大话 JS 单线程与异步
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。
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。
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
八、走在最后
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