Javascript 事件循環(huán)：微任務(wù)和宏任務(wù)

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(gòu)也很重要。

在本章中，我們首先介紹事件循環(huán)工作方式的理論細節(jié)，然后介紹該知識的實際應(yīng)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(wù)，執(zhí)行任務(wù)和進入休眠狀態(tài)等待更多任務(wù)這幾個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的無限循環(huán)。

引擎的一般算法：

1. 當有任務(wù)時：
• 從最先進入的任務(wù)開始執(zhí)行。
2. 休眠直到出現(xiàn)任務(wù)，然后轉(zhuǎn)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(wù)示例：

• 當外部腳本 ?<script src="...">? 加載完成時，任務(wù)就是執(zhí)行它。
• 當用戶移動鼠標時，任務(wù)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(wù)就是執(zhí)行其回調(diào)。
• ……諸如此類。

設(shè)置任務(wù) —— 引擎處理它們 —— 然后等待更多任務(wù)（即休眠，幾乎不消耗 CPU 資源）。

一個任務(wù)到來時，引擎可能正處于繁忙狀態(tài)，那么這個任務(wù)就會被排入隊列。

多個任務(wù)組成了一個隊列，即所謂的“宏任務(wù)隊列”（v8 術(shù)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(wù)，這些任務(wù)組成了一個隊列，如上圖所示。

隊列中的任務(wù)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)：

1. 引擎執(zhí)行任務(wù)時永遠不會進行渲染（render）。如果任務(wù)執(zhí)行需要很長一段時間也沒關(guān)系。僅在任務(wù)完成后才會繪制對 DOM 的更改。
2. 如果一項任務(wù)執(zhí)行花費的時間過長，瀏覽器將無法執(zhí)行其他任務(wù)，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(yīng)”之類的警報，建議你終止這個任務(wù)。這種情況常發(fā)生在有大量復(fù)雜的計算或?qū)е滤姥h(huán)的程序錯誤時。

以上是理論知識。現(xiàn)在，讓我們來看看如何應(yīng)用這些知識。

用例 1：拆分 CPU 過載任務(wù)

假設(shè)我們有一個 CPU 過載任務(wù)。

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(wù)。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(guān)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(wù)拆分成多個小任務(wù)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(wù)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(jié)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(wù)
  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(diào)用來拆分這個任務(wù)：

let i = 0;

let start = Date.now();

function count() {

  // 做繁重的任務(wù)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(diào)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 (**)：

1. 首先執(zhí)行計數(shù)：?i=1...1000000?。
2. 然后執(zhí)行計數(shù)：?i=1000001..2000000?。
3. ……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(wù)（例如 onclick 事件），則該任務(wù)會被排入隊列，然后在第一部分執(zhí)行結(jié)束時，并在下一部分開始執(zhí)行前，會執(zhí)行該副任務(wù)。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(yīng)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(wù)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(diào)度（scheduling）移動到 count() 的開頭：

let i = 0;

let start = Date.now();

function count() {

  // 將調(diào)度（scheduling）移動到開頭
  if (i < 1e9 - 1e6) {
    setTimeout(count); // 安排（schedule）新的調(diào)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(diào)用 count() 時，會看到我們需要對 count() 進行更多調(diào)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(yīng)該還記得，多個嵌套的 setTimeout 調(diào)用在瀏覽器中的最小延遲為 4ms。即使我們設(shè)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(wù)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(wù)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(wù)完成后，才會對 DOM 中的更改進行繪制，無論這個任務(wù)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(nèi)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(wù)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(wù)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(wù)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 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(wù)和微任務(wù)

除了本章中所講的 宏任務(wù)（macrotask） 外，還有在 微任務(wù)（Microtask） 一章中提到的 微任務(wù)（microtask）。

微任務(wù)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(wù)。微任務(wù)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(wù)隊列中執(zhí)行。

每個宏任務(wù)之后，引擎會立即執(zhí)行微任務(wù)隊列中的所有任務(wù)，然后再執(zhí)行其他的宏任務(wù)，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？

1. ?code? 首先顯示，因為它是常規(guī)的同步調(diào)用。
2. ?promise? 第二個出現(xiàn)，因為 ?then? 會通過微任務(wù)隊列，并在當前代碼之后執(zhí)行。
3. ?timeout? 最后顯示，因為它是一個宏任務(wù)。

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(wù)，渲染等）：

微任務(wù)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(wù)之前完成。

這很重要，因為它確保了微任務(wù)之間的應(yīng)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(luò)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(wù)的一部分 (*)
    do {
      i++;
      progress.innerHTML = i;
    } while (i % 1e3 != 0);

    if (i < 1e6) {
      queueMicrotask(count);
    }

  }

  count();
</script>

總結(jié)

更詳細的事件循環(huán)算法（盡管與 規(guī)范 相比仍然是簡化過的）：

1. 從 宏任務(wù) 隊列（例如 “script”）中出隊（dequeue）并執(zhí)行最早的任務(wù)。
2. 執(zhí)行所有 微任務(wù)：
• 當微任務(wù)隊列非空時：
• 出隊（dequeue）并執(zhí)行最早的微任務(wù)。
3. 如果有變更，則將變更渲染出來。
4. 如果宏任務(wù)隊列為空，則休眠直到出現(xiàn)宏任務(wù)。
5. 轉(zhuǎn)到步驟 1。

安排（schedule）一個新的 宏任務(wù)：

• 使用零延遲的 ?setTimeout(f)?。

它可被用于將繁重的計算任務(wù)拆分成多個部分，以使瀏覽器能夠?qū)τ脩羰录鞒龇磻?yīng)，并在任務(wù)的各部分之間顯示任務(wù)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(wù)：

• 使用 ?queueMicrotask(f)?。
• promise 處理程序也會通過微任務(wù)隊列。

在微任務(wù)之間沒有 UI 或網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該阻塞事件循環(huán)的耗時長的繁重計算任務(wù)，我們可以使用 Web Workers。

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(quán)限，因此，它們對于同時使用多個 CPU 內(nèi)核的計算非常有用。

任務(wù)

下方這段代碼的輸出是什么？

重要程度: 5

console.log(1);

setTimeout(() => console.log(2));

Promise.resolve().then(() => console.log(3));

Promise.resolve().then(() => setTimeout(() => console.log(4)));

Promise.resolve().then(() => console.log(5));

setTimeout(() => console.log(6));

console.log(7);

解決方案

輸出結(jié)果為：1 7 3 5 2 6 4。

這道題其實很簡單，我們只需要知道微任務(wù)和宏任務(wù)隊列是如何工作的。

讓我們一起一步一步地看看發(fā)生了什么。

console.log(1);
// 第一行立即執(zhí)行，它輸出 `1`。
// 到目前為止，宏任務(wù)隊列和微任務(wù)隊列都是空的。

setTimeout(() => console.log(2));
// `setTimeout` 將回調(diào)添加到宏任務(wù)隊列。
// - 宏任務(wù)隊列中的內(nèi)容：
//   `console.log(2)`

Promise.resolve().then(() => console.log(3));
// 將回調(diào)添加到微任務(wù)隊列。
// - 微任務(wù)隊列中的內(nèi)容：
//   `console.log(3)`

Promise.resolve().then(() => setTimeout(() => console.log(4)));
// 帶有 `setTimeout(...4)` 的回調(diào)被附加到微任務(wù)隊列。
// - 微任務(wù)隊列中的內(nèi)容：
//   `console.log(3); setTimeout(...4)`

Promise.resolve().then(() => console.log(5));
// 回調(diào)被添加到微任務(wù)隊列
// - 微任務(wù)隊列中的內(nèi)容：
//   `console.log(3); setTimeout(...4); console.log(5)`

setTimeout(() => console.log(6));
// `setTimeout` 將回調(diào)添加到宏任務(wù)隊列
// - 宏任務(wù)隊列中的內(nèi)容：
//   `console.log(2); console.log(6)`

console.log(7);
// 立即輸出 7

總結(jié)一下：

1. 立即輸出數(shù)字 ?1? 和 ?7?，因為簡單的 ?console.log? 調(diào)用沒有使用任何隊列。
2. 然后，主代碼流程執(zhí)行完成后，開始執(zhí)行微任務(wù)隊列。
• 其中有命令行：?console.log(3); setTimeout(...4); console.log(5)?。
• 輸出數(shù)字 ?3? 和 ?5?，?setTimeout(() => console.log(4))? 將 ?console.log(4)? 調(diào)用添加到了宏任務(wù)隊列的尾部。
• 現(xiàn)在宏任務(wù)隊列中有：?console.log(2); console.log(6); console.log(4)?。
3. 當微任務(wù)隊列為空后，開始執(zhí)行宏任務(wù)隊列。并輸出 ?2?、?6? 和 ?4?。

最終，我們的到的輸出結(jié)果為：1 7 3 5 2 6 4。