《一文看懂瀏覽器事件循環》

  • 2019 年 12 月 16 日
  • 筆記

實際上瀏覽器的事件循環標準是由 HTML 標準規定的，具體來說就是由whatwg規定的，具體內容可以參考event-loops in browser。而NodeJS中事件循環其實也略有不同，具體可以參考event-loops in nodejs

我們在講解事件模型的時候，多次提到了事件循環。事件指的是其所處理的對象就是事件本身，每一個瀏覽器都至少有一個事件循環，一個事件循環至少有一個任務隊列。循環指的是其永遠處於一個「無限循環」中。不斷將註冊的回調函數推入到執行棧。

那麼事件循環究竟是用來做什麼的？瀏覽器的事件循環和NodeJS的事件循環有什麼不同？讓我們從零開始，一步一步探究背後的原因。

為什麼要有事件循環

JS引擎

要回答這個問題，我們先來看一個簡單的例子：

function c() {}  function b() {  	c();  }  function a() {  	b();  }  a();

以上一段簡單的JS程式碼，究竟是怎麼被瀏覽器執行的？

首先，瀏覽器想要執行JS腳本，需要一個「東西」，將JS腳本（本質上是一個純文本），變成一段機器可以理解並執行的電腦指令。這個「東西」就是JS引擎，它實際上會將JS腳本進行編譯和執行，整個過程非常複雜，這裡不再過多介紹，感興趣可以期待下我的V8章節，如無特殊說明，以下都拿V8來舉例子。

有兩個非常核心的構成，執行棧和堆。執行棧中存放正在執行的程式碼，堆中存放變數的值，通常是不規則的。

當V8執行到a()這一行程式碼的時候，a會被壓入棧頂。

在a的內部，我們碰到了b()，這個時候b被壓入棧頂。

在b的內部，我們又碰到了c()，這個時候c被壓入棧頂。

c執行完畢之後，會從棧頂移除。

函數返回到b，b也執行完了，b也從棧頂移除。

同樣a也會被移除。

整個過程用動畫來表示就是這樣的：

這個時候我們還沒有涉及到堆記憶體和執行上下文棧，一切還比較簡單，這些內容我們放到後面來講。

DOM 和 WEB API

現在我們有了可以執行JS的引擎，但是我們的目標是構建用戶介面，而傳統的前端用戶介面是基於DOM構建的，因此我們需要引入DOM。DOM是文檔對象模型，其提供了一系列JS可以直接調用的介面，理論上其可以提供其他語言的介面，而不僅僅是JS。而且除了DOM介面可以給JS調用，瀏覽器還提供了一些WEB API。DOM也好，WEB API也好，本質上和JS沒有什麼關係，完全不一回事。JS對應的ECMA規範，V8用來實現ECMA規範，其他的它不管。這也是JS引擎和JS執行環境的區別，V8是JS引擎，用來執行JS程式碼，瀏覽器和Node是JS執行環境，其提供一些JS可以調用的API即JS bindings。

由於瀏覽器的存在，現在JS可以操作DOM和WEB API了，看起來是可以構建用戶介面啦。有一點需要提前講清楚，V8隻有棧和堆，其他諸如事件循環，DOM，WEB API它一概不知。原因前面其實已經講過了，因為V8隻負責JS程式碼的編譯執行，你給V8一段JS程式碼，它就從頭到尾一口氣執行下去，中間不會停止。

另外這裡我還要繼續提一下，JS執行棧和渲染執行緒是相互阻塞的。為什麼呢？本質上因為JS太靈活了，它可以去獲取DOM中的諸如坐標等資訊。如果兩者同時執行，就有可能發生衝突，比如我先獲取了某一個DOM節點的x坐標，下一時刻坐標變了。JS又用這個「舊的」坐標進行計算然後賦值給DOM，衝突便發生了。解決衝突的方式有兩種：

  1. 限制JS的能力，你只能在某些時候使用某些API。這種做法極其複雜，還會帶來很多使用不便。
  2. JS和渲染執行緒不同時執行就好了，一種方法就是現在廣泛採用的相互阻塞。實際上這也是目前瀏覽器廣泛採用的方式。

單執行緒 or 多執行緒 or 非同步

前面提到了你給V8一段JS程式碼，它就從頭到尾一口氣執行下去，中間不會停止。為什麼不停止，可以設計成可停止么，就好像C語言一樣？

假設我們需要獲取用戶資訊，獲取用戶的文章，獲取用的朋友。

單執行緒無非同步

由於是單執行緒無非同步，因此我們三個介面需要採用同步方式。

fetchUserInfoSync().then(doSomethingA); // 1s  fetchMyArcticlesSync().then(doSomethingB);// 3s  fetchMyFriendsSync().then(doSomethingC);// 2s

由於上面三個請求都是同步執行的，因此上面的程式碼會先執行fetchUserInfoSync，一秒之後執行fetchMyArcticlesSync，再過三秒執行fetchMyFriendsSync。最可怕的是我們剛才說了JS執行棧和渲染執行緒是相互阻塞的。因此用戶就在這期間根本無法操作，介面無法響應，這顯然是無法接受的。

多執行緒無非同步

由於是多執行緒無非同步，雖然我們三個介面仍然需要採用同步方式，但是我們可以將程式碼分別在多個執行緒執行，比如我們將這段程式碼放在三個執行緒中執行。

執行緒一：

fetchUserInfoSync().then(doSomethingA); // 1s

執行緒二：

fetchMyArcticlesSync().then(doSomethingB); // 3s

執行緒三：

fetchMyFriendsSync().then(doSomethingC); // 2s

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由於三塊程式碼同時執行，因此總的時間最理想的情況下取決與最慢的時間，也就是3s，這一點和使用非同步的方式是一樣的（當然前提是請求之間無依賴）。為什麼要說最理想呢？由於三個執行緒都可以對DOM和堆記憶體進行訪問，因此很有可能會衝突，衝突的原因和我上面提到的JS執行緒和渲染執行緒的衝突的原因沒有什麼本質不同。因此最理想情況沒有任何衝突的話是3s，但是如果有衝突，我們就需要藉助於諸如鎖來解決，這樣時間就有可能高於3s了。相應地編程模型也會更複雜，處理過鎖的程式設計師應該會感同身受。

單執行緒 + 非同步

如果還是使用單執行緒，改成非同步是不是會好點？問題的是關鍵是如何實現非同步呢？這就是我們要講的主題 – 事件循環。

事件循環究竟是怎麼實現非同步的？

我們知道瀏覽器中JS執行緒只有一個，如果沒有事件循環，就會造成一個問題。即如果JS發起了一個非同步IO請求，在等待結果返回的這個時間段，後面的程式碼都會被阻塞。我們知道JS主執行緒和渲染進程是相互阻塞的，因此這就會造成瀏覽器假死。如何解決這個問題？一個有效的辦法就是我們這節要講的事件循環。

其實事件循環就是用來做調度的，瀏覽器和NodeJS中的事件循壞就好像作業系統的調度器一樣。作業系統的調度器決定何時將什麼資源分配給誰。對於有執行緒模型的電腦，那麼作業系統執行程式碼的最小單位就是執行緒，資源分配的最小單位就是進程，程式碼執行的過程由作業系統進行調度，整個調度過程非常複雜。 我們知道現在很多電腦都是多核的，為了讓多個core同時發揮作用，即沒有一個core是特別閑置的，也沒有一個core是特別累的。作業系統的調度器會進行某一種神秘演算法，從而保證每一個core都可以分配到任務。這也就是我們使用NodeJS做集群的時候，Worker節點數量通常設置為core的數量的原因，調度器會盡量將每一個Worker平均分配到每一個core，當然這個過程並不是確定的，即不一定調度器是這麼分配的，但是很多時候都會這樣。

了解了作業系統調度器的原理，我們不妨繼續回頭看一下事件循環。事件循環本質上也是做調度的，只不過調度的對象變成了JS的執行。事件循環決定了V8什麼時候執行什麼程式碼。V8隻是負責JS程式碼的解析和執行，其他它一概不知。瀏覽器或者NodeJS中觸發事件之後，到事件的監聽函數被V8執行這個時間段的所有工作都是事件循環在起作用。

我們來小結一下：

  1. 對於V8來說，它有：
  • 調用棧（call stack）

這裡的單執行緒指的是只有一個call stack。只有一個call stack 意味著同一時間只能執行一段程式碼。

  • 堆（heap）
  1. 對於瀏覽器運行環境來說：
  • WEB API
  • DOM API
  • 任務隊列

事件來觸發事件循環進行流動

以如下程式碼為例：

function c() {}  function b() {  	c();  }  function a() {  	setTimeout(b, 2000)  }  a();

執行過程是這樣的：

因此事件循環之所以可以實現非同步，是因為碰到非同步執行的程式碼「比如fetch，setTimeout」，瀏覽器會將用戶註冊的回調函數存起來，然後繼續執行後面的程式碼。等到未來某一個時刻，「非同步任務」完成了，會觸發一個事件，瀏覽器會將「任務的詳細資訊」作為參數傳遞給之前用戶綁定的回調函數。具體來說，就是將用戶綁定的回調函數推入瀏覽器的執行棧。

但並不是說隨便推入的，只有瀏覽器將當然要執行的JS腳本「一口氣」執行完，要」換氣「的時候才會去檢查有沒有要被處理的「消息」。如果於則將對應消息綁定的回調函數推入棧。當然如果沒有綁定事件，這個事件消息實際上會被丟棄，不被處理。比如用戶觸發了一個click事件，但是用戶沒有綁定click事件的監聽函數，那麼實際上這個事件會被丟棄掉。

我們來看一下加入用戶交互之後是什麼樣的，拿點擊事件來說：

$.on('button', 'click', function onClick() {      setTimeout(function timer() {          console.log('You clicked the button!');      }, 2000);  });    console.log("Hi!");    setTimeout(function timeout() {      console.log("Click the button!");  }, 5000);    console.log("Welcome to loupe.");

上述程式碼每次點擊按鈕，都會發送一個事件，由於我們綁定了一個監聽函數。因此每次點擊，都會有一個點擊事件的消息產生，瀏覽器會在「空閑的時候」對應將用戶綁定的事件處理函數推入棧中執行。

偽程式碼:

while (true) {  	if (queue.length > 0) {  		queue.processNextMessage()  	}  }

動畫演示：

(在線觀看)

加入宏任務&微任務

我們來看一個更複製的例子感受一下。

console.log(1)    setTimeout(() => {    console.log(2)  }, 0)    Promise.resolve().then(() => {  	return console.log(3)  }).then(() => {  	console.log(4)  })    console.log(5)

上面的程式碼會輸出：1、5、3、4、2。如果你想要非常嚴謹的解釋可以參考 whatwg 對其進行的描述 -event-loop-processing-model。

下面我會對其進行一個簡單的解釋。

  • 瀏覽器首先執行宏任務，也就是我們script（僅僅執行一次）
  • 完成之後檢查是否存在微任務，然後不停執行，直到清空隊列
  • 執行宏任務

其中：

宏任務主要包含：setTimeout、setInterval、setImmediate、I/O、UI交互事件

微任務主要包含：Promise、process.nextTick、MutaionObserver 等

有了這個知識，我們不難得出上面程式碼的輸出結果。

由此我們可以看出，宏任務&微任務只是實現非同步過程中，我們對於訊號的處理順序不同而已。如果我們不加區分，全部放到一個隊列，就不會有宏任務&微任務。這種人為劃分優先順序的過程，在某些時候非常有用。

加入執行上下文棧

說到執行上下文，就不得不提到瀏覽器執行JS函數其實是分兩個過程的。一個是創建階段Creation Phase,一個是執行階段Execution Phase。

同執行棧一樣，瀏覽器每遇到一個函數，也會將當前函數的執行上下文棧推入棧頂。

舉個例子：

function a(num) {  	function b(num) {  		function c(num) {  			const n = 3  			console.log(num + n)  		}  		c(num);  	}  	b(num);  }  a(1);

遇到上面的程式碼。首先會將a的壓入執行棧，我們開始進行創建階段Creation Phase， 將a的執行上下文壓入棧。然後初始化a的執行上下文，分別是VO，ScopeChain（VO chain）和 This。從這裡我們也可以看出，this其實是動態決定的。VO指的是variables, functions 和 arguments。並且執行上下文棧也會同步隨著執行棧的銷毀而銷毀。

偽程式碼表示：

const EC  = {      'scopeChain': { },      'variableObject': { },      'this': { }  }

我們來重點看一下ScopeChain(VO chain)。如上圖的執行上下文大概長這個樣子，偽程式碼：

global.VO = {      a: pointer to a(),      scopeChain: [global.VO]  }    a.VO = {      b: pointer to b(),      arguments: {  		0: 1  	},      scopeChain: [a.VO, global.VO]  }    b.VO = {  	c: pointer to c(),  	arguments: {  		0: 1  	},  	scopeChain: [b.VO, a.VO, global.VO]  }  c.VO = {  	arguments: {  		0: 1  	},  	n: 3  	scopeChain: [c.VO, b.VO, a.VO, global.VO]  }

引擎查找變數的時候，會先從VOC開始找，找不到會繼續去VOB…，直到GlobalVO，如果GlobalVO也找不到會返回Referrence Error，整個過程類似原型鏈的查找。

值得一提的是，JS是詞法作用域，也就是靜態作用域。換句話說就是作用域取決於程式碼定義的位置，而不是執行的位置，這也就是閉包產生的本質原因。如果上面的程式碼改造成下面的：

function c() {}  function b() {}  function a() {}  a()  b()  c()

或者這種：

function c() {}  function b() {  	c();  }  function a() {  	b();  }  a();

其執行上下文棧雖然都是一樣的，但是其對應的scopeChain則完全不同，因為函數定義的位置發生了變化。拿上面的程式碼片段來說,c.VO會變成這樣：

c.VO = {  	scopeChain: [c.VO, global.VO]  }

也就是說其再也無法獲取到a和b中的VO了。

總結

通過這篇文章，希望你對單執行緒，多執行緒，非同步，事件循環，事件驅動等知識點有了更深的理解和感悟。除了這些大的層面，我們還從執行棧，執行上下文棧角度講解了我們程式碼是如何被瀏覽器運行的，我們順便還解釋了作用域和閉包產生的本質原因。

最後我總結了一個瀏覽器運行程式碼的整體原理圖，希望對你有幫助：

參考

  • Node.js event loop – logrocket
  • event-loop – nodejs.org
  • what-is-the-execution-context-in-javascript
  • Event Loop in JS – youtube

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