setTimeout运行机制

我们先看一段代码

setTimeout( function(){ alert(’你好!’); } , 0);
setInterval( callbackFunction , 100);

认为setTimeout中的问候方法会立即被执行,因为这并不是凭空而说,而是JavaScript API文档明确定义第二个参数意义为隔多少毫秒后,回调方法就会被执行. 这里设成0毫秒,理所当然就立即被执行了.

同理对setInterval的callbackFunction方法每间隔100毫秒就立即被执行深信不疑!

但随着JavaScript应用开发经验不断的增加和丰富,有一天你发现了一段怪异的代码而百思不得其解:

div.onclick = function(){
setTimeout( function(){document.getElementById(’inputField’).focus();}, 0);
};

既然是0毫秒后执行,那么还用setTimeout干什么，此刻, 坚定的信念已开始动摇.

直到最后某一天 , 你不小心写了一段糟糕的代码:

setTimeout( function(){ while(true){} } , 100);
setTimeout( function(){ alert(’你好!’); } , 200);
setInterval( callbackFunction , 200);

第一行代码进入了死循环,但不久你就会发现,第二,第三行并不是预料中的事情,alert问候未见出现,callbacKFunction也杳无音讯!

这时你彻底迷惘了,这种情景是难以接受的,因为改变长久以来既定的认知去接受新思想的过程是痛苦的,但情事实摆在眼前,对JavaScript真理的探求并不会因为痛苦而停止,下面让我们来展开JavaScript线程和定时器探索之旅!

拔开云雾见月明

出现上面所有误区的最主要一个原因是:潜意识中认为,JavaScript引擎有多个线程在执行,JavaScript的定时器回调函数是异步执行的.

而事实上的,JavaScript使用了障眼法,在多数时候骗过了我们的眼睛,这里背光得澄清一个事实:

JavaScript引擎是单线程运行的,浏览器无论在什么时候都只且只有一个线程在运行JavaScript程序.

JavaScript引擎用单线程运行也是有意义的,单线程不必理会线程同步这些复杂的问题,问题得到简化.

那么单线程的JavaScript引擎是怎么配合浏览器内核处理这些定时器和响应浏览器事件的呢?
下面结合浏览器内核处理方式简单说明.

浏览器内核实现允许多个线程异步执行,这些线程在内核制控下相互配合以保持同步.假如某一浏览器内核的实现至少有三个常驻线程:javascript引擎线程,界面渲染线程,浏览器事件触发线程,除些以外,也有一些执行完就终止的线程,如Http请求线程,这些异步线程都会产生不同的异步事件,下面通过一个图来阐明单线程的JavaScript引擎与另外那些线程是怎样互动通信的.虽然每个浏览器内核实现细节不同,但这其中的调用原理都是大同小异.

由图可看出,浏览器中的JavaScript引擎是基于事件驱动的,这里的事件可看作是浏览器派给它的各种任务,这些任务可以源自 JavaScript引擎当前执行的代码块,如调用setTimeout添加一个任务,也可来自浏览器内核的其它线程,如界面元素鼠标点击事件,定时触发器时间到达通知,异步请求状态变更通知等.从代码角度看来任务实体就是各种回调函数,JavaScript引擎一直等待着任务队列中任务的到来.由于单线程关系,这些任务得进行排队,一个接着一个被引擎处理.

上图t1-t2..tn表示不同的时间点,tn下面对应的小方块代表该时间点的任务,假设现在是t1时刻,引擎运行在t1对应的任务方块代码内,在这个时间点内,我们来描述一下浏览器内核其它线程的状态.

t1时刻:

GUI渲染线程:

该线程负责渲染浏览器界面HTML元素,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.本文虽然重点解释JavaScript定时机制,但这时有必要说说渲染线程,因为该线程与JavaScript引擎线程是互斥的,这容易理解,因为 JavaScript脚本是可操纵DOM元素,在修改这些元素属性同时渲染界面,那么渲染线程前后获得的元素数据就可能不一致了.

在JavaScript引擎运行脚本期间,浏览器渲染线程都是处于挂起状态的,也就是说被”冻结”了.

所以,在脚本中执行对界面进行更新操作,如添加结点,删除结点或改变结点的外观等更新并不会立即体现出来,这些操作将保存在一个队列中,待JavaScript引擎空闲时才有机会渲染出来.

GUI事件触发线程:

JavaScript脚本的执行不影响html元素事件的触发,在t1时间段内,首先是用户点击了一个鼠标键,点击被浏览器事件触发线程捕捉后形成一个鼠标点击事件,由图可知,对于JavaScript引擎线程来说,这事件是由其它线程异步传到任务队列尾的,由于引擎正在处理t1时的任务,这个鼠标点击事件正在等待处理.

定时触发线程:

注意这里的浏览器模型定时计数器并不是由JavaScript引擎计数的,因为JavaScript引擎是单线程的,如果处于阻塞线程状态就计不了时,它必须依赖外部来计时并触发定时,所以队列中的定时事件也是异步事件.

由图可知,在这t1的时间段内,继鼠标点击事件触发后,先前已设置的setTimeout定时也到达了,此刻对JavaScript引擎来说,定时触发线程产生了一个异步定时事件并放到任务队列中, 该事件被排到点击事件回调之后,等待处理.
同理, 还是在t1时间段内,接下来某个setInterval定时器也被添加了,由于是间隔定时,在t1段内连续被触发了两次,这两个事件被排到队尾等待处理.

可见,假如时间段t1非常长,远大于setInterval的定时间隔,那么定时触发线程就会源源不断的产生异步定时事件并放到任务队列尾而不管它们是否已被处理,但一旦t1和最先的定时事件前面的任务已处理完,这些排列中的定时事件就依次不间断的被执行,这是因为,对于JavaScript引擎来说,在处理队列中的各任务处理方式都是一样的,只是处理的次序不同而已.

t1过后,也就是说当前处理的任务已返回,JavaScript引擎会检查任务队列,发现当前队列非空,就取出t2下面对应的任务执行,其它时间依此类推,由此看来:

如果队列非空,引擎就从队列头取出一个任务,直到该任务处理完,即返回后引擎接着运行下一个任务,在任务没返回前队列中的其它任务是没法被执行的.

相信您现在已经很清楚JavaScript是否可多线程,也了解理解JavaScript定时器运行机制了,下面我们来对一些案例进行分析:

案例1:setTimeout与setInterval

setTimeout(function(){/* 代码块... */setTimeout(arguments.callee, 10);
}, 10);setInterval(function(){/*代码块... */}, 10);

这两段代码看一起效果一样,其实非也,第一段中回调函数内的setTimeout是JavaScript引擎执行后再设置新的setTimeout 定时, 假定上一个回调处理完到下一个回调开始处理为一个时间间隔,理论两个setTimeout回调执行时间间隔>=10ms .第二段自setInterval设置定时后,定时触发线程就会源源不断的每隔十秒产生异步定时事件并放到任务队列尾,理论上两个setInterval 回调执行时间间隔<=10.

案例2:ajax异步请求是否真的异步?

很多同学朋友搞不清楚,既然说JavaScript是单线程运行的,那么XMLHttpRequest在连接后是否真的异步?
其实请求确实是异步的,不过这请求是由浏览器新开一个线程请求(参见上图),当请求的状态变更时,如果先前已设置回调,这异步线程就产生状态变更事件放到 JavaScript引擎的处理队列中等待处理,当任务被处理时,JavaScript引擎始终是单线程运行回调函数,具体点即还是单线程运行 onreadystatechange所设置的函数.

一、为什么JavaScript是单线程？

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。那么，为什么JavaScript不能有多个线程呢？这样能提高效率啊。

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。

二、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，后一个任务就不得不一直等着。

如果排队是因为计算量大，CPU忙不过来，倒也算了，但是很多时候CPU是闲着的，因为IO设备（输入输出设备）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。

JavaScript语言的设计者意识到，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。）

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

（2）主线程之外，还存在一个"任务队列"（taskqueue）。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。

（3）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。

（4）主线程不断重复上面的第三步。

下图就是主线程和任务队列的示意图。

只要主线程空了，就会去读取"任务队列"，这就是JavaScript的运行机制。这个过程会不断重复。

三、事件和回调函数

"任务队列"是一个事件的队列（也可以理解成消息的队列），IO设备完成一项任务，就在"任务队列"中添加一个事件，表示相关的异步任务可以进入"执行栈"了。主线程读取"任务队列"，就是读取里面有哪些事件。

"任务队列"中的事件，除了IO设备的事件以外，还包括一些用户产生的事件（比如鼠标点击、页面滚动等等）。只要指定过回调函数，这些事件发生时就会进入"任务队列"，等待主线程读取。

所谓"回调函数"（callback），就是那些会被主线程挂起来的代码。异步任务必须指定回调函数，当主线程开始执行异步任务，就是执行对应的回调函数。

"任务队列"是一个先进先出的数据结构，排在前面的事件，优先被主线程读取。主线程的读取过程基本上是自动的，只要执行栈一清空，"任务队列"上第一位的事件就自动进入主线程。但是，由于存在后文提到的"定时器"功能，主线程首先要检查一下执行时间，某些事件只有到了规定的时间，才能返回主线程。

四、Event Loop

主线程从"任务队列"中读取事件，这个过程是循环不断的，所以整个的这种运行机制又称为Event Loop（事件循环）。

为了更好地理解Event Loop，请看下图（转引自Philip Roberts的演讲《Help, I'm stuck in an event-loop》）。

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。请看下面这个例子。

var req = new XMLHttpRequest();req.open('GET', url);    req.onload = function (){};    req.onerror = function (){};    req.send();

上面代码中的req.send方法是Ajax操作向服务器发送数据，它是一个异步任务，意味着只有当前脚本的所有代码执行完，系统才会去读取"任务队列"。所以，它与下面的写法等价。

var req = new XMLHttpRequest();req.open('GET', url);req.send();req.onload = function (){};    req.onerror = function (){};

也就是说，指定回调函数的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或后面无关紧要，因为它们属于执行栈的一部分，系统总是执行完它们，才会去读取"任务队列"。

五、定时器

除了放置异步任务的事件，"任务队列"还可以放置定时事件，即指定某些代码在多少时间之后执行。这叫做"定时器"（timer）功能，也就是定时执行的代码。

定时器功能主要由setTimeout()和setInterval()这两个函数来完成，它们的内部运行机制完全一样，区别在于前者指定的代码是一次性执行，后者则为反复执行。以下主要讨论setTimeout()。

setTimeout()接受两个参数，第一个是回调函数，第二个是推迟执行的毫秒数。


console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},1000);
console.log(3);

上面代码的执行结果是1，3，2，因为setTimeout()将第二行推迟到1000毫秒之后执行。

如果将setTimeout()的第二个参数设为0，就表示当前代码执行完（执行栈清空）以后，立即执行（0毫秒间隔）指定的回调函数。


setTimeout(function(){console.log(1);}, 0);
console.log(2);

上面代码的执行结果总是2，1，因为只有在执行完第二行以后，系统才会去执行"任务队列"中的回调函数。

总之，setTimeout(fn,0)的含义是，指定某个任务在主线程最早可得的空闲时间执行，也就是说，尽可能早得执行。它在"任务队列"的尾部添加一个事件，因此要等到同步任务和"任务队列"现有的事件都处理完，才会得到执行。

HTML5标准规定了setTimeout()的第二个参数的最小值（最短间隔），不得低于4毫秒，如果低于这个值，就会自动增加。在此之前，老版本的浏览器都将最短间隔设为10毫秒。另外，对于那些DOM的变动（尤其是涉及页面重新渲染的部分），通常不会立即执行，而是每16毫秒执行一次。这时使用requestAnimationFrame()的效果要好于setTimeout()。

需要注意的是，setTimeout()只是将事件插入了"任务队列"，必须等到当前代码（执行栈）执行完，主线程才会去执行它指定的回调函数。要是当前代码耗时很长，有可能要等很久，所以并没有办法保证，回调函数一定会在setTimeout()指定的时间执行。