NodeJS 中的事件循环，读了这篇就全懂了

  • 2021 年 8 月 16 日
  • 筆記

事件循环是 NodeJS 处理非阻塞 I/O 操作的和核心机制。NodeJS 的事件循环脱胎于 libuv 的事件循环，因此，要搞清楚 NodeJS 的事件循环，还需要先了解 libuv 的事件循环是如何工作的。

libuv 的事件循环

我们先来了解两个基本概念：句柄（handle）和请求（request）.

  • 句柄是指在整个事件循环活跃时间内能够执行某些操作的长期对象。比如一个 TCP 服务句柄，每当有新的联接建立时，这个句柄的 connected 回调就会被调用。
  • 请求是通常指短期操作。比如向某个句柄中写入数据的操作。

了解了这两个概念以后，我们来看看 libuv 的事件循环是如何工作的。

下面这张图可以清楚的展示事件循环的执行过程：

libuv 的事件循环

结合这张图我们简单描述一下一次循环过程中各个步骤做了什么。

  1. 首先更新循环内的当前时间（now），避免在循环过程中多次发生与时间相关的系统调用。
  2. 检查当前事件循环是否还是活跃（active）的。检查的表示是当前事件循环是否还有活跃的句柄、活跃的请求操作，或者还有“关闭”回调的话，就视为是活跃的。如果判断当前循环不是活跃的，则直接退出。
  3. 执行所有的到期回调。即所有的到期时间在循环当前时间之前的回调都会被执行。
  4. 执行所有的挂起回调（pending callbacks）。所谓挂起回调，就是在上一个循环周期中设置的到下一循环周期在执行的回调。
  5. 执行空闲句柄回调（idle handle callbacks）。虽然名字中包含空闲二字，实际上每个循环周期都会执行。
  6. 执行准备句柄回调（prepare handle callbacks）。
  7. 在这一步会暂停循环，轮询等待 I/O 事件一段时间。这个时间长度是根据一个算法算出，这里不做详细说明。在轮询期间，所有 I/O 相关的回调会被执行（前提是系统通知到 libuv）。
  8. 执行检查句柄回调（check handle callbacks）。检查句柄回调往往与准备句柄回调相对应。这两个回调可以方便我们在 I/O 之前做一些准备工作，然后在 I/O 之后做相应的检查。
  9. 执行关闭回调（close callbacks）。比如通过 uv_close() 设置的回调。

整个事件循环就是 1 – 9 的循环执行。

值得说明的是，libuv 会在轮询阶段中断事件循环，等待系统通知。比如某个文件 I/O 已经完成，或者接收到一个网络连接等。在接收到系统通知后，事件循环会调用相关的回调执行操作。

不同的平台（windows\linux 等），异步 I/O 的机制不同，libuv 底层会根据不同平台，采用不同的 I/O 轮询机制，比如 epoll（linux）、kqueue（OSX）、IOCP（windows）等，上层不需要关注异步 I/O 的实现机制。

NodeJS 的事件循环

现在我们来看 NodeJS 的事件循环。同样，我们放一张 NodeJS 事件循环的过程图。

NodeJS 的事件循环

在 NodeJS 中，事件循环的每一步成为一个阶段，每个阶段都有一个 FIFO 队列来执行回调。通常情况下，当事件循环进入给定的阶段时，它将执行特定于该阶段的任何操作，然后执行该阶段队列中的回调，直到队列清空或达到最大回调数限制。当队列清空或者达到最大限制，事件循环进入下一阶段。

对比两个事件循环的图，我们可以看到，具体过程基本相同。因此，NodeJS 的事件循环过程我们简述如下：

  1. 定时器阶段，执行已经被 setTimeout() 和 setInterval() 调度的回调函数。
  2. 挂起的回调，执行（在上一个循环中被设置）延迟到下一个循环迭代的 I/O 回调。
  3. idle, prepare 阶段，仅 NodeJS 系统内部使用。
  4. 轮询阶段，检索新的 I/O 事件，执行与 I/O 相关的回调。与 libuv 一样，NodeJS 还在这个阶段暂停循环一段时间。
  5. 检测阶段，执行被 setImmediate() 调度的回调函数。
  6. 关闭的回调函数，执行一些关闭的回调函数，如：socket.on('close', ...)。

我们对轮询阶段做个详细说明。

轮询阶段有两个重要的功能：

  • 计算应该阻塞和轮询 I/O 的时间。
  • 处理轮询队列里的事件。

一旦事件循环进入轮询阶段并且没有到期的定时器回调时，事件循环将做如下判断：

  • 如果轮询队列不是空的，那么事件循环将循环访问回调队列并同步执行它们，直到清空队列，或者达到了最大限制。
  • 如果轮询队列是空的，则再做如下判断：
    • 如果有代码是被 setImmediate() 调度的，那么事件循环将结束轮询阶段，并到检查阶段以执行那些被调度的代码。
    • 如果没有代码被 setImmediate() 调度，那么事件循环将等待回调被添加到队列中，然后立即执行。

在轮询阶段的执行过程中，一旦轮询队列为空，事件循环将检查是否有到期的定制器。如果一个或多个定时器已准备就绪，则事件循环将绕回定时器阶段以执行这些定时器的回调。

这里要特别对 setImmediate() 进行一些说明。

在 libuv 的事件循环中，允许开发人员在轮询阶段之前做些准备操作，然后在轮询阶段之后立即对这些操作进行检查。NodeJS 中 setImmediate() 实际上是一个在事件循环的单独阶段运行的特殊定时器。它使用一个 libuv API 来安排回调在轮询阶段完成后执行。

setImmediate、setTimeout 和 process.nextTick

  • setImmediate() 被设计为一旦在当前轮询阶段完成，就执行代码。
  • setTimeout() 是在最小阈值（ms 单位）过后执行代码。
  • process.nextTick() 严格意义上讲并不属于事件循环的一部分。它不管事件循环的当前阶段如何，它都将在当前操作完成后处理 nextTickQueue 中排队的代码。

setImmediate() 和 setTimeout() 很类似，但是基于被调用的时机，他们也有不同表现。

我们看下面这段代码：

setTimeout(() => {
  console.log('timeout');
}, 0);

setImmediate(() => {
  console.log('immediate');
});

这两个函数调用都在主模块中被调用，则他们的回调执行顺序是不定的，受进程的性能影响很大(进程会受到系统中运行其他应用程序影响)。

但是一旦将这两个函数放到 I/O 轮询调用内，那么 setImmediate() 一定会在 setTimeout() 之前被执行，不管有多个定制器已经到期。比如下面这段代码，总是会先输出 “immediate”。

const fs = require('fs');

fs.readFile(__filename, () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('timeout');
  }, 0);
  setImmediate(() => {
    console.log('immediate');
  });
});

process.nextTick() 和 setImmediate() 严格意义上来说，应该将名称互换。因为 process.nextTick() 比 setImmediate() 触发得更快。

任何时候在给定的阶段中调用 process.nextTick()，所有传递到 process.nextTick() 的回调将在事件循环继续之前解析。之所以这么设计，是考虑到这些使用场景：

  • 允许开发者处理错误，清理任何不需要的资源，或者在事件循环继续之前重试请求。
  • 有时有让回调在栈展开后，但在事件循环继续之前运行的必要。

比如下面这段代码：

const server = net.createServer(() => {}).listen(8080);

server.on('listening', () => {});

只有传递端口时，端口才会立即被绑定，然后立即调用 'listening' 回调。问题是 .on('listening') 的回调在那个时间点尚未被设置。

为了绕过这个问题，'listening' 事件被排在 nextTick() 中，以允许脚本运行完成。这让用户设置所想设置的任何事件处理器。

Promise

这里在补充说明一下 NodeJS 中 Promise 是如何处理的。我们之前说过，在浏览器的事件循环里，会有一个微任务的队列来防止所有的微任务，并且在每个操作之后，都尝试清空微任务队列。

在 NodeJS 中，做法类似，NodeJS 的事件循环中也有一个微任务队列，工作机制与 process.nextTick() 类似，在每个操作之后，事件循环都会尝试清空微任务队列。

总结

我们结合 libuv 的事件循环，详细说明了 NodeJS 事件循环的每一阶段的具体职能。同时，我们还分析了常用的几个异步代码函数的原理。

我们用一张图归纳如下：

事件循环

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