深入理解JavaScript运行机制

深入理解JavaScript运行机制

前言

• 本文是写作在给团队新人培训之际，所以其实本文的受众是对JavaScript的运行机制不了解或了解起来有困难的小伙伴。也就是说，其实真正的原理和本文阐述的并不完全符合，就如中学课本和大学课本一样，大学老师会告诉你高中的一些东西是在某些理想情况下得到的结论，本文同理。
• 本文的目的是希望大家阅读之后能对JavaScript的运行机制有一个比较直观比较快的认识，但更重要的是自己动手实践，只有实践才能真正发现问题和得到提升:)
• 收到了大家的支持和反馈，非常感谢:)

想要理解JavaScript的运行机制，需要分别深刻理解以下几个点：

• JavaScript的单线程机制
• 任务队列（同步任务和异步任务）
• 事件和回调函数
• 定时器
• Event Loop（事件循环）

JavaScript的单线程机制

JavaScript的一个语言特性（也是这门语言的核心）就是单线程。什么是单线程呢？简单地说就是同一时间只能做一件事，当有多个任务时，只能按照一个顺序一个完成了再执行下一个。

JavaScript的单线程与它的语言用途是有关的。作为一门浏览器脚本语言，JavaScript的主要用途是完成用户交互、操作DOM。这就决定了它只能是单线程，否则会导致复杂的同步问题。

设想JavaScript同时有两个线程，一个线程需要在某个DOM节点上添加内容，而另一个线程的操作是删除了这个节点，那么浏览器应该以谁为准呢？

所以为了避免复杂性，JavaScript从诞生起就是单线程。

为了提高CPU的利用率，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。所以这个标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

任务队列

一个接一个地完成任务也就意味着待完成的任务是需要排队的，那么为什么会需要排队呢？

通常排队有以下两种原因：

• 任务计算量过大，CPU处于忙碌状态；
• 任务所需的东西为准备好所以无法继续执行，导致CPU闲置，等待输入输出设备（I/O设备）。> 比如有的任务你需要Ajax获取到数据才能往下执行

由此JavaScript的设计者也意识到，这时完全可以先运行后面已经就绪的任务来提高运行效率，也就是把等待中的任务先挂起放到一边，等得到需要的东西再执行。就好比接电话时对方离开了一下，这时正好有另一个来电，于是你便把当前通话挂起，等那个通话结束后，再连回之前的通话。

所以也就出现了同步和异步的概念，任务也被分成了两种，一种是同步任务（Synchronous），另一种是异步任务（Asynchronous）。

• 同步任务：需要执行的任务在主线程上排队，一个接一个，前一个完成了再执行下一个
• 异步任务：没有马上被执行但需要执行的任务，存放在“任务队列”（task queue）中，“任务队列”会通知主线程什么时候哪个异步任务可以执行，然后这个任务就会进入主线程并被执行。> 所有的同步执行都可以看作是没有异步任务的异步执行

具体来说，异步执行如下：

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

  也就是所有能被马上执行的任务都在主线程上排好了队，一个接一个的被执行。

• 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。
  

  也就是说每个异步任务准备好了就会立一个唯一的flag，这个flag用来标识对应的异步任务。

• 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，就结束等待装袋，进入执行栈开始被执行。
  

  也就是主线程把之前的任务做完了之后，就会来看“任务队列”中的flag，来把对应的异步任务打包来执行。

• 主线程不断重复以上三步。
  

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

事件和回调函数

事件

“任务队列”是一个事件的队列（也可以理解成是消息的队列），IO设备完成一项任务，就会在“任务队列”中添加一个时间，表示相关的异步任务可以进入“执行栈”。接着主线程读取“任务队列”，查看里面有哪些事件。

“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。

回调函数

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，如果包含“定时器”，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

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

为了更好地理解Event Loop，下面参照Philip Roberts的演讲中的一张图。

上图中，主线程在运行时，产生了heap（堆）和stack（栈），栈中的代码调用各种外部API，并在“任务队列”中加入各种事件（click，load，done）。当栈中的代码执行完毕，主线程就会读取“任务队列”，并依次执行那些事件所对应的回调函数。

执行栈中的代码（同步任务），总是在读取“任务队列”（异步任务）之前执行。

var req = new XMLHttpRequest();
req.open('GET', url);
req.onload = function (){};
req.onerror = function (){};
req.send();

上面的代码中的req.send方法是Ajax操作向服务器发送数据，它是一个异步任务，意味着只有当前脚本的所有代码执行完，系统才会去读取“任务队列”。所以，它与以下的写法是等价的。

var req = new XMLHttpRequest();
req.open('GET', url);
req.send();
req.onload = function (){};
req.onerror = function (){};

也就是说，指定回调函数的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或后面是无关紧要的，因为它们属于执行栈的一部分，系统总是执行完它们才会去读取“任务队列”。

定时器

除了放置异步任务的事件，“任务队列”还可以放置定时事件，即指定某些代码在多少时间之后执行。这叫做定时器（timer）功能，也就是定时执行的代码。

SetTimeout()和setInterval()可以用来注册在指定时间之后单次或重复调用的函数，它们的内部运行机制完全一样，区别在于前者指定的代码是一次性执行，后者会在指定毫秒数的间隔里重复调用:

setInterval(updateClock, 60000); //60秒调用一次updateClock()

因为它们都是客户端JavaScript中重要的全局函数，所以定义为Window对象的方法。

但作为通用函数，其实不会对窗口做什么事情。

Window对象的setTImeout()方法用来实现一个函数在指定的毫秒数之后运行。所以它接受两个参数，第一个是回调函数，第二个是推迟执行的毫秒数。 setTimeout()和setInterval()返回一个值，这个值可以传递给clearTimeout()用于取消这个函数的执行。

console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);}, 1000);
console.log(3);

上面代码的执行结果是1，3，2，因为setTimeout()将第二行推迟到1000毫秒之后执行。

如果将setTimeout()的第二个参数设为0，就表示当前代码执行完（执行栈清空）以后，立即执行（0毫秒间隔）指定的回调函数。

setTimeout(function(){console.log(1);}, 0);
console.log(2)

上面代码的执行结果总是2，1，因为只有在执行完第二行以后，系统才会执行“任务队列”中的回调函数。

总之，setTimeout(fn,o)的含义是，指定某个任务在主线程最早可得的空闲时间执行，也就是尽可能早地执行。它在“任务队列”的尾部添加一个事件，因此要等到同步任务和“任务队列”现有的事件都处理完，才会的到执行。

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。

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。

由于历史原因，setTimeout()和setInterval()的第一个参数可以作为字符串传入。如果这么做，那这个字符串会在指定的超时时间或间隔之后进行求值（相当于执行eval()）。

关于深入理解定时器的工作原理，这里推荐阅读jQuery的作者John Resig的一篇文章： http://ejohn.org/blog/how-javascript-timers-work/

我自己也翻译了这篇文章，如有问题，欢迎指正：http://guoxunique.com/2016/12/07/how-javascript-timers-work/

参考阮一峰老师的博文 http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/10/event-loop.html

参考《JavaScript权威指南》