nodejs中的事件循环 - Event Loop-白红宇

什么是Event Loop

Event Loop是一个程序结构，用于等待和发送消息和事件，是计算机系统的一种运行机制。JavaScript语言就采用这种机制，来解决单线程运行带来的一些问题。

那么首先要了解一下JavaScript的单线程的原因

JavaScript语言的一大特点就是单线程，也就是说，同一个时间只能做一件事。

JavaScript的单线程，与它的用途有关。作为浏览器脚本语言，JavaScript的主要用途是与用户互动，以及操作DOM。这决定了它只能是单线程，否则会带来很复杂的同步问题。比如，假定JavaScript同时有两个线程，一个线程在某个DOM节点上添加内容，另一个线程删除了这个节点，这时浏览器应该以哪个线程为准？

所以，为了避免复杂性，从一诞生，JavaScript就是单线程，这已经成了这门语言的核心特征，将来也不会改变。

为了利用多核CPU的计算能力，HTML5提出Web Worker标准，允许JavaScript脚本创建多个线程，但是子线程完全受主线程控制，且不得操作DOM。所以，这个新标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

任务队列

单线程就意味着，所有任务需要排队，前一个任务结束，才会执行后一个任务。如果前一个任务耗时很长，后一个任务就要一直等着。很多时候CPU是闲着的，因为IO设备很慢（比如Ajax操作从网络读取数据），不得不等着结果出来，再往下执行。然而这时主线程完全可以不管IO设备，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到IO设备返回了结果，再回过头，把挂起的任务继续执行下去。

于是，所有任务可以分成两种，一种是同步任务（synchronous），另一种是异步任务（asynchronous）。

同步任务，指的是在主线程上排队执行的任务，只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务；

异步任务，指的是不进入主线程、而进入"任务队列"（task queue）的任务，只有"任务队列"通知主线程，某个异步任务可以执行了，该任务才会进入主线程执行。

具体来说，异步执行的运行机制如下。（同步执行也是如此，因为它可以被视为没有异步任务的异步执行。）

所有同步任务都在主线程上执行，形成一个执行栈（execution context stack）。

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。

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。

主线程不断重复上面的第三步。

由于I/O操作很慢，这个线程的大部分运行时间都在空等I/O操作的返回结果。这种运行方式称为"同步模式"（synchronous I/O）或"堵塞模式"（blocking I/O）。Event Loop就是为了解决这个问题而提出的。

Event Loop

简单说，就是在程序中设置两个线程：一个负责程序本身的运行，称为"主线程"；另一个负责主线程与其他进程（主要是各种I/O操作）的通信，被称为"Event Loop线程"（可以译为"消息线程"）。

每个阶段的简单概要：

timers : 执行setTimeout() 和 setInterval() 预先设定的回调函数。

I/O callbacks :大部分执行都是timers 阶段或是setImmediate() 预先设定的并且出现异常的回调函数事件。

idle, prepare :nodejs 内部函数调用。

poll : 搜寻I/O事件，nodejs进程在这个阶段会选择在该阶段适当的阻塞一段时间。

check : setImmediate() 函数会在这个阶段执行。

close callbacks : 执行一些诸如关闭事件的回调函数，如socket.on('close', ...) 。

每个阶段都有一个先进先出的回调函数队列。只有一个阶段的回调函数队列清空了，该执行的回调函数都执行了，事件循环才会进入下一个阶段。

（1）timers

这个是定时器阶段，处理setTimeout()和setInterval()的回调函数。进入这个阶段后，主线程会检查一下当前时间，是否满足定时器的条件。如果满足就执行回调函数，否则就离开这个阶段。

（2）I/O callbacks

除了以下操作的回调函数，其他的回调函数都在这个阶段执行。

setTimeout()和setInterval()的回调函数 setImmediate()的回调函数用于关闭请求的回调函数，比如socket.on('close', ...)

（3）idle, prepare

该阶段只供 libuv 内部调用，这里可以忽略。

（4）Poll

这个阶段是轮询时间，用于等待还未返回的 I/O 事件，比如服务器的回应、用户移动鼠标等等。

这个阶段的时间会比较长。如果没有其他异步任务要处理（比如到期的定时器），会一直停留在这个阶段，等待 I/O 请求返回结果。

（5）check

该阶段执行setImmediate()的回调函数。

（6）close callbacks

该阶段执行关闭请求的回调函数，比如socket.on('close', ...)。

上图中，主线程运行的时候，产生堆（heap）和栈（stack），栈中的代码调用各种外部API，它们在"任务队列"中加入各种事件（click，load，done）。只要栈中的代码执行完毕，主线程就会去读取"任务队列"，依次执行那些事件所对应的回调函数。

执行栈中的代码（同步任务），总是在读取"任务队列"（异步任务）之前执行。

计时器

下面是来自官方文档的一个示例。

const fs = require('fs');const timeoutScheduled = Date.now();// 异步任务一：100ms 后执行的定时器setTimeout(() => {  const delay = Date.now() - timeoutScheduled;  console.log(`${delay}ms`);}, 100);// 异步任务二：文件读取后，有一个 200ms 的回调函数fs.readFile('test.js', () => {  const startCallback = Date.now();  while (Date.now() - startCallback < 200) {    // 什么也不做  }});复制代码

上面代码有两个异步任务，一个是 100ms 后执行的定时器，一个是文件读取，它的回调函数需要 200ms。运行结果是什么？

脚本进入第一轮事件循环以后，没有到期的定时器，也没有已经可以执行的 I/O 回调函数，所以会进入 Poll 阶段，等待内核返回文件读取的结果。由于读取小文件一般不会超过 100ms，所以在定时器到期之前，Poll 阶段就会得到结果，因此就会继续往下执行。

第二轮事件循环，依然没有到期的定时器，但是已经有了可以执行的 I/O 回调函数，所以会进入 I/O callbacks 阶段，执行fs.readFile的回调函数。这个回调函数需要 200ms，也就是说，在它执行到一半的时候，100ms 的定时器就会到期。但是，必须等到这个回调函数执行完，才会离开这个阶段。

第三轮事件循环，已经有了到期的定时器，所以会在 timers 阶段执行定时器。最后输出结果大概是200多毫秒。

setTimeout 和 setImmediate

由于setTimeout在 timers 阶段执行，而setImmediate在 check 阶段执行。所以，setTimeout会早于setImmediate完成。

setTimeout(() => console.log(1));setImmediate(() => console.log(2));复制代码

上面代码应该先输出1，再输出2，但是实际执行的时候，结果却是不确定，有时还会先输出2，再输出1。

这是因为setTimeout的第二个参数默认为0。但是实际上，Node 做不到0毫秒，最少也需要1毫秒，根据官方文档，第二个参数的取值范围在1毫秒到2147483647毫秒之间。也就是说，setTimeout(f, 0)等同于setTimeout(f, 1)。

实际执行的时候，进入事件循环以后，有可能到了1毫秒，也可能还没到1毫秒，取决于系统当时的状况。如果没到1毫秒，那么 timers 阶段就会跳过，进入 check 阶段，先执行setImmediate的回调函数。

但是，下面的代码一定是先输出2，再输出1。

const fs = require('fs');fs.readFile('test.js', () => {  setTimeout(() => console.log(1));  setImmediate(() => console.log(2));});复制代码

上面代码会先进入 I/O callbacks 阶段，然后是 check 阶段，最后才是 timers 阶段。因此，setImmediate才会早于setTimeout执行。

根据上图，Node.js的运行机制如下。

（1）V8引擎解析JavaScript脚本。

（2）解析后的代码，调用Node API。

（3）libuv库负责Node API的执行。它将不同的任务分配给不同的线程，形成一个Event Loop（事件循环），以异步的方式将任务的执行结果返回给V8引擎。

（4）V8引擎再将结果返回给用户。

除了setTimeout和setInterval这两个方法，Node.js还提供了另外两个与"任务队列"有关的方法：process.nextTick和setImmediate。它们可以帮助我们加深对"任务队列"的理解。

process.nextTick方法可以在当前"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。setImmediate方法则是在当前"任务队列"的尾部添加事件，也就是说，它指定的任务总是在下一次Event Loop时执行，这与setTimeout(fn, 0)很像。