行宏任务过程中产生了微任务2，所以先执行微任务2，输出promise3，又产生了一个微任务4，接着输出5，还有微任务，继续执行微任务4，输出promise4，此时微任务已清空，可以继续执行宏任务3，输出setTimeout3和setTimeout4。

② 示例2

new Promise((resolve,reject)=>{ // new创建的Promise对象P0
    console.log("promise1")
    resolve()
}).then(()=>{ // then方法创建的Promise对象P1，微任务1
    console.log("then1-1-start")
    new Promise((resolve,reject)=>{ // // new创建的Promise对象P3
        console.log("promise2")
        resolve()
    }).then(()=>{ // then方法创建的Promise对象P4 微任务3
        console.log("then2-1")
    }).then(()=>{ // then方法创建的Promise对象P5 微任务4
        console.log("then2-2")
    })
    console.log("then1-1-end")
}).then(()=>{ // then方法创建的Promise对象P2 微任务2
    console.log("then1-2")
})

首先执行整体代码，立即输出promise1，之后同步执行了resolve，P0变为完成状态，调用then()方法创建了一个P1，并产生微任务1，接着执行then方法又创建了一个P2，处于等待状态，并产生微任务2，由于P0已经处于完成状态，所以执行微任务1，输出then1-1-start，接着创建P3，输出promise2，同时产生微任务3，接着输出then1-1-end，这里主要分清微任务2和微任务3哪个先执行，虽然微任务2先注册，但是由于注册的时候P1处于pending状态，所以会先将微任务2放到P1的一个数组中(不是微任务队列)，而P3已经处于完成状态，调用then的时候会立即将微任务3推到微任务队列中，此时微任务1执行完成，然后根据微任务1的返回值改变P1的状态，因为返回值为undefined，所以可以执行P1的resolve方法变为完成状态，在执行P1的resolve的时候会遍历刚刚放到P1数组中的微任务2，将微任务2推到微任务队列中，所以会先执行微任务3再执行微任务2，输出then2-1，then1-2，微任务3执行完成后，执行P4的resolve()方法，遍历P4数组中的微任务4，将微任务4推入微任务队列中，最后输出then2-2。

③ 示例3

new Promise((resolve,reject)=>{ // new创建的Promise对象P0
    console.log("promise1")
    resolve()
}).then(()=>{ // then方法创建的Promise对象P1 微任务1
    console.log("then1-1-start")
    return new Promise((resolve,reject)=>{ // new创建的Promise对象P3
        console.log("promise2")
        resolve()
    }).then(()=>{ // then方法创建的Promise对象P4 微任务3
        console.log("then2-1")
    }).then(()=>{ // then方法创建的Promise对象P5 微任务4
        console.log("then2-2")
    })
    console.log("then1-1-end")
}).then(()=>{ // then方法创建的Promise对象P2 微任务2
    console.log("then1-2")
})

示例3和示例2只是在示例2的基础上，在then1中添加了一个return，那么其输出也会跟着发生一些变化，前面还是一样，依次输出promise1、then1-1-start，加了return后，那么then1-1的返回值就变成了内部Promise的最后一个then返回的Promise对象P5了，此时返回的P5为Pending状态，所以then1-2回调必须等待P5对象变为resolve状态才能执行。所以依次输出promise2、then2-1、then2-2，最后输出then1-2，因为then1-1-end在return之后，是不可达代码，所以无法输出then1-1-end。这题的关键点就是，then1-2这个微任务的执行，需要等待P1变成完成状态，而P1要想变为完成状态又必须依赖P5，而P5也是一个Promise对象，所以需要根据P5的value来决定是否能够将P1变成完成状态，P5要想拿到value，就必须等待P4变成完成状态。

④ 示例4

console.log(1);
setTimeout(function() { // 宏任务1
    console.log('2');
    process.nextTick(function() { // 微任务3
        console.log('3');
    });
    new Promise(function(resolve) {
        console.log('4');
        resolve();
    }).then(function() { // 微任务4
        console.log('5');
    });
}, 0);

process.nextTick(function() { // 微任务1
 console.log('6');
});

new Promise(function(resolve) {
    console.log('7');
    resolve();
   }).then(function() { // 微任务2
    console.log('8')
   });
setTimeout(() => { // 宏任务2
    console.log('9');
    process.nextTick(function() { // 微任务5
    console.log('10');
    })
    new Promise(function(resolve) {
    console.log('11');
    resolve();
    }).then(function() { // 微任务6
    console.log('12');
    });
}, 0);

首先执行整体代码，输出1，并产生宏任务1，接着产生一个微任务1，接着创建Promise执行同步代码输出7，并产生微任务2，最后产生一个宏任务2；接着清空微任务队列，微任务队列中有两个任务，并且nextTick优先级比Promise.then优先级更高，故依次输出6和8；然后再执行宏任务队列，先执行宏任务1，输出2，并产生微任务3，接着创建Promise执行同步代码输出4，然后产生微任务4，由于产生了微任务3和微任务4，故输出3和5，继续执行宏任务2，输出9，产生微任务5，接着创建Promise执行同步代码输出11，并产生微任务6，此时宏任务1和2执行完毕，期间又产生了微任务5和6，接着清空微任务队列，输出10和12。故最终输出结果为1、7、6、8、2、4、3、5、9、11、10、12

⑤ 示例5

async function async1() {
    console.log('async1 start')
    await async2();
    console.log('async1 end')
}
async function async2() {
    console.log('async2')
}
console.log('script start')
setTimeout(() => {
    console.log('setTimeout0')
},0)

setTimeout(() => {
    console.log('setTimeout3')
},3)

setImmediate(() => {
    console.log("setImmediate");
});
async1();
new Promise((resolve) => {
    console.log("promise1");
    resolve();
    console.log("promise2");
}).then(() => {
    console.log("promise3");
});
process.nextTick(() => {
    console.log("nextTick");
});
console.log("scritp end.");

这道题主要考察的是async函数的执行原理，async函数会返回一个Promise对象，当函数执行的时候，一旦遇到await就会立即返回，但是要等到await后的代码执行完成后才能回到主线程，即接着执行函数外的同步代码，函数外的同步代码执行完成后再回到async函数内接着执行，并且之间如果产生了nextTic微任务，那么需要先执行nextTic微任务，但是Promise.then微任务在await之后执行。
首先执行整体代码，输出script start，然后setTimeout0、setTimeout3、setImmediate进入到宏任务队列，接着执行async1函数，输出async1 start，然后遇到await，async1函数立即返回，但是还要等到await之后的代码async2执行完毕，async2执行完成输出async2，此时回到主线程继续执行，即执行Promise中的同步代码，输出promise1、promise2，然后产生一个promise3微任务，接着nextTick也进入到微任务对列，接着输出scritp end，此时主线程执行完毕，即主线程调用栈已经被清空，接着检测是否有nextTick微任务队列，发现有，开始执行nextTick微任务队列，输出nextTick，此时再次回到async1()执行剩余的代码，输出async1 end，此时还有Promise.then微任务，清空微任务队列，输出promise3，接着再执行宏任务队列中的代码，setTimeout0和setImmediate时间都是0，并且setTimeout0优先级更高，依次输出setTimeout0、setImmediate，最后输出setTimeout3。

六、整个JS执行过程

当JS中引入了宏任务和微任务后，渲染引擎的执行时机是介于微任务和宏任务之间的，也就是说微任务执行结束后再执行JS渲染接着再执行宏任务。如图所示:

屏幕快照 2020-03-09 上午11.15.03.png

let total = 100000;
    const startTime = Date.now();
    const container = document.getElementById("container");
    Promise.resolve().then(() => {
        console.log("微任务执行完毕，UI渲染线程开始渲染UI，操作DOM。");
    });
    setTimeout(() => {
        console.log("在长时间计算前加入宏任务队列");
        console.log(`执行时间---: ${Date.now() - startTime}`);
    }, 0);
    let result = 0;
    for(var i = 0; i < 1000; i++) {
        for(var j= 0; j < 1000; j++) {
            for(var k=0; k< 1000; k++) {
                result = result + i + j + k;
            }
        }
    }
    console.log("计算结束");
    for (let i = 0; i < total; i++) {
        const li = document.createElement("li");
        li.innerHTML = i;
        container.appendChild(li);
    }
    console.log("发起UI渲染结束");
    setTimeout(() => {
        console.log("UI渲染线程渲染UI完毕，开始执行宏任务。");
        console.log(`UI渲染线程执行时间: ${Date.now() - startTime}`);
    }, 0);
    console.log(`JS主线程代码执行结束，其主线程JS执行时间: ${Date.now() - startTime}`);

首先JS主线程代码开始执行，遇到一个Promise产生一个微任务，加入到微任务队列中，接着遇到一个宏任务，加入到宏任务队列中，需要注意的是setTimeout时间为0也不是立即进入宏任务队列，而是要等待4ms，为保证该宏任务在UI渲染前加入宏任务队列，引入了一个耗时很长的计算，接着执行长计算，输出计算结束，接着执行for循环操作，发起UI渲染，其中包含了DOM操作，即UI渲染，但此时无法立即渲染，需要等到JS主线程代码和微任务代码执行完毕之后再进行UI渲染，for循环结束后输出发起UI渲染结束，接着遇到一个宏任务，加入到宏任务队列中，此时输出JS主线程代码执行结束，其主线程JS执行时间: 13351，JS主线程代码执行完毕，接着清空微任务队列，输出微任务执行完毕，UI渲染线程开始渲染UI，操作DOM。然后线程执行权限交给UI渲染线程，开始执行UI渲染，等待一段时间后UI渲染完毕，线程执行权限交回给JS引擎线程，开始执行宏任务，此时输出在长时间计算前加入宏任务队列和执行时间---: 16334，UI渲染线程渲染UI完毕，开始执行宏任务和UI渲染线程执行时间: 16475。可以看到不管setTimeout在for循环(UI渲染)前还是后，setTimeout回调都是在UI渲染完成后执行。

有些文章说UI渲染也属于宏任务队列是不对的，从上面的输出结果可以看出，如果UI渲染也属于宏任务队列的话，那么第一次setTimeout肯定比UI渲染先进入宏任务队列，应该先执行第一个setTimeout回调，但是两次setTimeout输出的时间相差不大，所以说UI渲染是在宏任务之前执行的。

JS单线程和事件循环

一、为什么JavaScript必须是单线程

二、为什么单线程还能实现异步

三、浏览器中的事件循环

四、NodeJS中的事件循环

五、常见示例

六、整个JS执行过程

JS_Even_JS

引用和评论

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