一、為什么JavaScript是單線(xiàn)程？

JavaScript語(yǔ)言的一大特點(diǎn)就是單線(xiàn)程，也就是說(shuō)，同一個(gè)時(shí)間只能做一件事。那么，為什么JavaScript不能有多個(gè)線(xiàn)程呢？這樣能提高效率啊。

JavaScript的單線(xiàn)程，與它的用途有關(guān)。作為瀏覽器腳本語(yǔ)言，JavaScript的主要用途是與用戶(hù)互動(dòng)，以及操作DOM。這決定了它只能是單線(xiàn)程，否則會(huì)帶來(lái)很復(fù)雜的同步問(wèn)題。比如，假定JavaScript同時(shí)有兩個(gè)線(xiàn)程，一個(gè)線(xiàn)程在某個(gè)DOM節(jié)點(diǎn)上添加內(nèi)容，另一個(gè)線(xiàn)程刪除了這個(gè)節(jié)點(diǎn)，這時(shí)瀏覽器應(yīng)該以哪個(gè)線(xiàn)程為準(zhǔn)？
所以，為了避免復(fù)雜性，從一誕生，JavaScript就是單線(xiàn)程，這已經(jīng)成了這門(mén)語(yǔ)言的核心特征，將來(lái)也不會(huì)改變。

為了利用多核CPU的計(jì)算能力，HTML5提出Web Worker標(biāo)準(zhǔn)，允許JavaScript腳本創(chuàng)建多個(gè)線(xiàn)程，但是子線(xiàn)程完全受主線(xiàn)程控制，且不得操作DOM。所以，這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有改變JavaScript單線(xiàn)程的本質(zhì)。

二、任務(wù)隊(duì)列

單線(xiàn)程就意味著，所有任務(wù)需要排隊(duì)，前一個(gè)任務(wù)結(jié)束，才會(huì)執(zhí)行后一個(gè)任務(wù)。如果前一個(gè)任務(wù)耗時(shí)很長(zhǎng)，后一個(gè)任務(wù)就不得不一直等著。

如果排隊(duì)是因?yàn)橛?jì)算量大，CPU忙不過(guò)來(lái)，倒也算了，但是很多時(shí)候CPU是閑著的，因?yàn)镮O設(shè)備（輸入輸出設(shè)備）很慢（比如Ajax操作從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)），不得不等著結(jié)果出來(lái)，再往下執(zhí)行。

JavaScript語(yǔ)言的設(shè)計(jì)者意識(shí)到，這時(shí)CPU完全可以不管IO設(shè)備，掛起處于等待中的任務(wù)，先運(yùn)行排在后面的任務(wù)。等到IO設(shè)備返回了結(jié)果，再回過(guò)頭，把掛起的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行下去。

于是，JavaScript就有了兩種執(zhí)行方式：一種是CPU按順序執(zhí)行，前一個(gè)任務(wù)結(jié)束，再執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)，這叫做同步執(zhí)行；另一種是CPU跳過(guò)等待時(shí)間長(zhǎng)的任務(wù)，先處理后面的任務(wù)，這叫做異步執(zhí)行。程序員自主選擇，采用哪種執(zhí)行方式。

具體來(lái)說(shuō)，異步執(zhí)行的運(yùn)行機(jī)制如下。（同步執(zhí)行也是如此，因?yàn)樗梢员灰暈闆](méi)有異步任務(wù)的異步執(zhí)行。）

（1）所有任務(wù)都在主線(xiàn)程上執(zhí)行，形成一個(gè)執(zhí)行棧（execution context stack）。
（2）主線(xiàn)程之外，還存在一個(gè)"任務(wù)隊(duì)列"（task queue）。系統(tǒng)把異步任務(wù)放到"任務(wù)隊(duì)列"之中，然后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的任務(wù)。
（3）一旦"執(zhí)行棧"中的所有任務(wù)執(zhí)行完畢，系統(tǒng)就會(huì)讀取"任務(wù)隊(duì)列"。如果這個(gè)時(shí)候，異步任務(wù)已經(jīng)結(jié)束了等待狀態(tài)，就會(huì)從"任務(wù)隊(duì)列"進(jìn)入執(zhí)行棧，恢復(fù)執(zhí)行。
（4）主線(xiàn)程不斷重復(fù)上面的第三步。

下圖就是主線(xiàn)程和任務(wù)隊(duì)列的示意圖。

只要主線(xiàn)程空了，就會(huì)去讀取"任務(wù)隊(duì)列"，這就是JavaScript的運(yùn)行機(jī)制。這個(gè)過(guò)程會(huì)不斷重復(fù)。

三、事件和回調(diào)函數(shù)

"任務(wù)隊(duì)列"實(shí)質(zhì)上是一個(gè)事件的隊(duì)列（也可以理解成消息的隊(duì)列），IO設(shè)備完成一項(xiàng)任務(wù)，就在"任務(wù)隊(duì)列"中添加一個(gè)事件，表示相關(guān)的異步任務(wù)可以進(jìn)入"執(zhí)行棧"了。主線(xiàn)程讀取"任務(wù)隊(duì)列"，就是讀取里面有哪些事件。

"任務(wù)隊(duì)列"中的事件，除了IO設(shè)備的事件以外，還包括一些用戶(hù)產(chǎn)生的事件（比如鼠標(biāo)點(diǎn)擊、頁(yè)面滾動(dòng)等等）。只要指定過(guò)回調(diào)函數(shù)，這些事件發(fā)生時(shí)就會(huì)進(jìn)入"任務(wù)隊(duì)列"，等待主線(xiàn)程讀取。

所謂"回調(diào)函數(shù)"（callback），就是那些會(huì)被主線(xiàn)程掛起來(lái)的代碼。異步任務(wù)必須指定回調(diào)函數(shù)，當(dāng)異步任務(wù)從"任務(wù)隊(duì)列"回到執(zhí)行棧，回調(diào)函數(shù)就會(huì)執(zhí)行。

"任務(wù)隊(duì)列"是一個(gè)先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，排在前面的事件，優(yōu)先返回主線(xiàn)程。主線(xiàn)程的讀取過(guò)程基本上是自動(dòng)的，只要執(zhí)行棧一清空，"任務(wù)隊(duì)列"上第一位的事件就自動(dòng)返回主線(xiàn)程。但是，由于存在后文提到的"定時(shí)器"功能，主線(xiàn)程要檢查一下執(zhí)行時(shí)間，某些事件必須要在規(guī)定的時(shí)間返回主線(xiàn)程。

四、Event Loop

主線(xiàn)程從"任務(wù)隊(duì)列"中讀取事件，這個(gè)過(guò)程是循環(huán)不斷的，所以整個(gè)的這種運(yùn)行機(jī)制又稱(chēng)為Event Loop（事件循環(huán)）。

為了更好地理解Event Loop，請(qǐng)看下圖（轉(zhuǎn)引自Philip Roberts的演講《Help, I'm stuck in an event-loop》）。

上圖中，主線(xiàn)程運(yùn)行的時(shí)候，產(chǎn)生堆（heap）和棧（stack），棧中的代碼調(diào)用各種外部API，它們?cè)?任務(wù)隊(duì)列"中加入各種事件（click，load，done）。只要棧中的代碼執(zhí)行完畢，主線(xiàn)程就會(huì)去讀取"任務(wù)隊(duì)列"，依次執(zhí)行那些事件所對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。

執(zhí)行棧中的代碼，總是在讀取"任務(wù)隊(duì)列"之前執(zhí)行。請(qǐng)看下面這個(gè)例子。

上面代碼中的req.send方法是Ajax操作向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，它是一個(gè)異步任務(wù)，意味著只有當(dāng)前腳本的所有代碼執(zhí)行完，系統(tǒng)才會(huì)去讀取"任務(wù)隊(duì)列"。所以，它與下面的寫(xiě)法等價(jià)。

也就是說(shuō)，指定回調(diào)函數(shù)的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或后面無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)樗鼈儗儆趫?zhí)行棧的一部分，系統(tǒng)總是執(zhí)行完它們，才會(huì)去讀取"任務(wù)隊(duì)列"。

五、定時(shí)器

除了放置異步任務(wù)，"任務(wù)隊(duì)列"還有一個(gè)作用，就是可以放置定時(shí)事件，即指定某些代碼在多少時(shí)間之后執(zhí)行。這叫做"定時(shí)器"（timer）功能，也就是定時(shí)執(zhí)行的代碼。

定時(shí)器功能主要由setTimeout()和setInterval()這兩個(gè)函數(shù)來(lái)完成，它們的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制完全一樣，區(qū)別在于前者指定的代碼是一次性執(zhí)行，后者則為反復(fù)執(zhí)行。以下主要討論setTimeout()。

setTimeout()接受兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)是回調(diào)函數(shù)，第二個(gè)是推遲執(zhí)行的毫秒數(shù)。

上面代碼的執(zhí)行結(jié)果是1，3，2，因?yàn)閟etTimeout()將第二行推遲到1000毫秒之后執(zhí)行。

如果將setTimeout()的第二個(gè)參數(shù)設(shè)為0，就表示當(dāng)前代碼執(zhí)行完（執(zhí)行棧清空）以后，立即執(zhí)行（0毫秒間隔）指定的回調(diào)函數(shù)。

上面代碼的執(zhí)行結(jié)果總是2，1，因?yàn)橹挥性趫?zhí)行完第二行以后，系統(tǒng)才會(huì)去執(zhí)行"任務(wù)隊(duì)列"中的回調(diào)函數(shù)。
HTML5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了setTimeout()的第二個(gè)參數(shù)的最小值（最短間隔），不得低于4毫秒，如果低于這個(gè)值，就會(huì)自動(dòng)增加。在此之前，老版本的瀏覽器都將最短間隔設(shè)為10毫秒。

另外，對(duì)于那些DOM的變動(dòng)（尤其是涉及頁(yè)面重新渲染的部分），通常不會(huì)立即執(zhí)行，而是每16毫秒執(zhí)行一次。這時(shí)使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

需要注意的是，setTimeout()只是將事件插入了"任務(wù)隊(duì)列"，必須等到當(dāng)前代碼（執(zhí)行棧）執(zhí)行完，主線(xiàn)程才會(huì)去執(zhí)行它指定的回調(diào)函數(shù)。要是當(dāng)前代碼耗時(shí)很長(zhǎng)，有可能要等很久，所以并沒(méi)有辦法保證，回調(diào)函數(shù)一定會(huì)在setTimeout()指定的時(shí)間執(zhí)行。

六、Node.js的Event Loop

Node.js也是單線(xiàn)程的Event Loop，但是它的運(yùn)行機(jī)制不同于瀏覽器環(huán)境。

請(qǐng)看下面的示意圖（作者@BusyRich）。

根據(jù)上圖，Node.js的運(yùn)行機(jī)制如下。

（1）V8引擎解析JavaScript腳本。
（2）解析后的代碼，調(diào)用Node API。
（3）libuv庫(kù)負(fù)責(zé)Node API的執(zhí)行。它將不同的任務(wù)分配給不同的線(xiàn)程，形成一個(gè)Event Loop（事件循環(huán)），以異步的方式將任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果返回給V8引擎。
（4）V8引擎再將結(jié)果返回給用戶(hù)。

除了setTimeout和setInterval這兩個(gè)方法，Node.js還提供了另外兩個(gè)與"任務(wù)隊(duì)列"有關(guān)的方法：process.nextTick和

process.nextTick方法可以在當(dāng)前"執(zhí)行棧"的尾部----主線(xiàn)程下一次讀取"任務(wù)隊(duì)列"之前----觸發(fā)回調(diào)函數(shù)。也就是說(shuō)，它指定的任務(wù)總是發(fā)生在所有異步任務(wù)之前。setImmediate方法則是在當(dāng)前"任務(wù)隊(duì)列"的尾部觸發(fā)回調(diào)函數(shù)，也就是說(shuō)，它指定的任務(wù)總是在主線(xiàn)程下一次讀取"任務(wù)隊(duì)列"時(shí)執(zhí)行，這與setTimeout(fn, 0)很像。請(qǐng)看下面的例子（via StackOverflow）。

上面代碼中，由于process.nextTick方法指定的回調(diào)函數(shù)，總是在當(dāng)前"執(zhí)行棧"的尾部觸發(fā)，所以不僅函數(shù)A比setTimeout指定的回調(diào)函數(shù)timeout先執(zhí)行，而且函數(shù)B也比timeout先執(zhí)行。這說(shuō)明，如果有多個(gè)process.nextTick語(yǔ)句（不管它們是否嵌套），將全部在當(dāng)前"執(zhí)行棧"執(zhí)行。

現(xiàn)在，再看setImmediate。

上面代碼中，有兩個(gè)setImmediate。第一個(gè)setImmediate，指定在當(dāng)前"任務(wù)隊(duì)列"尾部（下一次"事件循環(huán)"時(shí)）觸發(fā)回調(diào)函數(shù)A；然后，setTimeout也是指定在當(dāng)前"任務(wù)隊(duì)列"尾部觸發(fā)回調(diào)函數(shù)timeout，所以輸出結(jié)果中，TIMEOUT FIRED排在1的后面。至于2排在TIMEOUT FIRED的后面，是因?yàn)閟etImmediate的另一個(gè)重要特點(diǎn)：一次"事件循環(huán)"只能觸發(fā)一個(gè)由setImmediate指定的回調(diào)函數(shù)。

我們由此得到了一個(gè)重要區(qū)別：多個(gè)process.nextTick語(yǔ)句總是一次執(zhí)行完，多個(gè)setImmediate則需要多次才能執(zhí)行完。事實(shí)上，這正是Node.js 10.0版添加setImmediate方法的原因，否則像下面這樣的遞歸調(diào)用process.nextTick，將會(huì)沒(méi)完沒(méi)了，主線(xiàn)程根本不會(huì)去讀取"事件隊(duì)列"！

事實(shí)上，現(xiàn)在要是你寫(xiě)出遞歸的process.nextTick，Node.js會(huì)拋出一個(gè)警告，要求你改成setImmediate。
另外，由于process.nextTick指定的回調(diào)函數(shù)是在本次"事件循環(huán)"觸發(fā)，而setImmediate指定的是在下次"事件循環(huán)"觸發(fā)，所以很顯然，前者總是比后者發(fā)生得早，而且執(zhí)行效率也高（因?yàn)椴挥脵z查"任務(wù)隊(duì)列"）。

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