JavaScript 單線程模型

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單線程模型指的是，JavaScript只在一個(gè)線程上運(yùn)行。也就是說(shuō)，JavaScript同時(shí)只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，其他任務(wù)都必須在后面排隊(duì)等待。

注意，JavaScript只在一個(gè)線程上運(yùn)行，不代表JavaScript引擎只有一個(gè)線程。事實(shí)上，JavaScript引擎有多個(gè)線程，單個(gè)腳本只能在一個(gè)線程上運(yùn)行，其他線程都是在后臺(tái)配合。

JavaScript之所以采用單線程，而不是多線程，跟歷史有關(guān)系。JavaScript從誕生起就是單線程，原因是不想讓瀏覽器變得太復(fù)雜，因?yàn)槎嗑€程需要共享資源、且有可能修改彼此的運(yùn)行結(jié)果，對(duì)于一種網(wǎng)頁(yè)腳本語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，這就太復(fù)雜了。比如，假定JavaScript同時(shí)有兩個(gè)線程，一個(gè)線程在某個(gè)DOM節(jié)點(diǎn)上添加內(nèi)容，另一個(gè)線程刪除了這個(gè)節(jié)點(diǎn)，這時(shí)瀏覽器應(yīng)該以哪個(gè)線程為準(zhǔn)？所以，為了避免復(fù)雜性，從一誕生，JavaScript就是單線程，這已經(jīng)成了這門(mén)語(yǔ)言的核心特征，將來(lái)也不會(huì)改變。

為了利用多核CPU的計(jì)算能力，HTML5提出Web Worker標(biāo)準(zhǔn)，允許JavaScript腳本創(chuàng)建多個(gè)線程，但是子線程完全受主線程控制，且不得操作DOM。所以，這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有改變JavaScript單線程的本質(zhì)。

單線程模型帶來(lái)了一些問(wèn)題，主要是新的任務(wù)被加在隊(duì)列的尾部，只有前面的所有任務(wù)運(yùn)行結(jié)束，才會(huì)輪到它執(zhí)行。如果有一個(gè)任務(wù)特別耗時(shí)，后面的任務(wù)都會(huì)停在那里等待，造成瀏覽器失去響應(yīng)，又稱“假死”。為了避免“假死”，當(dāng)某個(gè)操作在一定時(shí)間后仍無(wú)法結(jié)束，瀏覽器就會(huì)跳出提示框，詢問(wèn)用戶是否要強(qiáng)行停止腳本運(yùn)行。

如果排隊(duì)是因?yàn)橛?jì)算量大，CPU忙不過(guò)來(lái)，倒也算了，但是很多時(shí)候CPU是閑著的，因?yàn)镮O設(shè)備（輸入輸出設(shè)備）很慢（比如Ajax操作從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)），不得不等著結(jié)果出來(lái)，再往下執(zhí)行。JavaScript語(yǔ)言的設(shè)計(jì)者意識(shí)到，這時(shí)CPU完全可以不管IO設(shè)備，掛起處于等待中的任務(wù)，先運(yùn)行排在后面的任務(wù)。等到IO設(shè)備返回了結(jié)果，再回過(guò)頭，把掛起的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行下去。這種機(jī)制就是JavaScript內(nèi)部采用的Event Loop機(jī)制。

JavaScript運(yùn)行時(shí)，除了一個(gè)運(yùn)行線程，引擎還提供一個(gè)消息隊(duì)列（message queue），里面是各種需要當(dāng)前程序處理的消息。新的消息進(jìn)入隊(duì)列的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)排在隊(duì)列的尾端。

運(yùn)行線程只要發(fā)現(xiàn)消息隊(duì)列不為空，就會(huì)取出排在第一位的那個(gè)消息，執(zhí)行它對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。等到執(zhí)行完，再取出排在第二位的消息，不斷循環(huán)，直到消息隊(duì)列變空為止。

每條消息與一個(gè)回調(diào)函數(shù)相聯(lián)系，也就是說(shuō)，程序只要收到這條消息，就會(huì)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的函數(shù)。另一方面，進(jìn)入消息隊(duì)列的消息，必須有對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。否則這個(gè)消息就會(huì)遺失，不會(huì)進(jìn)入消息隊(duì)列。舉例來(lái)說(shuō)，鼠標(biāo)點(diǎn)擊就會(huì)產(chǎn)生一條消息，報(bào)告click事件發(fā)生了。如果沒(méi)有回調(diào)函數(shù)，這個(gè)消息就遺失了。如果有回調(diào)函數(shù)，這個(gè)消息進(jìn)入消息隊(duì)列。等到程序收到這個(gè)消息，就會(huì)執(zhí)行click事件的回調(diào)函數(shù)。

另一種情況是setTimeout會(huì)在指定時(shí)間向消息隊(duì)列添加一條消息。如果消息隊(duì)列之中，此時(shí)沒(méi)有其他消息，這條消息會(huì)立即得到處理；否則，這條消息會(huì)不得不等到其他消息處理完，才會(huì)得到處理。因此，setTimeout指定的執(zhí)行時(shí)間，只是一個(gè)最早可能發(fā)生的時(shí)間，并不能保證一定會(huì)在那個(gè)時(shí)間發(fā)生。

一旦當(dāng)前執(zhí)行?？樟?，消息隊(duì)列就會(huì)取出排在第一位的那條消息，傳入程序。程序開(kāi)始執(zhí)行對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，等到執(zhí)行完，再處理下一條消息。

所謂Event Loop機(jī)制，指的是一種內(nèi)部循環(huán)，用來(lái)一輪又一輪地處理消息隊(duì)列之中的消息，即執(zhí)行對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。

Wikipedia的定義是：“Event Loop是一個(gè)程序結(jié)構(gòu)，用于等待和發(fā)送消息和事件（a programming construct that waits for and dispatches events or messages in a program）”。可以就把Event Loop理解成動(dòng)態(tài)更新的消息隊(duì)列本身。

下面是一些常見(jiàn)的JavaScript任務(wù)。

• 執(zhí)行JavaScript代碼
• 對(duì)用戶的輸入（包含鼠標(biāo)點(diǎn)擊、鍵盤(pán)輸入等等）做出反應(yīng)
• 處理異步的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求

所有任務(wù)可以分成兩種，一種是同步任務(wù)（synchronous），另一種是異步任務(wù)（asynchronous）。

同步任務(wù)指的是，在JavaScript執(zhí)行進(jìn)程上排隊(duì)執(zhí)行的任務(wù)，只有前一個(gè)任務(wù)執(zhí)行完畢，才能執(zhí)行后一個(gè)任務(wù)；異步任務(wù)指的是，不進(jìn)入JavaScript執(zhí)行進(jìn)程、而進(jìn)入“任務(wù)隊(duì)列”（task queue）的任務(wù)，只有“任務(wù)隊(duì)列”通知主進(jìn)程，某個(gè)異步任務(wù)可以執(zhí)行了，該任務(wù)（采用回調(diào)函數(shù)的形式）才會(huì)進(jìn)入JavaScript進(jìn)程執(zhí)行。

以Ajax操作為例，它可以當(dāng)作同步任務(wù)處理，也可以當(dāng)作異步任務(wù)處理，由開(kāi)發(fā)者決定。如果是同步任務(wù)，主線程就等著Ajax操作返回結(jié)果，再往下執(zhí)行；如果是異步任務(wù)，該任務(wù)直接進(jìn)入“任務(wù)隊(duì)列”，JavaScript進(jìn)程跳過(guò)Ajax操作，直接往下執(zhí)行，等到Ajax操作有了結(jié)果，JavaScript進(jìn)程再執(zhí)行對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。

也就是說(shuō)，雖然JavaScript只有一個(gè)進(jìn)程用來(lái)執(zhí)行，但是并行的還有其他進(jìn)程（比如，處理定時(shí)器的進(jìn)程、處理用戶輸入的進(jìn)程、處理網(wǎng)絡(luò)通信的進(jìn)程等等）。這些進(jìn)程通過(guò)向任務(wù)隊(duì)列添加任務(wù)，實(shí)現(xiàn)與JavaScript進(jìn)程通信。

想要理解Event Loop，就要從程序的運(yùn)行模式講起。運(yùn)行以后的程序叫做“進(jìn)程”（process），一般情況下，一個(gè)進(jìn)程一次只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。如果有很多任務(wù)需要執(zhí)行，不外乎三種解決方法。

1. 排隊(duì)。因?yàn)橐粋€(gè)進(jìn)程一次只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，只好等前面的任務(wù)執(zhí)行完了，再執(zhí)行后面的任務(wù)。

2. 新建進(jìn)程。使用fork命令，為每個(gè)任務(wù)新建一個(gè)進(jìn)程。

3. 新建線程。因?yàn)檫M(jìn)程太耗費(fèi)資源，所以如今的程序往往允許一個(gè)進(jìn)程包含多個(gè)線程，由線程去完成任務(wù)。

如果某個(gè)任務(wù)很耗時(shí)，比如涉及很多I/O（輸入/輸出）操作，那么線程的運(yùn)行大概是下面的樣子。

上圖的綠色部分是程序的運(yùn)行時(shí)間，紅色部分是等待時(shí)間?？梢钥吹?，由于I/O操作很慢，所以這個(gè)線程的大部分運(yùn)行時(shí)間都在空等I/O操作的返回結(jié)果。這種運(yùn)行方式稱為”同步模式”（synchronous I/O）。

如果采用多線程，同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，那很可能就是下面這樣。

上圖表明，多線程不僅占用多倍的系統(tǒng)資源，也閑置多倍的資源，這顯然不合理。

上圖主線程的綠色部分，還是表示運(yùn)行時(shí)間，而橙色部分表示空閑時(shí)間。每當(dāng)遇到I/O的時(shí)候，主線程就讓Event Loop線程去通知相應(yīng)的I/O程序，然后接著往后運(yùn)行，所以不存在紅色的等待時(shí)間。等到I/O程序完成操作，Event Loop線程再把結(jié)果返回主線程。主線程就調(diào)用事先設(shè)定的回調(diào)函數(shù)，完成整個(gè)任務(wù)。

可以看到，由于多出了橙色的空閑時(shí)間，所以主線程得以運(yùn)行更多的任務(wù)，這就提高了效率。這種運(yùn)行方式稱為”異步模式“（asynchronous I/O）。

這正是JavaScript語(yǔ)言的運(yùn)行方式。單線程模型雖然對(duì)JavaScript構(gòu)成了很大的限制，但也因此使它具備了其他語(yǔ)言不具備的優(yōu)勢(shì)。如果部署得好，JavaScript程序是不會(huì)出現(xiàn)堵塞的，這就是為什么node.js平臺(tái)可以用很少的資源，應(yīng)付大流量訪問(wèn)的原因。

如果有大量的異步任務(wù)（實(shí)際情況就是這樣），它們會(huì)在“消息隊(duì)列”中產(chǎn)生大量的消息。這些消息排成隊(duì)，等候進(jìn)入主線程。本質(zhì)上，“消息隊(duì)列”就是一個(gè)“先進(jìn)先出”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。比如，點(diǎn)擊鼠標(biāo)就產(chǎn)生一系列消息（各種事件），mousedown事件排在mouseup事件前面，mouseup事件又排在click事件的前面。