一文看懂浏览器事件循环

实际上浏览器的事件循环标准是由 HTML 标准规定的，具体来说就是由whatwg规定的，具体内容可以参考event-loops in browser。而NodeJS中事件循环其实也略有不同，具体可以参考event-loops in nodejs

我们在讲解事件模型的时候，多次提到了事件循环。 事件指的是其所处理的对象就是事件本身，每一个浏览器都至少有一个事件循环，一个事件循环至少有一个任务队列。循环指的是其永远处于一个“无限循环”中。不断将注册的回调函数推入到执行栈。

那么事件循环究竟是用来做什么的？浏览器的事件循环和NodeJS的事件循环有什么不同？让我们从零开始，一步一步探究背后的原因。

为什么要有事件循环

JS引擎

要回答这个问题，我们先来看一个简单的例子：

function c() {}
function b() {
    c();
}
function a() {
    b();
}
a();

以上一段简单的JS代码，究竟是怎么被浏览器执行的？

首先，浏览器想要执行JS脚本，需要一个“东西”，将JS脚本（本质上是一个纯文本），变成一段机器可以理解并执行的计算机指令。这个“东西”就是JS引擎，它实际上会将JS脚本进行编译和执行，整个过程非常复杂，这里不再过多介绍，感兴趣可以期待下我的V8章节，如无特殊说明，以下都拿V8来举例子。

有两个非常核心的构成，执行栈和堆。执行栈中存放正在执行的代码，堆中存放变量的值，通常是不规则的。

当V8执行到a()这一行代码的时候，a会被压入栈顶。

在a的内部，我们碰到了b()，这个时候b被压入栈顶。

在b的内部，我们又碰到了c()，这个时候c被压入栈顶。

c执行完毕之后，会从栈顶移除。

函数返回到b，b也执行完了，b也从栈顶移除。

同样a也会被移除。

整个过程用动画来表示就是这样的：

(在线观看)

这个时候我们还没有涉及到堆内存和执行上下文栈，一切还比较简单，这些内容我们放到后面来讲。

DOM 和 WEB API

现在我们有了可以执行JS的引擎，但是我们的目标是构建用户界面，而传统的前端用户界面是基于DOM构建的，因此我们需要引入DOM。DOM是文档对象模型，其提供了一系列JS可以直接调用的接口，理论上其可以提供其他语言的接口，而不仅仅是JS。 而且除了DOM接口可以给JS调用，浏览器还提供了一些WEB API。 DOM也好，WEB API也好，本质上和JS没有什么关系，完全不一回事。JS对应的ECMA规范，V8用来实现ECMA规范，其他的它不管。 这也是JS引擎和JS执行环境的区别，V8是JS引擎，用来执行JS代码，浏览器和Node是JS执行环境，其提供一些JS可以调用的API即JS bindings。

由于浏览器的存在，现在JS可以操作DOM和WEB API了，看起来是可以构建用户界面啦。 有一点需要提前讲清楚，V8只有栈和堆，其他诸如事件循环，DOM，WEB API它一概不知。原因前面其实已经讲过了，因为V8只负责JS代码的编译执行，你给V8一段JS代码，它就从头到尾一口气执行下去，中间不会停止。

另外这里我还要继续提一下，JS执行栈和渲染线程是相互阻塞的。为什么呢？ 本质上因为JS太灵活了，它可以去获取DOM中的诸如坐标等信息。 如果两者同时执行，就有可能发生冲突，比如我先获取了某一个DOM节点的x坐标，下一时刻坐标变了。 JS又用这个“旧的”坐标进行计算然后赋值给DOM，冲突便发生了。 解决冲突的方式有两种：

1. 限制JS的能力，你只能在某些时候使用某些API。 这种做法极其复杂，还会带来很多使用不便。
2. JS和渲染线程不同时执行就好了，一种方法就是现在广泛采用的相互阻塞。 实际上这也是目前浏览器广泛采用的方式。

单线程 or 多线程 or 异步

前面提到了你给V8一段JS代码，它就从头到尾一口气执行下去，中间不会停止。 为什么不停止，可以设计成可停止么，就好像C语言一样？

假设我们需要获取用户信息，获取用户的文章，获取用的朋友。

单线程无异步

由于是单线程无异步，因此我们三个接口需要采用同步方式。

fetchUserInfoSync().then(doSomethingA); // 1s
fetchMyArcticlesSync().then(doSomethingB);// 3s
fetchMyFriendsSync().then(doSomethingC);// 2s

由于上面三个请求都是同步执行的，因此上面的代码会先执行fetchUserInfoSync，一秒之后执行fetchMyArcticlesSync，再过三秒执行fetchMyFriendsSync。 最可怕的是我们刚才说了JS执行栈和渲染线程是相互阻塞的。 因此用户就在这期间根本无法操作，界面无法响应，这显然是无法接受的。

多线程无异步

由于是多线程无异步，虽然我们三个接口仍然需要采用同步方式，但是我们可以将代码分别在多个线程执行，比如我们将这段代码放在三个线程中执行。

线程一：

fetchUserInfoSync().then(doSomethingA); // 1s

线程二：

fetchMyArcticlesSync().then(doSomethingB); // 3s

线程三：

fetchMyFriendsSync().then(doSomethingC); // 2s

由于三块代码同时执行，因此总的时间最理想的情况下取决与最慢的时间，也就是3s，这一点和使用异步的方式是一样的（当然前提是请求之间无依赖）。为什么要说最理想呢？由于三个线程都可以对DOM和堆内存进行访问，因此很有可能会冲突，冲突的原因和我上面提到的JS线程和渲染线程的冲突的原因没有什么本质不同。因此最理想情况没有任何冲突的话是3s，但是如果有冲突，我们就需要借助于诸如锁来解决，这样时间就有可能高于3s了。 相应地编程模型也会更复杂，处理过锁的程序员应该会感同身受。

单线程 + 异步

如果还是使用单线程，改成异步是不是会好点？问题的是关键是如何实现异步呢？这就是我们要讲的主题 - 事件循环。

事件循环究竟是怎么实现异步的？

我们知道浏览器中JS线程只有一个，如果没有事件循环，就会造成一个问题。 即如果JS发起了一个异步IO请求，在等待结果返回的这个时间段，后面的代码都会被阻塞。 我们知道JS主线程和渲染进程是相互阻塞的，因此这就会造成浏览器假死。 如何解决这个问题？ 一个有效的办法就是我们这节要讲的事件循环。

其实事件循环就是用来做调度的，浏览器和NodeJS中的事件循坏就好像操作系统的调度器一样。操作系统的调度器决定何时将什么资源分配给谁。对于有线程模型的计算机，那么操作系统执行代码的最小单位就是线程，资源分配的最小单位就是进程，代码执行的过程由操作系统进行调度，整个调度过程非常复杂。 我们知道现在很多电脑都是多核的，为了让多个core同时发挥作用，即没有一个core是特别闲置的，也没有一个core是特别累的。操作系统的调度器会进行某一种神秘算法，从而保证每一个core都可以分配到任务。 这也就是我们使用NodeJS做集群的时候，Worker节点数量通常设置为core的数量的原因，调度器会尽量将每一个Worker平均分配到每一个core，当然这个过程并不是确定的，即不一定调度器是这么分配的，但是很多时候都会这样。

了解了操作系统调度器的原理，我们不妨继续回头看一下事件循环。 事件循环本质上也是做调度的，只不过调度的对象变成了JS的执行。事件循环决定了V8什么时候执行什么代码。V8只是负责JS代码的解析和执行，其他它一概不知。浏览器或者NodeJS中触发事件之后，到事件的监听函数被V8执行这个时间段的所有工作都是事件循环在起作用。

我们来小结一下：

1. 对于V8来说，它有：

• 调用栈（call stack）

这里的单线程指的是只有一个call stack。只有一个call stack 意味着同一时间只能执行一段代码。

• 堆（heap）

1. 对于浏览器运行环境来说：

• WEB API
• DOM API
• 任务队列

事件来触发事件循环进行流动

以如下代码为例：

function c() {}
function b() {
    c();
}
function a() {
    setTimeout(b, 2000)
}
a();

执行过程是这样的：

(在线观看)

因此事件循环之所以可以实现异步，是因为碰到异步执行的代码“比如fetch，setTimeout”，浏览器会将用户注册的回调函数存起来，然后继续执行后面的代码。等到未来某一个时刻，“异步任务”完成了，会触发一个事件，浏览器会将“任务的详细信息”作为参数传递给之前用户绑定的回调函数。具体来说，就是将用户绑定的回调函数推入浏览器的执行栈。

但并不是说随便推入的，只有浏览器将当然要执行的JS脚本“一口气”执行完，要”换气“的时候才会去检查有没有要被处理的“消息”。
如果于则将对应消息绑定的回调函数推入栈。当然如果没有绑定事件，这个事件消息实际上会被丢弃，不被处理。比如用户触发了一个click事件，但是用户没有绑定click事件的监听函数，那么实际上这个事件会被丢弃掉。

我们来看一下加入用户交互之后是什么样的，拿点击事件来说：

$.on('button', 'click', function onClick() {
    setTimeout(function timer() {
        console.log('You clicked the button!');    
    }, 2000);
});

console.log("Hi!");

setTimeout(function timeout() {
    console.log("Click the button!");
}, 5000);

console.log("Welcome to loupe.");

上述代码每次点击按钮，都会发送一个事件，由于我们绑定了一个监听函数。因此每次点击，都会有一个点击事件的消息产生，浏览器会在“空闲的时候”对应将用户绑定的事件处理函数推入栈中执行。

伪代码:

while (true) {
    if (queue.length > 0) {
        queue.processNextMessage()
    }
}

动画演示：

(在线观看)

加入宏任务&微任务

我们来看一个更复制的例子感受一下。

console.log(1)

setTimeout(() => {
  console.log(2)
}, 0)

Promise.resolve().then(() => {
    return console.log(3)
}).then(() => {
    console.log(4)
})

console.log(5)

上面的代码会输出：1、5、3、4、2。 如果你想要非常严谨的解释可以参考 whatwg 对其进行的描述 -event-loop-processing-model。

下面我会对其进行一个简单的解释。

• 浏览器首先执行宏任务，也就是我们script（仅仅执行一次）
• 完成之后检查是否存在微任务，然后不停执行，直到清空队列
• 执行宏任务

其中：

宏任务主要包含：setTimeout、setInterval、setImmediate、I/O、UI交互事件

微任务主要包含：Promise、process.nextTick、MutaionObserver 等

有了这个知识，我们不难得出上面代码的输出结果。

由此我们可以看出，宏任务&微任务只是实现异步过程中，我们对于信号的处理顺序不同而已。如果我们不加区分，全部放到一个队列，就不会有宏任务&微任务。这种人为划分优先级的过程，在某些时候非常有用。

加入执行上下文栈

说到执行上下文，就不得不提到浏览器执行JS函数其实是分两个过程的。一个是创建阶段Creation Phase,一个是执行阶段Execution Phase。

同执行栈一样，浏览器每遇到一个函数，也会将当前函数的执行上下文栈推入栈顶。

举个例子：

function a(num) {
    function b(num) {
        function c(num) {
            const n = 3
            console.log(num + n)
        }
        c(num);
    }
    b(num);
}
a(1);

遇到上面的代码。 首先会将a的压入执行栈，我们开始进行创建阶段Creation Phase， 将a的执行上下文压入栈。然后初始化a的执行上下文，分别是VO，ScopeChain（VO chain）和 This。 从这里我们也可以看出，this其实是动态决定的。VO指的是variables, functions 和 arguments。 并且执行上下文栈也会同步随着执行栈的销毁而销毁。

伪代码表示：

const EC  = {
    'scopeChain': { },
    'variableObject': { },
    'this': { }
}

我们来重点看一下ScopeChain(VO chain)。如上图的执行上下文大概长这个样子，伪代码：

global.VO = {
    a: pointer to a(),
    scopeChain: [global.VO]
}

a.VO = {
    b: pointer to b(),
    arguments: {
        0: 1
    },
    scopeChain: [a.VO, global.VO]
}

b.VO = {
    c: pointer to c(),
    arguments: {
        0: 1
    },
    scopeChain: [b.VO, a.VO, global.VO]
}
c.VO = {
    arguments: {
        0: 1
    },
    n: 3
    scopeChain: [c.VO, b.VO, a.VO, global.VO]
}

引擎查找变量的时候，会先从VOC开始找，找不到会继续去VOB...，直到GlobalVO，如果GlobalVO也找不到会返回Referrence Error，整个过程类似原型链的查找。

值得一提的是，JS是词法作用域，也就是静态作用域。换句话说就是作用域取决于代码定义的位置，而不是执行的位置，这也就是闭包产生的本质原因。 如果上面的代码改造成下面的：

function c() {}
function b() {}
function a() {}
a()
b()
c()

或者这种：

function c() {}
function b() {
    c();
}
function a() {
    b();
}
a();

其执行上下文栈虽然都是一样的，但是其对应的scopeChain则完全不同，因为函数定义的位置发生了变化。拿上面的代码片段来说,c.VO会变成这样：

c.VO = {
    scopeChain: [c.VO, global.VO]
}

也就是说其再也无法获取到a和b中的VO了。

总结

通过这篇文章，希望你对单线程，多线程，异步，事件循环，事件驱动等知识点有了更深的理解和感悟。除了这些大的层面，我们还从执行栈，执行上下文栈角度讲解了我们代码是如何被浏览器运行的，我们顺便还解释了作用域和闭包产生的本质原因。

最后我总结了一个浏览器运行代码的整体原理图，希望对你有帮助：

下一节浏览器的事件循环和NodeJS的事件循环有什么不同, 敬请期待～

参考

• Node.js event loop - logrocket
• event-loop - nodejs.org
• what-is-the-execution-context-in-javascript
• Event Loop in JS - youtube

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