【51CTO.com原創(chuàng)稿件】

前言

在瀏覽器中,每個渲染進程都有一個主線程,主線程非常繁忙，既要處理DOM，又要計算樣式，還要處理布局，同時還需要處理JavaScript任務以及各種輸入事件。此時我們就需要一個系統(tǒng)來統(tǒng)籌調度這么多不同類型的任務在主線程中有條不紊地執(zhí)行，而這個統(tǒng)籌調度系統(tǒng)就是本文要介紹的事件循環(huán)系統(tǒng)(Event Loop)。

讀完本文，希望你能明白：

• 進程與線程的區(qū)別

• 最新的Chrome瀏覽器包括哪些進程?

• 瀏覽器與Node的事件循環(huán)(Event Loop)有何區(qū)別?

一、進程與線程

1.概念

我們經常說JavaScript是單線程執(zhí)行的，那到底什么是線程？什么是進程？

一個進程就是一個程序的運行實例。詳細解釋就是，啟動一個程序的時候，操作系統(tǒng)會為該程序創(chuàng)建一塊內存，用來存放代碼、運行中的數(shù)據(jù)和一個執(zhí)行任務的主線程，我們把這樣的一個運行環(huán)境叫進程。

而線程是操作系統(tǒng)能夠進行運算調度的最小單位。線程是不能單獨存在的，它是由進程來啟動和管理的,在進程中使用多線程并行處理能提升運算效率。

我們通過以下這張圖來加深對兩者的理解:

• 進程好比圖中的工廠，有單獨的專屬自己的工廠資源。當一個進程關閉之后，操作系統(tǒng)會回收進程所占用的內存。

• 線程好比圖中的工人，多個工人在一個工廠中協(xié)作工作，工廠與工人是 1:n的關系。這意味著一個進程由一個或多個線程組成，進程中的任意一線程執(zhí)行出錯，都會導致整個進程的崩潰。

• 工廠的空間是工人們共享的，這意味著一個進程的內存空間是共享的，每個線程都可用這些共享內存。

• 多個工廠之間獨立存在。這意味著進程之間的內容相互隔離。

2.多進程與多線程

• 多進程：在同一個時間里，同一個計算機系統(tǒng)中允許兩個或兩個以上的進程處于運行狀態(tài)。

以最新的 Chrome 瀏覽器為例,我打開掘金編輯文章頁面時,出現(xiàn)以下五個進程:1個網絡進程、1個瀏覽器進程、1個GPU進程以及1個渲染進程，共4個；如果打開的頁面有運行插件的話，還需要再加上1個插件進程(下圖有番茄鬧鐘插件)。

• 多線程：程序中包含多個執(zhí)行流，即在一個程序中可以同時運行多個不同的線程來執(zhí)行不同的任務，也就是說允許單個程序創(chuàng)建多個并行執(zhí)行的線程來完成各自的任務。

二、最新的 Chrome 進程架構

最新的Chrome瀏覽器包括：1個瀏覽器（Browser）主進程、1個GPU進程、1個網絡（NetWork）進程、多個渲染進程和多個插件進程。

接下來我們介紹下這些進程的功能:

• 瀏覽器進程。主要負責界面顯示、用戶交互、子進程管理，同時提供存儲等功能。

• 渲染進程。核心任務是將HTML、CSS 和JavaScript轉換為用戶可以與之交互的網頁，排版引擎Blink和JavaScript引擎V8都是運行在該進程中，默認情況下，Chrome 會為每個Tab標簽創(chuàng)建一個渲染進程。出于安全考慮，渲染進程都是運行在沙箱模式下。渲染進程中主要包含以下線程：主線程(Main thread)、工作線程(Worker thread)、 排版線程 (Compositor thread)和光柵線程(Raster thread)。

• GPU進程。其實，Chrome剛開始發(fā)布的時候是沒有GPU進程的。而GPU的使用初衷是為了實現(xiàn)3D CSS的效果，只是隨后網頁、Chrome 的UI界面都選擇采用GPU來繪制，這使得GPU成為瀏覽器普遍的需求。最后，Chrome在其多進程架構上也引入了GPU進程。

• 網絡進程。主要負責頁面的網絡資源加載，之前是作為一個模塊運行在瀏覽器進程里面的，直至最近才獨立出來，成為一個單獨的進程。

• 插件進程。主要是負責插件的運行，因插件易崩潰，所以需要通過插件進程來隔離，以保證插件進程崩潰不會對瀏覽器和頁面造成影響。

頁面中的大部分任務都是在渲染進程的主線程上執(zhí)行，這些任務包括了：

• 渲染事件（如解析 DOM、計算布局、繪制）;

• 用戶交互事件(如鼠標點擊、滾動頁面、放大縮小等);

• JavaScript腳本執(zhí)行事件;

• 網絡請求完成、文件讀寫完成事件。

那么,如何協(xié)調這些任務有條不紊地在主線程上執(zhí)行呢? 這就需要事件循環(huán)系統(tǒng)(Event Loop)

三、瀏覽器中的 Event Loop

1.什么是Event Loop

通過使用消息隊列，我們實現(xiàn)了線程之間的消息通信。在Chrome中，跨進程之間的任務也是頻繁發(fā)生的，那么如何處理其他進程發(fā)送過來的任務？可以參考下圖(來源極客時間)：

消息隊列是一種數(shù)據(jù)結構，可以存放要執(zhí)行的任務。它符合隊列“先進先出”的特點，也就是說要添加任務的話，添加到隊列的尾部；要取出任務的話，從隊列頭部去取。

從圖中可以看出，渲染進程專門有一個IO線程用來接收其他進程傳進來的消息，接收到消息之后，會將這些消息組裝成任務發(fā)送給渲染主線程。主線程從"消息隊列"中讀取事件，這個過程是循環(huán)不斷的，所以整個的這種運行機制又稱為Event Loop（事件循環(huán)）。

2.同步任務和異步任務

• 同步任務即可以立即執(zhí)行的任務，例如聲明一個變量或者執(zhí)行一次加法操作等。同步任務屬于宏任務。

• 異步任務是不會立即執(zhí)行的事件任務。異步任務包括宏任務和微任務。

瀏覽器端常見的宏任務包括:setTimeout、setInterval、script（整體代碼）、 I/O 操作、UI 渲染等;

瀏覽器端常見的微任務包括:new Promise().then(回調)、MutationObserver(html5新特性) 等。

3.Event Loop 過程解析

一個完整瀏覽器端的 Event Loop 過程，可以概括為以下階段：

• 一開始執(zhí)行棧空,我們可以把執(zhí)行棧認為是一個存儲函數(shù)調用的棧結構，遵循先進后出的原則。微任務隊列空，宏任務隊列里有且只有一個 script 腳本（整體代碼）。

• 全局上下文（script 標簽）被推入執(zhí)行棧，同步代碼執(zhí)行。在執(zhí)行的過程中，會先判斷是同步任務還是異步任務，也會產生新的 macro-task 與 micro-task，它們會分別被推入各自的任務隊列里。同步代碼執(zhí)行完了，script 腳本會被移出 macro 隊列，這個過程本質上是隊列的 macro-task 的執(zhí)行和出隊的過程。

• 上一步我們出隊的是一個 macro-task，這一步我們處理的是 micro-task。但需要注意的是：當 macro-task 出隊時，任務是一個一個執(zhí)行的；而 micro-task 出隊時，任務是一隊一隊執(zhí)行的。因此，我們處理 micro 隊列這一步，會逐個執(zhí)行隊列中的任務并把它出隊，直到隊列被清空。宏任務隊列可以有多個，微任務隊列只有一個。

• 執(zhí)行渲染操作，更新界面

• 檢查是否存在 Web worker 任務，如果有，則對其進行處理

• 上述過程循環(huán)往復，直到兩個隊列都清空

我們總結一下，每一次循環(huán)都是一個這樣的過程：

當某個宏任務執(zhí)行完后,會查看是否有微任務隊列。如果有，先執(zhí)行微任務隊列中的所有任務，如果沒有，會讀取宏任務隊列中排在最前的任務，執(zhí)行宏任務的過程中，遇到微任務，依次加入微任務隊列。棧空后，再次讀取微任務隊列里的任務，依次類推。

接下來我們看道例子來介紹上面流程：

Promise.resolve().then(()=>{ 
console.log('Promise1')   
setTimeout(()=>{ 
  console.log('setTimeout2') 
},0) 
}) 
setTimeout(()=>{ 
console.log('setTimeout1') 
Promise.resolve().then(()=>{ 
  console.log('Promise2')     
}) 
},0) 

最后輸出結果是Promise1，setTimeout1，Promise2，setTimeout2

• 一開始執(zhí)行棧的同步任務（這屬于宏任務）執(zhí)行完畢，會去查看是否有微任務隊列，上題中存在(有且只有一個)，然后執(zhí)行微任務隊列中的所有任務輸出Promise1，同時會生成一個宏任務 setTimeout2

• 然后去查看宏任務隊列，宏任務 setTimeout1 在 setTimeout2 之前，先執(zhí)行宏任務 setTimeout1，輸出 setTimeout1

• 在執(zhí)行宏任務setTimeout1時會生成微任務Promise2 ，放入微任務隊列中，接著先去清空微任務隊列中的所有任務，輸出 Promise2

• 清空完微任務隊列中的所有任務后，就又會去宏任務隊列取一個，這回執(zhí)行的是 setTimeout2

四、Node 中的 Event Loop

1.Node簡介

Node 環(huán)境下的 Event Loop 與瀏覽器環(huán)境下的 Event Loop并不相同。Node.js 采用 V8 作為js的解析引擎，而I/O處理方面使用了自己設計的libuv，libuv是一個基于事件驅動的跨平臺抽象層，封裝了不同操作系統(tǒng)一些底層特性，對外提供統(tǒng)一的API，事件循環(huán)機制也是它里面的實現(xiàn)（下文會詳細介紹）。注：本文中所介紹Node 環(huán)境中的 Event Loop，是基于node10及其之前版本。

Node.js的運行機制如下:

• V8引擎解析JavaScript腳本。

• 解析后的代碼，調用Node API。

• libuv庫負責Node API的執(zhí)行。它將不同的任務分配給不同的線程，形成一個Event Loop（事件循環(huán)），以異步的方式將任務的執(zhí)行結果返回給V8引擎。

• V8引擎再將結果返回給用戶。

2.六個階段

其中l(wèi)ibuv引擎中的事件循環(huán)分為 6 個階段，它們會按照順序反復運行。每當進入某一個階段的時候，都會從對應的回調隊列中取出函數(shù)去執(zhí)行。當隊列為空或者執(zhí)行的回調函數(shù)數(shù)量到達系統(tǒng)設定的閾值，就會進入下一階段。

從上圖中，大致看出node中的事件循環(huán)的順序：

外部輸入數(shù)據(jù)-->輪詢階段(poll)-->檢查階段(check)-->關閉事件回調階段(close callback)-->定時器檢測階段(timer)-->I/O事件回調階段(I/O callbacks)-->閑置階段(idle, prepare)-->輪詢階段（按照該順序反復運行）...

• timers 階段：這個階段執(zhí)行timer（setTimeout、setInterval）的回調

• I/O callbacks 階段：處理一些上一輪循環(huán)中的少數(shù)未執(zhí)行的 I/O 回調

• idle, prepare 階段：僅node內部使用

• poll 階段：獲取新的I/O事件, 適當?shù)臈l件下node將阻塞在這里

• check 階段：執(zhí)行 setImmediate() 的回調

• close callbacks 階段：執(zhí)行 socket 的 close 事件回調

注意：上面六個階段都不包括 process.nextTick()(下文會介紹)

接下去我們詳細介紹timers、poll、check這3個階段，因為日常開發(fā)中的絕大部分異步任務都是在這3個階段處理的。

(1) timer

timers 階段會執(zhí)行 setTimeout 和 setInterval 回調，并且是由 poll 階段控制的。 同樣，在 Node 中定時器指定的時間也不是準確時間，只能是盡快執(zhí)行。

(2) poll

poll 是一個至關重要的階段，這一階段中，系統(tǒng)會做兩件事情：

1.回到 timer 階段執(zhí)行回調

2.執(zhí)行 I/O 回調

并且在進入該階段時如果沒有設定了 timer 的話，會發(fā)生以下兩件事情：

• 如果 poll 隊列不為空，會遍歷回調隊列并同步執(zhí)行，直到隊列為空或者達到系統(tǒng)限制

• 如果 poll 隊列為空時，會有兩件事發(fā)生

  • 如果有 setImmediate 回調需要執(zhí)行，poll 階段會停止并且進入到 check 階段執(zhí)行回調

  • 如果沒有 setImmediate 回調需要執(zhí)行，會等待回調被加入到隊列中并立即執(zhí)行回調，這里同樣會有個超時時間設置防止一直等待下去

當然設定了 timer 的話且 poll 隊列為空，則會判斷是否有 timer 超時，如果有的話會回到 timer 階段執(zhí)行回調。

(3) check階段

setImmediate()的回調會被加入check隊列中，從event loop的階段圖可以知道，check階段的執(zhí)行順序在poll階段之后。 我們先來看個例子:

console.log('start') 
setTimeout(() => { 
console.log('timer1') 
Promise.resolve().then(function() { 
  console.log('promise1') 
}) 
}, 0) 
setTimeout(() => { 
console.log('timer2') 
Promise.resolve().then(function() { 
  console.log('promise2') 
}) 
}, 0) 
Promise.resolve().then(function() { 
console.log('promise3') 
}) 
console.log('end') 
//start=>end=>promise3=>timer1=>timer2=>promise1=>promise2 

• 一開始執(zhí)行棧的同步任務（這屬于宏任務）執(zhí)行完畢后（依次打印出start end，并將2個timer依次放入timer隊列）,會先去執(zhí)行微任務（這點跟瀏覽器端的一樣），所以打印出promise3

• 然后進入timers階段，執(zhí)行timer1的回調函數(shù)，打印timer1，并將promise.then回調放入microtask隊列，同樣的步驟執(zhí)行timer2，打印timer2；這點跟瀏覽器端相差比較大，timers階段有幾個setTimeout/setInterval都會依次執(zhí)行，并不像瀏覽器端，每執(zhí)行一個宏任務后就去執(zhí)行一個微任務（關于Node與瀏覽器的 Event Loop 差異，下文還會詳細介紹）。

3.Micro-Task 與 Macro-Task

Node端事件循環(huán)中的異步隊列也是分為macro（宏任務）隊列和 micro（微任務）隊列。

• Node端常見的 macro-task 比如：setTimeout、setInterval、 setImmediate、script（整體代碼）、 I/O 操作等。

• Node端常見的 micro-task 比如: process.nextTick、new Promise().then(回調)等。

4.注意點

(1) setTimeout 和 setImmediate

二者非常相似，區(qū)別主要在于調用時機不同。

• setImmediate 設計在poll階段完成時執(zhí)行，即check階段；

• setTimeout 設計在poll階段為空閑時，且設定時間到達后執(zhí)行，但它在timer階段執(zhí)行

setTimeout(function timeout () { 
console.log('timeout'); 
},0); 
setImmediate(function immediate () { 
console.log('immediate'); 
}); 

• 對于以上代碼來說，setTimeout 可能執(zhí)行在前，也可能執(zhí)行在后。

• 首先 setTimeout(fn, 0) === setTimeout(fn, 1)，這是由源碼決定的 進入事件循環(huán)也是需要成本的，如果在準備時候花費了大于 1ms 的時間，那么在 timer 階段就會直接執(zhí)行 setTimeout 回調

• 如果準備時間花費小于 1ms，那么就是 setImmediate 回調先執(zhí)行了

但當二者在異步i/o callback內部調用時，總是先執(zhí)行setImmediate，再執(zhí)行setTimeout

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

在上述代碼中，setImmediate 永遠先執(zhí)行。因為兩個代碼寫在 IO 回調中，IO 回調是在 poll 階段執(zhí)行，當回調執(zhí)行完畢后隊列為空，發(fā)現(xiàn)存在 setImmediate 回調，所以就直接跳轉到 check 階段去執(zhí)行回調了。

(2) process.nextTick

這個函數(shù)其實是獨立于 Event Loop 之外的，它有一個自己的隊列，當每個階段完成后，如果存在 nextTick 隊列，就會清空隊列中的所有回調函數(shù)，并且優(yōu)先于其他 microtask 執(zhí)行。

setTimeout(() => { 
console.log('timer1') 
Promise.resolve().then(function() { 
  console.log('promise1') 
}) 
}, 0) 
process.nextTick(() => { 
console.log('nextTick') 
process.nextTick(() => { 
  console.log('nextTick') 
  process.nextTick(() => { 
    console.log('nextTick') 
    process.nextTick(() => { 
      console.log('nextTick') 
    }) 
  }) 
}) 
}) 
// nextTick=>nextTick=>nextTick=>nextTick=>timer1=>promise1 

五、Node與瀏覽器的 Event Loop 差異

瀏覽器環(huán)境下，microtask的任務隊列是每個macrotask執(zhí)行完之后執(zhí)行。而在Node.js中，microtask會在事件循環(huán)的各個階段之間執(zhí)行，也就是一個階段執(zhí)行完畢，就會去執(zhí)行microtask隊列的任務。

接下我們通過一個例子來說明兩者區(qū)別：

setTimeout(()=>{ 
  console.log('timer1') 
  Promise.resolve().then(function() { 
      console.log('promise1') 
  }) 
}, 0) 
setTimeout(()=>{ 
  console.log('timer2') 
  Promise.resolve().then(function() { 
      console.log('promise2') 
  }) 
}, 0) 

瀏覽器端運行結果：timer1=>promise1=>timer2=>promise2

瀏覽器端的處理過程如下：

Node端運行結果：

要看第一個定時器執(zhí)行完，第二個定時器是否在完成隊列中。

• 如果是第二個定時器還未在完成隊列中，最后的結果為timer1=>promise1=>timer2=>promise2

• 如果是第二個定時器已經在完成隊列中，則最后的結果為timer1=>timer2=>promise1=>promise2(下文過程解釋基于這種情況下)

1.全局腳本（main()）執(zhí)行，將2個timer依次放入timer隊列，main()執(zhí)行完畢，調用棧空閑，任務隊列開始執(zhí)行；

2.首先進入timers階段，執(zhí)行timer1的回調函數(shù)，打印timer1，并將promise1.then回調放入microtask隊列，同樣的步驟執(zhí)行timer2，打印timer2；

3.至此，timer階段執(zhí)行結束，event loop進入下一個階段之前，執(zhí)行microtask隊列的所有任務，依次打印promise1、promise2

Node端的處理過程如下：

六、總結

瀏覽器和Node 環(huán)境下Event Loop有所區(qū)別，主要體現(xiàn)在微任務隊列的執(zhí)行時機不同

• Node端，microtask 在事件循環(huán)的各個階段之間執(zhí)行

• 瀏覽器端，microtask 在事件循環(huán)的 macrotask 執(zhí)行完之后執(zhí)行

參考文章與資料

• 瀏覽器工作原理與實踐

• 圖解瀏覽器的基本工作原理

• 瀏覽器進程？線程？傻傻分不清楚!

• 前端性能優(yōu)化原理與實踐

• 深入理解js事件循環(huán)機制（Node.js篇）

• 詳解JavaScript中的Event Loop（事件循環(huán)）機制

• event-loop-timers-and-nexttick

• timers: run nextTicks after each immediate and timer

作者介紹

浪里行舟：碩士研究生，專注于前端。個人公眾號：「前端工匠」，致力于打造適合初中級工程師能夠快速吸收的一系列優(yōu)質文章！

【51CTO原創(chuàng)稿件，合作站點轉載請注明原文作者和出處為51CTO.com】