简述JavaScript的运行机制

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）

一、JavaScript是单线程的？

JavaScript语言的一大特点就是单线程，所谓单线程，是指在JS引擎中负责解释和执行JavaScript代码的线程只有一个。也就是说，同一个时间只能做一件事，不妨叫它主线程。但是实际上还存在其他的线程。例如：处理AJAX请求的线程、处理DOM事件的线程、定时器线程、读写文件的线程(例如在Node.js中)等等。这些线程可能存在于JS引擎之内，也可能存在于JS引擎之外。不妨叫它们工作线程。

那么，为什么JavaScript不能有多个线程呢？这样能提高效率啊。

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。

为了利用多核CPU的计算能力，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、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。

如果排队是因为计算量大，CPU忙不过来，倒也算了，但是很多时候CPU是闲着的，因为IO设备（输入输出设备）很慢（比如Ajax操作从网络读取数据），不得不等着结果出来，再往下执行。

JavaScript语言的设计者意识到，这时CPU完全可以不管IO设备，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到IO设备返回了结果，再回过头，把挂起的任务继续执行下去。

于是，JavaScript就有了两种执行方式：

一种是CPU按顺序执行，前一个任务结束，再执行下一个任务，这叫做同步执行。也可以这么说：如果在函数A返回的时候，调用者就能够得到预期结果(即拿到了预期的返回值或者看到了预期的效果)，那么这个函数就是同步的。

另一种是CPU跳过等待时间长的任务，先处理后面的任务，这叫做异步执行。也可以说：如果在函数A返回的时候，调用者还不能够得到预期结果，而是需要在将来通过一定的手段得到，那么这个函数就是异步的。程序员自主选择，采用哪种执行方式。

下面以AJAX请求为例，来看一下同步和异步的区别：

- 异步AJAX：
主线程：“你好，AJAX线程。请你帮我发个HTTP请求吧，我把请求地址和参数都给你了。”
AJAX线程：“好的，主线程。我马上去发，但可能要花点儿时间呢，你可以先去忙别的。”
主线程：：“谢谢，你拿到响应后告诉我一声啊。”
(接着，主线程做其他事情去了。一顿饭的时间后，它收到了响应到达的通知。)
- 同步AJAX：
主线程：“你好，AJAX线程。请你帮我发个HTTP请求吧，我把请求地址和参数都给你了。”
AJAX线程：“......”
主线程：：“喂，AJAX线程，你怎么不说话？”
AJAX线程：“......”
主线程：：“喂！喂喂喂！”
AJAX线程：“......”
(一炷香的时间后)
主线程：：“喂！求你说句话吧！”
AJAX线程：“主线程，不好意思，我在工作的时候不能说话。你的请求已经发完了，拿到响应数据了，给你。”

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）所有任务都在主线程上执行，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）。系统把异步任务放到"任务队列"之中，然后继续执行后续的任务。
（3）一旦"执行栈"中的所有任务执行完毕，系统就会读取"任务队列"。如果这个时候，异步任务已经结束了等待状态，就会从"任务队列"进入执行栈，恢复执行。
（4）主线程不断重复上面的第三步。

从上文可以看出，异步函数实际上很快就调用完成了。但是后面还有工作线程执行异步任务、通知主线程、主线程调用回调函数等很多步骤。我们把整个过程叫做异步过程。异步函数的调用在整个异步过程中，只是一小部分。

总结一下，一个异步过程通常是这样的：

主线程发起一个异步请求，相应的工作线程接收请求并告知主线程已收到(异步函数返回)；主线程可以继续执行后面的代码，同时工作线程执行异步任务；工作线程完成工作后，通知主线程；主线程收到通知后，执行一定的动作(调用回调函数)。

异步函数通常具有以下的形式：

A(args..., callbackFn)

它可以叫做异步过程的发起函数，或者叫做异步任务注册函数。args是这个函数需要的参数。callbackFn也是这个函数的参数，但是它比较特殊所以单独列出来。

所以，从主线程的角度看，一个异步过程包括下面两个要素：
　　- 发起函数(或叫注册函数)A
　　- 回调函数callbackFn

它们都是在主线程上调用的，其中注册函数用来发起异步过程，回调函数用来处理结果。
举个具体的例子：

setTimeout(fn, );

其中的setTimeout就是异步过程的发起函数，fn是回调函数。

注意：前面说的形式A(args..., callbackFn)只是一种抽象的表示，并不代表回调函数一定要作为发起函数的参数，例如：

var xhr = new XMLHttpRequest();
// 添加回调函数xhr.open('GET', url);

xhr.onreadystatechange = xxx;
// 发起函数xhr.send(); 

发起函数和回调函数就是分离的。

下图就是主线程和任务队列的示意图：

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。

三、事件和回调函数

"任务队列"实质上是一个事件的队列（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，当异步任务从"任务队列"回到执行栈，回调函数就会执行。

"任务队列"是一个先进先出的数据结构，排在前面的事件，优先返回主线程。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返回主线程。但是，由于存在后文提到的"定时器"功能，主线程要检查一下执行时间，某些事件必须要在规定的时间返回主线程。

四、Event Loop

异步过程中，工作线程在异步操作完成后需要通知主线程。那么这个通知机制是怎样实现的呢？答案是利用任务队列和事件循环。

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

为了更好地理解Event Loop，请看下图：

上图中，主线程运行的时候，产生堆（heap）和栈（stack），栈中的代码调用各种外部API，它们在"任务队列"中加入各种事件（click，load，done）。只要栈中的代码执行完毕，主线程就会去读取"任务队列"，依次执行那些事件所对应的回调函数。

那么，任务队列中放的具体是什么东西？但是为了简单起见，我们可以认为：任务就是注册异步任务时添加的回调函数。

再次以异步AJAX为例，假设存在如下的代码：

$.ajax('http://segmentfault.com', function(resp) {
    console.log('我是响应：', resp);
});// 其他代码...
...
...

主线程在发起AJAX请求后，会继续执行其他代码。AJAX线程负责请求segmentfault.com，拿到响应后，它会把响应封装成一个JavaScript对象，然后构造一条任务：

// 任务队列中的消息就长这个样子
var message = function () {
    callbackFn(response);
}

其中的callbackFn就是前面代码中得到成功响应时的回调函数。

主线程在执行完当前循环中的所有代码后，就会到任务队列取出这条消息(也就是message函数)，并执行它。到此为止，就完成了工作线程对主线程的通知，回调函数也就得到了执行。如果一开始主线程就没有提供回调函数，AJAX线程在收到HTTP响应后，也就没必要通知主线程，从而也没必要往任务队列放消息。

五、定时器

除了放置异步任务，"任务队列"还有一个作用，就是可以放置定时事件，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。

定时器功能主要由setTimeout()和setInterval()这两个函数来完成，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，后者则为反复执行。以下主要讨论setTimeout()。

setTimeout()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。

console.log();
setTimeout(function(){console.log();},);
console.log();

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();}, );
console.log();

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，系统才会去执行"任务队列"中的回调函数。
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()。

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。

拓展：Node.js的Event Loop

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

根据上图，Node.js的运行机制如下。

（1）V8引擎解析JavaScript脚本。
（2）解析后的代码，调用Node API。
（3）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。
（4）V8引擎再将结果返回给用户。

除了setTimeout和setInterval这两个方法，Node.js还提供了另外两个与"任务队列"有关的方法：process.nextTick和setImmediate。它们可以帮助我们加深对"任务队列"的理解。

process.nextTick方法可以在当前"执行栈"的尾部----主线程下一次读取"任务队列"之前----触发回调函数。也就是说，它指定的任务总是发生在所有异步任务之前。setImmediate方法则是在当前"任务队列"的尾部触发回调函数，也就是说，它指定的任务总是在主线程下一次读取"任务队列"时执行，这与setTimeout(fn, 0)很像。

参考:

JavaScript 运行机制详解：再谈Event Loop

JavaScript：彻底理解同步、异步和事件循环