大话 JS 单线程与异步

2020-02-28 | 转载 | 前端 | 2.7k 字 | 9 分钟

原文：https://mp.weixin.qq.com/s/yTvZQGyoWQ4taJwNvFLiJQ
已知，JavaScript 是单线程的，天生异步，适合 IO 密集型，不适合 CPU 密集型，但是，为什么是异步的喃，异步由何而来的喃，我们将在这里逐渐讨论实现。

一、进程与线程

1. 浏览器是多进程的

它主要包括以下进程：

Browser 进程：浏览器的主进程，唯一，负责创建和销毁其它进程、网络资源的下载与管理、浏览器界面的展示、前进后退等。
GPU 进程：用于 3D 绘制等，最多一个。
第三方插件进程：每种类型的插件对应一个进程，仅当使用该插件时才创建。
浏览器渲染进程（浏览器内核）：内部是多线程的，每打开一个新网页就会创建一个进程，主要用于页面渲染，脚本执行，事件处理等。

2. 渲染进程（浏览器内核）

浏览器的渲染进程是多线程的，页面的渲染，JavaScript 的执行，事件的循环，都在这个进程内进行：

GUI 渲染线程：负责渲染浏览器界面，当界面需要重绘（Repaint）或由于某种操作引发回流(Reflow)时，该线程就会执行。
JavaScript 引擎线程：也称为 JavaScript 内核，负责处理 Javascript 脚本程序、解析 Javascript 脚本、运行代码等。（例如 V8 引擎）
事件触发线程：用来控制浏览器事件循环，注意这不归 JavaScript 引擎线程管，当事件被触发时，该线程会把事件添加到待处理队列的队尾，等待 JavaScript 引擎的处理。
定时触发器线程：传说中的 setInterval 与 setTimeout 所在线程，注意，W3C 在 HTML 标准中规定，规定要求 setTimeout 中低于 4ms 的时间间隔算为 4ms 。
异步 http 请求线程：在 XMLHttpRequest 连接后通过浏览器新开一个线程请求，将检测到状态变更时，如果设置有回调函数，异步线程就产生状态变更事件，将这个回调再放入事件队列中。再由 JavaScript 引擎执行。

注意，GUI 渲染线程与 JavaScript 引擎线程是互斥的，当 JavaScript 引擎执行时 GUI 线程会被挂起（相当于被冻结了），GUI 更新会被保存在一个队列中等到 JavaScript 引擎空闲时立即被执行。所以如果 JavaScript 执行的时间过长，这样就会造成页面的渲染不连贯，导致页面渲染加载阻塞。

二、单线程的 JavaScript

所谓单线程，是指在 JavaScript 引擎中负责解释和执行 JavaScript 代码的线程唯一，同一时间上只能执行一件任务。

问题：首先为什么要引入单线程喃？

我们知道：

浏览器需要渲染 DOM
JavaScript 可以修改 DOM 结构
JavaScript 执行时，浏览器 DOM 渲染停止

如果 JavaScript 引擎线程不是单线程的，那么可以同时执行多段 JavaScript，如果这多段 JavaScript 都修改 DOM，那么就会出现 DOM 冲突。

你可能会说，web worker 就支持多线程，但是 web worker 不能访问 window 对象，document 对象等。

原因：避免 DOM 渲染的冲突

当然，我们可以为浏览器引入锁的机制来解决这些冲突，但其大大提高了复杂性，所以 JavaScript从诞生开始就选择了单线程执行。

引入单线程就意味着，所有任务需要排队，前一个任务结束，才会执行后一个任务。这同时又导致了一个问题：如果前一个任务耗时很长，后一个任务就不得不一直等着。

// 实例1
let i, sum = 0
for(i = 0; i < 1000000000; i ++) {
    sum += i
}
console.log(sum)

在实例1中，sum 并不能立刻打印出来，必须在 for 循环执行完成之后才能执行 console.log(sum) 。

// 实例2
console.log(1)
alert('hello')
console.log(2)

在实例2中，浏览器先打印 1 ，然后弹出弹框，点击确定后才执行 console.log(2) 。

总结：

优点：实现比较简单，执行环境相对单纯
缺点：只要有一个任务耗时很长，后面的任务都必须排队等着，会拖延整个程序的执行。常见的浏览器无响应（假死），往往就是因为某一段 Javascript 代码长时间运行（比如死循环），导致整个页面卡在这个地方，其他任务无法执行。

为了解决这个问题，JavaScript 语言将任务的执行模式分为两种：同步和异步

三、同步与异步

1. 同步

func(args...)

如果在函数 func 返回的时候，调用者就能够得到预期结果(即拿到了预期的返回值或者看到了预期的效果)，那么这个函数就是同步的。

let a = 1
Math.floor(a)
console.log(a) // 1

2. 异步

如果在函数 func 返回的时候，调用者还不能够得到预期结果，而是需要在将来通过一定的手段得到，那么这个函数就是异步的。

fs.readFile('foo.txt', 'utf8', function(err, data) {
    console.log(data);
});

总结：

JavaScript 采用异步编程原因有两点，

一是 JavaScript 是单线程；
二是为了提高 CPU 的利用率。

四、异步过程

fs.readFile('data.json', 'utf8', function(err, data) {
    console.log(data)
})

在执行这段代码时，fs.readFile 函数返回时，并不会立刻打印 data ，只有 data.json 读取完成时才打印。也就是异步函数 fs.readFile 执行很快，但后面还有工作线程执行异步任务、通知主线程、主线程回调等操作，这个过程就叫做异步过程。

主线程发起一个异步操作，相应的工作线程接受请求并告知主线程已收到（异步函数返回）；主线程继续执行后面的任务，同时工作线程执行异步任务；工作线程完成任务后，通知主线程；主线程收到通知后，执行一定的动作（调用回调函数）。

工作线程在异步操作完成后通知主线程，那么这个通知机制又是如何显现喃？答案就是就是消息队列与事件循环。

五、消息队列与事件循环

工作线程将消息放在消息队列，主线程通过事件循环过程去取消息。

消息队列：消息队列是一个先进先出的队列，它里面存放着各种消息。
事件循环：事件循环是指主线程重复从消息队列中取消息、执行的过程。

1. 事件循环（eventloop）

主线程不断的从消息队列中取消息，执行消息，这个过程称为事件循环，这种机制叫事件循环机制，取一次消息并执行的过程叫一次循环。

大致实现过程如下：

while(true) {
    var message = queue.get()
    execute(message)
}

例如：

$.ajax({
    url: 'xxxx',
    success: function(result) {
        console.log(1)
    }
})
setTimeout(function() {
    console.log(2)
}, 100)
setTimeout(function() {
    console.log(3)
})
console.log(4)
// output：4321 或 4312

其中，主线程：

// 主线程
console.log(4)

异步队列：

// 异步队列
function () {
    console.log(3)
}
function () { // 100ms后
    console.log(2)
}
function() { // ajax加载完成之后
    console.log(1)
}

事件循环是JavaScript实现异步的具体解决方案，其中同步代码，直接执行；异步函数先放在异步队列中，待同步函数执行完毕后，轮询执行异步队列的回调函数。

2. 消息队列

其中，消息就是注册异步任务时添加的回调函数。

$.ajax('XXX', function(res) {
    console.log(res)
})
...

主线程在发起 AJAX 请求后，会继续执行其他代码，AJAX 线程负责请求 XXX，拿到请求后，会封装成 JavaScript 对象，然后构造一条消息：

// 消息队列里的消息
var message = function () {
    callback(response)
}

其中 callback 是 AJAX 网络请求成功响应时的回调函数。

主线程在执行完当前循环中的所有代码后，就会到消息队列取出这条消息(也就是 message 函数)，并执行它。到此为止，就完成了工作线程对主线程的 通知 ，回调函数也就得到了执行。如果一开始主线程就没有提供回调函数，AJAX 线程在收到 HTTP 响应后，也就没必要通知主线程，从而也没必要往消息队列放消息。
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异步过程中的回调函数，一定不在当前这一轮事件循环中执行。

六、异步与事件

消息队列中的每条消息实际上都对应着一个事件。

其中一个重要的异步过程就是：DOM事件

var button = document.getElementById('button')
button.addEventLister('click', function(e) {
    console.log('事件')
})

从异步的角度看，addEventLister 函数就是异步过程的发起函数，事件监听器函数就是异步过程的回调函数。事件触发时，表示异步任务完成，会将事件监听器函数封装成一条消息放在消息队列中，等待主线程执行。

事件的概念实际上并不是必须的，事件机制实际上就是异步过程的通知机制。

另外，所有的异步过程也都可以用事件来描述。例如：

setTimeout(func, 1000)
// 可以看成：
timer.addEventLister('timeout', 1000, func)

其中关于事件的详细描述，可以看这篇文章：事件绑定、事件监听、事件委托，这里不再深入介绍。

七、生产者与消费者

生产者和消费者问题是线程模型中的经典问题：生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间，生产者往存储空间中添加数据，消费者从存储空间中取走数据，当存储空间为空时，消费者阻塞，当存储空间满时，生产者阻塞。
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从生产者与消费者的角度看，异步过程是这样的：

工作线程是生产者，主线程是消费者(只有一个消费者)。工作线程执行异步任务，执行完成后把对应的回调函数封装成一条消息放到消息队列中；主线程不断地从消息队列中取消息并执行，当消息队列空时主线程阻塞，直到消息队列再次非空。

那么异步的实现方式有哪些喃？

ES6之前：callback、eventloop、Promise
ES6：Generator
ES7:Async/Await

本文作者：搬砖大老
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