JS中的单线程与多线程、事件循环与消息队列、宏任务与微任务

我们在接触到JavaScript语言的时候就经常听到别人介绍JavaScript 是单线程、异步、非阻塞、解释型脚本语言。

　　确切的说，对于开发者的开发过程来说，js确实只有一个线程（由JS引擎维护），这个线程用来负责解释和执行JavaScript代码，我们可以称其为主线程。

　　代码在主线程上是按照从上到下顺序执行的。但是我们平时的任务处理可能并不会直接获取到结果，这种情况下如果仍然使用同步方法，例如发起一个ajax请求，大概500ms后受到响应，在这个过程中，后面的任务就会被阻塞，浏览器页面就会阻塞所有用户交互，呈“卡死”状态。这种同步的方式对于用户操作非常不友好，所以大部分耗时的任务在JS中都会通过异步的方式实现。

　　虽然js引擎只维护一个主线程用来解释执行JS代码，但实际上浏览器环境中还存在其他的线程，例如处理AJAX，DOM，定时器等，我们可以称他们为工作线程。同时浏览器中还维护了一个消息队列，主线程会将执行过程中遇到的异步请求发送给这个消息队列，等到主线程空闲时再来执行消息队列中的任务。

　　同步任务的缺点是阻塞，异步任务的缺点是会使代码执行顺序难以判断。两者比较一下我们还是更倾向于后者。到目前为止，我们已经涉及到了几个名词，单线程、多线程、主线程，js引擎，事件循环，消息队列等。

1、单线程与多线程

　　单线程语言：JavaScript 的设计就是为了处理浏览器网页的交互（DOM操作的处理、UI动画等），决定了它是一门单线程语言。如果有多个线程，它们同时在操作 DOM，那网页将会一团糟。复制代码

console.log('script start')

console.log('do something...')

setTimeout(() => {
  console.log('timer over')
}, 1000)

// 点击页面
console.log('click page')

console.log('script end')

// script start
// do something...
// click page
// script end
// timer over

　　timer over 在 script end 后再打印，也就是说计时器并没有阻塞后面的代码。那，发生了什么？其实，JavaScript 单线程指的是浏览器中负责解释和执行 JavaScript 代码的只有一个线程，即为 JS引擎线程，但是浏览器的渲染进程是提供多个线程的，如下：

  • JS引擎线程
  • 事件触发线程
  • 定时触发器线程
  • 异步http请求线程
  • GUI渲染线程
    浏览器渲染进程参考此处

　　当遇到计时器、DOM事件监听或者是网络请求的任务时，JS引擎会将它们直接交给 webapi，也就是浏览器提供的相应线程（如定时器线程为setTimeout计时、异步http请求线程处理网络请求）去处理，而JS引擎线程继续后面的其他任务，这样便实现了 异步非阻塞。定时器触发线程也只是为 setTimeout(..., 1000) 定时而已，时间一到，还会把它对应的回调函数(callback)交给 消息队列 去维护，JS引擎线程会在适当的时候去消息队列取出消息并执行。这里，JavaScript 通过 事件循环 event loop 的机制来解决这个问题

2、js引擎

　　我们所熟悉的引擎是chrome浏览器中和node.js中使用的V8引擎。

　　这个引擎主要由两个部分组成，Memory Heap 和 Call Stack，即内存堆和调用栈。（只负责取消息，不负责生产消息）

　　内存堆：进行内存分配。如变量赋值。

　　调用栈：这是代码在栈帧中执行的地方。调用栈中顺序执行主线程的代码，当调用栈中为空时，js引擎会去消息队列取消息，取到后就执行。

　　JavaScript是单线程的编程语言，意味着它有一个单一的调用栈。因此它只能在同一时间做一件事情。调用栈是一种数据结构，它基本上记录了我们在程序中的什么位置。如果我们步入一个函数中，我们会把这些数据放在堆栈的顶部。如果我们从一个函数中返回，这些数据将会从栈顶弹出。这就是堆栈的用途。调用栈中的每个条目叫做栈帧。当我们在chrome调试窗口中看到抛出的错误时，就能够看到大致的调用顺序。

3、js运行时

　　我们经常使用的一些API，并不是js引擎中提供的，例如setTimeout。它们其实是在浏览器中提供的，也就是运行时提供的，因此，实际上除了JavaScript引擎以外，还有其他的组件。其中有个组件就是由浏览器提供的，叫Web APIs，像DOM，AJAX，setTimeout等等。

　　然后还有就是非常受欢迎的事件循环和回调队列，运行时负责给引擎线程发送消息，只负责生产消息，不负责取消息。

4、消息队列和事件循环

　　主线程在执行过程中遇到了异步任务，就发起函数或者称为注册函数，通过event loop线程通知相应的工作线程（如ajax，dom，setTimout等），同时主线程继续向后执行，不会等待。等到工作线程完成了任务，eventloop线程会将消息添加到消息队列中，如果此时主线程上调用栈为空就执行消息队列中排在最前面的消息，依次执行。新的消息进入队列的时候，会自动排在队列的尾端。

　　单线程意味着js任务需要排队，如果前一个任务出现大量的耗时操作，后面的任务得不到执行，任务的积累会导致页面的“假死”。这也是js编程一直在强调需要回避的“坑”。

　　主线程会循环上述步骤，事件循环就是主线程重复从消息队列中取消息、执行的过程。

　　需要注意的是 GUI渲染线程与JS引擎是互斥的，当JS引擎执行时GUI线程会被挂起，GUI更新会被保存在一个队列中等到JS引擎空闲时立即被执行。

　　因此页面渲染都是在js引擎主线程调用栈为空时进行的。

　　其实 事件循环 机制和 消息队列 的维护是由事件触发线程控制的。事件触发线程 同样是浏览器渲染引擎提供的，它会维护一个 消息队列。

　　JS引擎线程遇到异步（DOM事件监听、网络请求、setTimeout计时器等...），会交给相应的线程单独去维护异步任务，等待某个时机（计时器结束、网络请求成功、用户点击DOM），然后由 事件触发线程 将异步对应的 回调函数 加入到消息队列中，消息队列中的回调函数等待被执行。

　　同时，JS引擎线程会维护一个 执行栈，同步代码会依次加入执行栈然后执行，结束会退出执行栈。如果执行栈里的任务执行完成，即执行栈为空的时候（即JS引擎线程空闲），事件触发线程才会从消息队列取出一个任务（即异步的回调函数）放入执行栈中执行。

5、执行顺序

　　了解了事件循环和消息队列之后，接下来就是弄清楚当同步任务和异步任务都存在时，代码执行的顺序究竟是怎么样的。

console.log("a");
setTimeout(function(){
  console.log("b")},0
);
console.log("c");

　　大部分人都知道执行顺序是a,c,b。setTimeout在主线程执行时被添加到了消息队列中，等待主线程调用栈为空时，再从消息队列中取出执行。因此setTimeout中的延时时间并非确切的执行时间，实际上应该理解为添加到消息队列中的延迟时间。以上述代码为例，如果console.log("c")处是一个计算量很大的任务，或者消息队列中已经存在了若干个等待处理的消息。setTimeout都将延迟都将大于设置的延迟时间。

6、ES6 Promise

　　以上的内容在ES6之前就基本覆盖了执行顺序的问题，但是在ES6引入了promise后，产生了一个新的名词”微任务（microtask）“。微任务的执行顺序与之前我们所说的任务（我们可以称之为”宏任务“）是不同的。

console.log('script start')

setTimeout(function() {
    console.log('timer over')
}, 0)

Promise.resolve().then(function() {
    console.log('promise1')
}).then(function() {
    console.log('promise2')
})

console.log('script end')
　　输出的结果是：script start - script end - promise1 - promise2 - timer over，你答对了吗？我猜这里让你困惑的一定是为什么promise1和promise2在timer over之前输出了。下面我们来解释一下微任务这个概念。
  • 一个线程中，事件循环是唯一的，但是任务队列可以拥有多个。
  • 任务队列又分为macro-task（宏任务）与micro-task（微任务），在最新标准中，它们被分别称为task与jobs。
  • macro-task大概包括：script(整体代码), setTimeout, setInterval, setImmediate, I/O, UI rendering。
  • micro-task大概包括: process.nextTick, Promise, Object.observe(已废弃), MutationObserver(H5新特性)
  • setTimeout/Promise等我们称之为任务源。而进入任务队列的是他们指定的具体执行任务。
  • 来自不同任务源的任务会进入到不同的任务队列。其中setTimeout与setInterval是同源的。
  • 事件循环的顺序，决定了JavaScript代码的执行顺序。它从script(整体代码)开始第一次循环。之后全局上下文进入函数调用栈。直到调用栈清空(只剩全局)，然后执行所有的micro-task。当所有可执行的micro-task执行完毕之后。循环再次从macro-task开始，找到其中一个任务队列执行完毕，然后再执行所有的micro-task，这样一直循环下去。
  • 其中每一个任务的执行，无论是macro-task还是micro-task，都是借助函数调用栈来完成。
setTimeout(function() {
    console.log('timeout1');
})
 
new Promise(function(resolve) {
    console.log('promise1');
    for(var i = 0; i < 1000; i++) {
        i == 99 && resolve();
    }
    console.log('promise2');
}).then(function() {
    console.log('then1');
})
 
console.log('global1');

　　执行结果为：promise1 - promise2 - global1 - then1 - timeout1，分析一下代码，首先程序开始执行，遇到setTimeout时将它添加到消息队列，等待后续处理，遇到Promise时会创建微任务（.then()里面的回调），注意此时new promise构造函数中的代码还是同步执行的，只有.then中的回调会被添加到微任务队列。因此会连续输出promise1和promise2。继续执行到console.log('global1')输出global1，到此调用栈中已经为空。

　　此时微任务队列里有一个任务.then，宏任务队列里也有一个任务setTimout。

　　microtask必然是在某个宏任务执行的时候创建的，而在下一个宏任务开始之前，浏览器会对页面重新渲染(task >> 渲染 >> 下一个task(从任务队列中取一个))。同时，在上一个宏任务执行完成后，渲染页面之前，会执行当前微任务队列中的所有微任务。也就是说，在某一个宏任务执行完后，在重新渲染与开始下一个宏任务之前，就会将在它执行期间产生的所有微任务都执行完毕（在渲染前）。因此会执行.then输出then1，然后进行下一轮事件循环，取出任务队列中的setTimeout输出timeout1。

　　总结一下执行机制：

　　执行一个宏任务（栈中没有就从事件队列中获取）

　　执行过程中如果遇到微任务，就将它添加到微任务的任务队列中

　　宏任务执行完毕后，立即执行当前微任务队列中的所有微任务（依次执行）

　　当前宏任务执行完毕，开始检查渲染，然后GUI线程接管渲染

　　渲染完毕后，JS引擎线程继续，开始下一个宏任务（从宏任务队列中获取）

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