圖解 JavaScript 事件循環(huán)：微任務和宏任務
事件循環(huán)：微任務和宏任務
瀏覽器中 JavaScript 的執(zhí)行流程和 Node.js 中的流程都是基于 事件循環(huán) 的。
理解事件循環(huán)的工作方式對于代碼優(yōu)化很重要，有時對于正確的架構也很重要。
在本章中，我們首先介紹有關事件循環(huán)工作方式的理論細節(jié)，然后介紹該知識的實際應用。
事件循環(huán)
事件循環(huán) 的概念非常簡單。它是一個在 JavaScript 引擎等待任務，執(zhí)行任務和進入休眠狀態(tài)等待更多任務這幾個狀態(tài)之間轉換的無限循環(huán)。
引擎的一般算法：
1.當有任務時：
- 從最先進入的任務開始執(zhí)行。
2.休眠直到出現(xiàn)任務，然后轉到第 1 步。
當我們?yōu)g覽一個網(wǎng)頁時就是上述這種形式。JavaScript 引擎大多數(shù)時候不執(zhí)行任何操作，它僅在腳本/處理程序/事件激活時執(zhí)行。
任務示例：
- 當外部腳本<script src="..."> 加載完成時，任務就是執(zhí)行它。
- 當用戶移動鼠標時，任務就是派生出 mousemove 事件和執(zhí)行處理程序。
- 當安排的（scheduled）setTimeout 時間到達時，任務就是執(zhí)行其回調。
- ……諸如此類。
設置任務 —— 引擎處理它們 —— 然后等待更多任務(即休眠，幾乎不消耗 CPU 資源)。
一個任務到來時，引擎可能正處于繁忙狀態(tài)，那么這個任務就會被排入隊列。
多個任務組成了一個隊列，即所謂的“宏任務隊列”(v8 術語)：
例如，當引擎正在忙于執(zhí)行一段 script 時，用戶可能會移動鼠標而產(chǎn)生 mousemove 事件，setTimeout 或許也剛好到期，以及其他任務，這些任務組成了一個隊列，如上圖所示。
隊列中的任務基于“先進先出”的原則執(zhí)行。當瀏覽器引擎執(zhí)行完 script 后，它會處理 mousemove 事件，然后處理 setTimeout 處理程序，依此類推。
到目前為止，很簡單，對吧?
兩個細節(jié)：
- 引擎執(zhí)行任務時永遠不會進行渲染(render)。如果任務執(zhí)行需要很長一段時間也沒關系。僅在任務完成后才會繪制對 DOM 的更改。
- 如果一項任務執(zhí)行花費的時間過長，瀏覽器將無法執(zhí)行其他任務，例如處理用戶事件。因此，在一定時間后，瀏覽器會拋出一個如“頁面未響應”之類的警報，建議你終止這個任務。這種情況常發(fā)生在有大量復雜的計算或導致死循環(huán)的程序錯誤時。
以上是理論知識?，F(xiàn)在，讓我們來看看如何應用這些知識。
用例 1：拆分 CPU 過載任務
假設我們有一個 CPU 過載任務。
例如，語法高亮(用來給本頁面中的示例代碼著色)是相當耗費 CPU 資源的任務。為了高亮顯示代碼，它執(zhí)行分析，創(chuàng)建很多著了色的元素，然后將它們添加到文檔中 —— 對于文本量大的文檔來說，需要耗費很長時間。
當引擎忙于語法高亮時，它就無法處理其他 DOM 相關的工作，例如處理用戶事件等。它甚至可能會導致瀏覽器“中斷(hiccup)”甚至“掛起(hang)”一段時間，這是不可接受的。
我們可以通過將大任務拆分成多個小任務來避免這個問題。高亮顯示前 100 行，然后使用 setTimeout(延時參數(shù)為 0)來安排(schedule)后 100 行的高亮顯示，依此類推。
為了演示這種方法，簡單起見，讓我們寫一個從 1 數(shù)到 1000000000 的函數(shù)，而不寫文本高亮。
如果你運行下面這段代碼，你會看到引擎會“掛起”一段時間。對于服務端 JS 來說這顯而易見，并且如果你在瀏覽器中運行它，嘗試點擊頁面上其他按鈕時，你會發(fā)現(xiàn)在計數(shù)結束之前不會處理其他事件。
- let i = 0;
- let start = Date.now();
- function count() {
- // 做一個繁重的任務
- for (let j = 0; j < 1e9; j++) {
- i++;
- }
- alert("Done in " + (Date.now() - start) + 'ms');
- }
- count();
瀏覽器甚至可能會顯示一個“腳本執(zhí)行時間過長”的警告。
讓我們使用嵌套的 setTimeout 調用來拆分這個任務：
- let i = 0;
- let start = Date.now();
- function count() {
- // 做繁重的任務的一部分 (*)
- do {
- i++;
- } while (i % 1e6 != 0);
- if (i == 1e9) {
- alert("Done in " + (Date.now() - start) + 'ms');
- } else {
- setTimeout(count); // 安排（schedule）新的調用 (**)
- }
- }
- count();
現(xiàn)在，瀏覽器界面在“計數(shù)”過程中可以正常使用。
單次執(zhí)行 count 會完成工作 (*) 的一部分，然后根據(jù)需要重新安排(schedule)自身的執(zhí)行 (**)：
- 首先執(zhí)行計數(shù)：i=1...1000000。
- 然后執(zhí)行計數(shù)：i=1000001..2000000。
- ……以此類推。
現(xiàn)在，如果在引擎忙于執(zhí)行第一部分時出現(xiàn)了一個新的副任務(例如 onclick 事件)，則該任務會被排入隊列，然后在第一部分執(zhí)行結束時，并在下一部分開始執(zhí)行前，會執(zhí)行該副任務。周期性地在兩次 count 執(zhí)行期間返回事件循環(huán)，這為 JavaScript 引擎提供了足夠的“空氣”來執(zhí)行其他操作，以響應其他的用戶行為。
值得注意的是這兩種變體 —— 是否使用了 setTimeout 對任務進行拆分 —— 在執(zhí)行速度上是相當?shù)?。在?zhí)行計數(shù)的總耗時上沒有多少差異。
為了使兩者耗時更接近，讓我們來做一個改進。
我們將要把調度(scheduling)移動到 count() 的開頭：
- let i = 0;
- let start = Date.now();
- function count() {
- // 將調度（scheduling）移動到開頭
- if (i < 1e9 - 1e6) {
- setTimeout(count); // 安排（schedule）新的調用
- }
- do {
- i++;
- } while (i % 1e6 != 0);
- if (i == 1e9) {
- alert("Done in " + (Date.now() - start) + 'ms');
- }
- }
- count();
現(xiàn)在，當我們開始調用 count() 時，會看到我們需要對 count() 進行更多調用，我們就會在工作前立即安排(schedule)它。
如果你運行它，你很容易注意到它花費的時間明顯減少了。
為什么?
這很簡單：你應該還記得，多個嵌套的 setTimeout 調用在瀏覽器中的最小延遲為 4ms。即使我們設置了 0，但還是 4ms(或者更久一些)。所以我們安排(schedule)得越早，運行速度也就越快。
最后，我們將一個繁重的任務拆分成了幾部分，現(xiàn)在它不會阻塞用戶界面了。而且其總耗時并不會長很多。
用例 2：進度指示
對瀏覽器腳本中的過載型任務進行拆分的另一個好處是，我們可以顯示進度指示。
正如前面所提到的，僅在當前運行的任務完成后，才會對 DOM 中的更改進行繪制，無論這個任務運行花費了多長時間。
從一方面講，這非常好，因為我們的函數(shù)可能會創(chuàng)建很多元素，將它們一個接一個地插入到文檔中，并更改其樣式 —— 訪問者不會看到任何未完成的“中間態(tài)”內容。很重要，對吧?
這是一個示例，對 i 的更改在該函數(shù)完成前不會顯示出來，所以我們將只會看到最后的值：
- <div id="progress"></div>
- <script>
- function count() {
- for (let i = 0; i < 1e6; i++) {
- i++;
- progress.innerHTML = i;
- }
- }
- count();
- </script>
……但是我們也可能想在任務執(zhí)行期間展示一些東西，例如進度條。
如果我們使用 setTimeout 將繁重的任務拆分成幾部分，那么變化就會被在它們之間繪制出來。
這看起來更好看：
- <div id="progress"></div>
- <script>
- let i = 0;
- function count() {
- // 做繁重的任務的一部分 (*)
- do {
- i++;
- progress.innerHTML = i;
- } while (i % 1e3 != 0);
- if (i < 1e7) {
- setTimeout(count);
- }
- }
- count();
- </script>
現(xiàn)在 div 顯示了 i 的值的增長，這就是進度條的一種。
用例 3：在事件之后做一些事情
在事件處理程序中，我們可能會決定推遲某些行為，直到事件冒泡并在所有級別上得到處理后。我們可以通過將該代碼包裝到零延遲的 setTimeout 中來做到這一點。
在 創(chuàng)建自定義事件[1] 一章中，我們看到過這樣一個例子：自定義事件 menu-open 被在 setTimeout 中分派(dispatched)，所以它在 click 事件被處理完成之后發(fā)生。
- menu.onclick = function() {
- // ...
- // 創(chuàng)建一個具有被點擊的菜單項的數(shù)據(jù)的自定義事件
- let customEvent = new CustomEvent("menu-open", {
- bubbles: true
- });
- // 異步分派（dispatch）自定義事件
- setTimeout(() => menu.dispatchEvent(customEvent));
- };
宏任務和微任務
除了本章中所講的 宏任務(macrotask) 外，還有在 微任務隊列[2] 一章中提到的 微任務(microtask)。
微任務僅來自于我們的代碼。它們通常是由 promise 創(chuàng)建的：對 .then/catch/finally 處理程序的執(zhí)行會成為微任務。微任務也被用于 await 的“幕后”，因為它是 promise 處理的另一種形式。
還有一個特殊的函數(shù) queueMicrotask(func)，它對 func 進行排隊，以在微任務隊列中執(zhí)行。
每個宏任務之后，引擎會立即執(zhí)行微任務隊列中的所有任務，然后再執(zhí)行其他的宏任務，或渲染，或進行其他任何操作。
例如，看看下面這個示例：
- setTimeout(() => alert("timeout"));
- Promise.resolve()
- .then(() => alert("promise"));
- alert("code");
這里的執(zhí)行順序是怎樣的?
- code 首先顯示，因為它是常規(guī)的同步調用。
- promise 第二個出現(xiàn)，因為 then 會通過微任務隊列，并在當前代碼之后執(zhí)行。
- timeout 最后顯示，因為它是一個宏任務。
更詳細的事件循環(huán)圖示如下(順序是從上到下，即：首先是腳本，然后是微任務，渲染等)：
微任務會在執(zhí)行任何其他事件處理，或渲染，或執(zhí)行任何其他宏任務之前完成。
這很重要，因為它確保了微任務之間的應用程序環(huán)境基本相同(沒有鼠標坐標更改，沒有新的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)等)。
如果我們想要異步執(zhí)行(在當前代碼之后)一個函數(shù)，但是要在更改被渲染或新事件被處理之前執(zhí)行，那么我們可以使用 queueMicrotask 來對其進行安排(schedule)。
這是一個與前面那個例子類似的，帶有“計數(shù)進度條”的示例，但是它使用了 queueMicrotask而不是 setTimeout。你可以看到它在最后才渲染。就像寫的是同步代碼一樣：
- <div id="progress"></div>
- <script>
- let i = 0;
- function count() {
- // 做繁重的任務的一部分 (*)
- do {
- i++;
- progress.innerHTML = i;
- } while (i % 1e3 != 0);
- if (i < 1e6) {
- queueMicrotask(count);
- }
- }
- count();
- </script>
總結
更詳細的事件循環(huán)算法(盡管與 規(guī)范[3] 相比仍然是簡化過的)：
1.從 宏任務 隊列(例如 "script")中出隊(dequeue)并執(zhí)行最早的任務。
2.執(zhí)行所有 微任務：
- 出隊(dequeue)并執(zhí)行最早的微任務。
- 當微任務隊列非空時：
3.執(zhí)行渲染，如果有。
4.如果宏任務隊列為空，則休眠直到出現(xiàn)宏任務。
5.轉到步驟 1。
安排(schedule)一個新的 宏任務：
- 使用零延遲的 setTimeout(f)。
它可被用于將繁重的計算任務拆分成多個部分，以使瀏覽器能夠對用戶事件作出反應，并在任務的各部分之間顯示任務進度。
此外，也被用于在事件處理程序中，將一個行為(action)安排(schedule)在事件被完全處理(冒泡完成)后。
安排一個新的 微任務：
- 使用 queueMicrotask(f)。
- promise 處理程序也會通過微任務隊列。
在微任務之間沒有 UI 或網(wǎng)絡事件的處理：它們一個立即接一個地執(zhí)行。
所以，我們可以使用 queueMicrotask 來在保持環(huán)境狀態(tài)一致的情況下，異步地執(zhí)行一個函數(shù)。
Web Workers:
對于不應該阻塞事件循環(huán)的耗時長的繁重計算任務，我們可以使用 Web Workers[4]。
這是在另一個并行線程中運行代碼的方式。
Web Workers 可以與主線程交換消息，但是它們具有自己的變量和事件循環(huán)。
Web Workers 沒有訪問 DOM 的權限，因此，它們對于同時使用多個 CPU 內核的計算非常有用。
參考資料
[1]創(chuàng)建自定義事件: https://zh.javascript.info/dispatch-events
[2]微任務隊列: https://zh.javascript.info/microtask-queue
[3]規(guī)范: https://html.spec.whatwg.org/multipage/webappapis.html#event-loop-processing-model
[4]Web Workers: https://html.spec.whatwg.org/multipage/workers.html
[5]React 官方文檔推薦，與 MDN 并列的 JavaScript 學習教程: https://zh-hans.reactjs.org/docs/getting-started.html#javascript-resources
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