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JS中EventLoop、宏任务与微任务的个人理解

IP云
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07/26
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为什么要EventLoop？

JS 作为浏览器脚本语言，为了避免复杂的同步问题（例如用户操作事件以及操作DOM），这就决定了被设计成单线程语言，而且也将会一直保持是单线程的。而在单线程中若是遇到了耗时的操作（IO，定时器，网络请求）将会一直等待，CPU利用率将会大打折扣，时间大量浪费。所以需要设计一种方案让一些耗时的操作放在一边等待，让后面的函数先执行，于是有了EventLoop的设计。

将任务分为两种：

  • 同步任务
  • 异步任务
  1. 定时器都是异步操作
  2. 事件绑定都是异步操作
  3. AJAX中一般采取的异步操作（虽然也可以同步）
  4. 回调函数（不严谨的异步）

阮一峰老师《JavaScript 运行机制详解：再谈Event Loop》

（1）所有同步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）。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。

（3）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，于是结束等待状态，进入执行栈，开始执行。

（4）主线程不断重复上面的第三步。

任务都会按顺序进入调用栈（call stack），即图1-1的stack，然后按栈的顺序依次执行。若全是同步任务，就会正常地顺序执行。当遇到异步任务时（其实就是执行到了一个耗时的任务，它发起后，需要它的回调函数等待拿到结果之后才继续进行）将会放到WebAPIs中（图1-1），等待这个耗时操作返回结果，也有网友把这个 WebAPIs 称之为 Event Table。如果异步任务在WebAPIs中等待有了结果（比如setTimeout的时间截止了，xhr得到响应结果了，用户click事件发生了），就会将这个结果作为一个事件置于任务队列中。 【或者称之为：注册回调函数】

那么任务队列又是什么？个人认为就是图中的callback queue，或称之为 Event Queue 。就是存放了各种耗时操作最后响应结果的各个事件（说白了，就是已经拿到结果的，就会从WebAPIs放到任务队列里来）

图 1-1 转自Philip Roberts的演讲《Help, I'm stuck in an event-loop》

搞懂上面两段话后，就可以谈EventLoop的作用了：

  • 在调用栈和任务队列之间进行“轮询”
  • 但轮询的规则是：只有每当调用栈为空，才能去“询问”任务队列中是否有事件需要处理
  • 若任务队列存在事件，则会将该事件相应的回调函数（异步操作）结束等待，置于调用栈中开始执行
  • 如果调用栈一直不为空，那就一直不会“询问”任务队列

以上过程是不断循环的，js引擎中，存在一个叫monitoring process的进程，这个进程会不断的检查主线程的执行情况，一旦为空，就会去任务队列检查有哪些待执行的函数。这里的整个过程可以参考 一个工具 loupe 对整个调用过程进行查看。

图 1-2 loupe, 也是从其他地方发现的这个东西，很直观

针对call stack调用栈多说一句：通俗地讲，将调用栈比喻为程序员，各个任务比喻为需求，任务队列比喻为总监。当总监提需求时，程序员就要交接需求过来，然后完成它。如果没有需求，就一直等待总监给需求。给了就做，不给就等。

搞懂同步任务与异步任务的具体执行流程后，再谈谈为什么要设计宏任务和微任务。

为什么有宏任务、微任务？

页面渲染事件，各种IO的完成事件等随时被添加到任务队列中，一直会保持先进先出的原则执行，我们不能准确地控制这些事件被添加到任务队列中的位置。但是这个时候突然有高优先级的任务需要尽快执行，那么若只有一种类型的任务就不合适了，所以引入了微任务队列。

至此，任务队列已被分为：

  • 宏任务队列，即上文说的任务队列，callback queue，用于存放宏任务
  • 微任务队列，再开辟一个队列，用于存放微任务

图 2-1 微任务Microtask Queue的加入

首先列举一下哪些是宏任务、哪些是微任务

宏任务：

  • script(主代码)
  • setTimeout()
  • setInterval()
  • postMessage
  • I/O
  • UI交互事件
  • setImmediate(Node.js)
  • requestAnimationFrame(浏览器)

微任务：

  • new Promise().then(回调)
  • MutationObserver(html5 新特性)
  • process.nextTick（Node.js）在当前"执行栈"的尾部----下一次Event Loop（主线程读取"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

紧接着第一节里说的EventLoop，当时没有考虑什么宏任务微任务，现在再加入微任务的概念再来考虑整个流程：

  1. 依旧是在调用栈和任务队列中轮询。（此时的任务队列指的是宏任务队列）
  2. 调用栈为空后，优先检查微任务队列，如果微任务队列中存在事件，则加入到调用栈中进行执行（为什么先询问的是微任务队列而不是宏任务队列，在后面解释）
    • 注：如果在执行微任务队列中的函数时，产生了新的微任务（比如then函数嵌套），则会继续在本次执行中执行（就是说如果期间一直有微任务产生，那就会永远卡在微任务队列执行）
  3. 如果微任务队列为空，那就取宏任务队列中的事件加入到调用栈中进行执行
  4. 若在执行宏任务的时候，产生了新的微任务，就会将该微任务加入到微任务队列，该微任务队列将会在下一次宏任务执行之前执行，如图2-2。
  5. 循环。

依旧是：两个任务队列（宏、微）只有有任务，那么主进程的调用栈就会调过去执行，没有任务的话，主进程就一直等着，直到又有任务。

图 2-2 宏任务与微任务的执行顺序

注意的是，图2-2看起来是宏任务先执行，微任务后执行，这仅仅是宏任务与微任务的先后次序，但不代表宏任务优先级比微任务高。事实是微任务的优先级是高于宏任务的。因为微任务其实是产生于宏任务的，不可能凭空产生微任务，也就不可能一开始就出现几个微任务。在本次宏任务产生微任务后，将会在下次宏任务执行之前，优先执行这些微任务。自然也就映证了设计微任务的初衷：为了让某些任务尽快执行。

总结完整的EventLoop流程：

  1. 执行一个宏任务（调用栈中没有就从宏、微任务队列中获取）
  2. 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
  3. 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）
  4. 当前微任务执行完毕，开始检查渲染，然后GUI线程接管渲染
  5. 渲染完毕后，JS线程继续接管，开始下一个宏任务（从事件队列中获取）

微任务在本次宏任务之后执行，在本次渲染之前执行，在下次宏任务之前执行。（宏任务 -> 微任务 -> 渲染 -> 宏任务）

包含宏任务、微任务的异步代码分析：

// 知乎作者：Miku
// 链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/257069622
// 注意：代码中的process.netxTick 函数存在于Node.js中

console.log('1');setTimeout(function() {
console.log('2');
process.nextTick(function() {
console.log('3');
})
new Promise(function(resolve) {
console.log('4');
resolve();
}).then(function() {
console.log('5')；
})；
})；
process.nextTick(function() {
console.log('6');
})；
new Promise(function(resolve) {
console.log('7');
resolve();
}).then(function() {
console.log('8')；
})；setTimeout(function() {
console.log('9');
process.nextTick(function() {
console.log('10');
})；
new Promise(function(resolve) {
console.log('11');
resolve();
}).then(function() {
console.log('12')；
})；
})；

第一轮循环：

1）、首先打印 1
2）、接下来是setTimeout是异步任务且是宏任务，加入宏任务暂且记为 setTimeout1
3）、接下来是 process 微任务 加入微任务队列 记为 process1
4）、接下来是 new Promise 里面直接 resolve(7) 所以打印 7 后面的then是微任务 记为 then1
5）、setTimeout 宏任务 记为 setTimeout2第一轮循环打印出的是 1 7
当前宏任务队列：setTimeout1, setTimeout2
当前微任务队列：process1, then1,

第二轮循环：

1）、执行所有微任务
2）、执行process1，打印出 6
3）、执行then1 打印出8
4）、微任务都执行结束了，开始执行第一个宏任务
5）、执行 setTimeout1 也就是 第 3 - 14 行
6）、首先打印出 2
7）、遇到 process 微任务 记为 process2
8）、new Promise中resolve 打印出 4
9）、then 微任务 记为 then2第二轮循环结束，当前打印出来的是 1 7 6 8 2 4
当前宏任务队列：setTimeout2
当前微任务队列：process2, then2

第三轮循环：

1）、执行所有的微任务
2）、执行 process2 打印出 3
3）、执行 then2 打印出 5
4）、执行第一个宏任务，也就是执行 setTimeout2 对应代码中的 25 - 36 行
5）、首先打印出 9
6）、process 微任务 记为 process3
7）、new Promise执行resolve 打印出 11
8）、then 微任务 记为 then3第三轮循环结束，当前打印顺序为：1 7 6 8 2 4 3 5 9 11
当前宏任务队列为空
当前微任务队列：process3，then3

第四轮循环：

1）、执行所有的微任务
2）、执行process3 打印出 10
3）、执行then3 打印出 12代码执行结束：
最终打印顺序为：1 7 6 8 2 4 3 5 9 11 10 12

参考

  • 宏任务与微任务 https://zhuanlan.zhihu.com/p/92460508
  • js中的宏任务与微任务 https://zhuanlan.zhihu.com/p/78113300
  • 对微任务和宏任务的执行顺序的个人理解 https://zhuanlan.zhihu.com/p/257069622
  • loupe http://latentflip.com/loupe/
  • JavaScript 运行机制详解：再谈Event Loop http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/10/event-loop.html
  • 译文：JS事件循环机制（event loop）之宏任务、微任务 https://segmentfault.com/a/1190000014940904
  • JavaScript中的Event Loop（事件循环）机制 https://segmentfault.com/a/1190000022805523