细说JavaScript单线程的一些事

标签： JavaScript 单线程

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最近被同学问道 JavaScript 单线程的一些事，我竟回答不上。好吧，感觉自己的 JavaScript 白学了。下面是我这几天整理的一些关于 JavaScript 单线程的一些事。

首先，说下为什么 JavaScript 是单线程？

总所周知，JavaScript 是以单线程的方式运行的。说到线程就自然联想到进程。那它们有什么联系呢？

进程和线程都是操作系统的概念。进程是应用程序的执行实例，每一个进程都是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它系统资源所组成；进程在运行过程中能够申请创建和使用系统资源（如独立的内存区域等），这些资源也会随着进程的终止而被销毁。而线程则是进程内的一个独立执行单元，在不同的线程之间是可以共享进程资源的，所以在多线程的情况下，需要特别注意对临界资源的访问控制。在系统创建进程之后就开始启动执行进程的主线程，而进程的生命周期和这个主线程的生命周期一致，主线程的退出也就意味着进程的终止和销毁。主线程是由系统进程所创建的，同时用户也可以自主创建其它线程，这一系列的线程都会并发地运行于同一个进程中。

显然，在多线程操作下可以实现应用的并行处理，从而以更高的 CPU 利用率提高整个应用程序的性能和吞吐量。特别是现在很多语言都支持多核并行处理技术，然而 JavaScript 却以单线程执行，为什么呢？

其实这与它的用途有关。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。若以多线程的方式操作这些 DOM，则可能出现操作的冲突。假设有两个线程同时操作一个 DOM 元素，线程 1 要求浏览器删除 DOM，而线程 2 却要求修改 DOM 样式，这时浏览器就无法决定采用哪个线程的操作。当然，我们可以为浏览器引入“锁”的机制来解决这些冲突，但这会大大提高复杂性，所以 JavaScript 从诞生开始就选择了单线程执行。

另外，因为 JavaScript 是单线程的，在某一时刻内只能执行特定的一个任务，并且会阻塞其它任务执行。那么对于类似 I/O 等耗时的任务，就没必要等待他们执行完后才继续后面的操作。在这些任务完成前，JavaScript 完全可以往下执行其他操作，当这些耗时的任务完成后则以回调的方式执行相应处理。这些就是 JavaScript 与生俱来的特性：异步与回调。

当然对于不可避免的耗时操作（如：繁重的运算，多重循环），HTML5 提出了Web Worker，它会在当前 JavaScript 的执行主线程中利用 Worker 类新开辟一个额外的线程来加载和运行特定的 JavaScript 文件，这个新的线程和 JavaScript 的主线程之间并不会互相影响和阻塞执行，而且在 Web Worker 中提供了这个新线程和 JavaScript 主线程之间数据交换的接口：postMessage 和 onMessage 事件。但在 HTML5 Web Worker 中是不能操作 DOM 的，任何需要操作 DOM 的任务都需要委托给 JavaScript 主线程来执行，所以虽然引入 HTML5 Web Worker，但仍然没有改线 JavaScript 单线程的本质。

并发模式与 Event Loop

JavaScript 有个基于“Event Loop”并发的模型。
啊，并发？不是说 JavaScript 是单线程吗？ 没错，的确是单线程，但是并发与并行是有区别的。
前者是逻辑上的同时发生，而后者是物理上的同时发生。所以，单核处理器也能实现并发。

并发与并行

并行大家都好理解，而所谓“并发”是指两个或两个以上的事件在同一时间间隔中发生。如上图的第一个表，由于计算机系统只有一个 CPU，故 ABC 三个程序从“微观”上是交替使用 CPU，但交替时间很短，用户察觉不到，形成了“宏观”意义上的并发操作。

Runtime 概念

下面的内容解释一个理论上的模型。现代 JavaScript 引擎已着重实现和优化了以下所描述的几个概念。

Stack（栈）

这里放着 JavaScript 正在执行的任务。每个任务被称为帧（stack of frames）。

function f(b) {
  var a = 12;
  return a + b + 35;
}

function g(x) {
  var m = 4;
  return f(m * x);
}

g(21);

上述代码调用 g 时，创建栈的第一帧，该帧包含了 g 的参数和局部变量。当 g 调用 f 时，第二帧就会被创建，并且置于第一帧之上，当然，该帧也包含了 f 的参数和局部变量。当 f 返回时，其对应的帧就会出栈。同理，当 g 返回时，栈就为空了（栈的特定就是后进先出 Last-in first-out (LIFO)）。

Heap（堆）

一个用来表示内存中一大片非结构化区域的名字，对象都被分配在这。

Queue（队列）

一个 JavaScript runtime 包含了一个任务队列，该队列是由一系列待处理的任务组成。而每个任务都有相对应的函数。当栈为空时，就会从任务队列中取出一个任务，并处理之。该处理会调用与该任务相关联的一系列函数（因此会创建一个初始栈帧）。当该任务处理完毕后，栈就会再次为空。（Queue的特点是先进先出 First-in First-out (FIFO)）。

为了方便描述与理解，作出以下约定：

• Stack 栈为主线程
• Queue 队列为任务队列（等待调度到主线程执行）

OK，上述知识点帮助我们理清了一个 JavaScript runtime 的相关概念，这有助于接下来的分析。

Event Loop

之所以被称为 Event loop，是因为它以以下类似方式实现：

while(queue.waitForMessage()) {
  queue.processNextMessage();
}

正如上述所说，“任务队列”是一个事件的队列，如果 I/O 设备完成任务或用户触发事件（该事件指定了回调函数），那么相关事件处理函数就会进入“任务队列”，当主线程空闲时，就会调度“任务队列”里第一个待处理任务（FIFO）。当然，对于定时器，当到达其指定时间时，才会把相应任务插到“任务队列”尾部。

“执行至完成”

每当某个任务执行完后，其它任务才会被执行。也就是说，当一个函数运行时，它不能被取代且会在其它代码运行前先完成。
当然，这也是 Event Loop 的一个缺点：当一个任务完成时间过长，那么应用就不能及时处理用户的交互（如点击事件），甚至导致该应用奔溃。一个比较好解决方案是：将任务完成时间缩短，或者尽可能将一个任务分成多个任务执行。

绝不阻塞

JavaScript 与其它语言不同，其 Event Loop 的一个特性是永不阻塞。I/O 操作通常是通过事件和回调函数处理。所以，当应用等待 indexedDB 或 XHR 异步请求返回时，其仍能处理其它操作（如用户输入）。

例外是存在的，如 alert 或者同步 XHR，但避免它们被认为是最佳实践。注意的是，例外的例外也是存在的（但通常是实现错误而非其它原因)。

定时器

定时器的一些概念

上面也提到，在到达指定时间时，定时器就会将相应回调函数插入“任务队列”尾部。这就是“定时器（timer）”功能。

定时器 包括 setTimeout 与 setInterval 两个方法。它们的第二个参数是指定其回调函数推迟每隔多少毫秒数后执行。

对于第二个参数有以下需要注意的地方：

• 当第二个参数缺省时，默认为 0；
• 当指定的值小于 4 毫秒，则增加到 4ms（4ms 是 HTML5 标准指定的，对于 2010 年及之前的浏览器则是 10ms）；

如果你理解上述知识，那么以下代码就应该对你没什么问题了：

console.log(1);
setTimeout(function() {
  console.log(2);
},10);
console.log(3);
// 输出：1 3 2

深入了解定时器

零延迟 setTimeout(func, 0)

零延迟并不是意味着回调函数立刻执行。它取决于主线程当前是否空闲与“任务队列”里其前面正在等待的任务。

看看以下代码：

(function () {

  console.log('this is the start');

  setTimeout(function cb() {
    console.log('this is a msg from callback');
  });

  console.log('this is just a message');

  setTimeout(function cb1() {
    console.log('this is a msg from callback1');
  }, 0);

  console.log('this is the end');

})();

// 输出如下：
this is the start
this is just a message
this is the end
undefined // 立即调用函数的返回值
this is a msg from callback
this is a msg from callback1

setTimeout(func, 0) 的作用

• 让浏览器渲染当前的元素更改（浏览器将 UI render 和 JavaScript 的执行是放在一个线程中，线程阻塞会导致界面无法更新渲染）
• 重新评估“scriptis running too long”警告
• 改变执行顺序

再看看以下代码：

<button id='do'> Do long calc!</button>
<div id='status'></div>
<div id='result'></div>


$('#do').on('click', function() {
  
  // 此处会触发 redraw 事件，但会放到队列里执行，直到 long() 执行完。
  $('#status').text('calculating....');

  // 没设定定时器，用户将无法看到 “calculating...”
  // 这是因为“calculation”的 redraw 事件会紧接在
  // “calculating...”的 redraw 事件后执行
  long(); // 执行长时间任务，造成阻塞

  // 设定了定时器，用户就如期看到“calculating...”
  // 大约 50ms 后，将耗时长的 long 回调函数插入“任务队列”末尾，
  // 根据先进先出原则，其将在 redraw 之后被调度到主线程执行
  //setTimeout(long,50);

});

function long() {
  var result = 0;
  for (var i = 0; i<1000; i++){
    for (var j = 0; j<1000; j++){
      for (var k = 0; k<1000; k++){
        result = result + i+j+k;
      }
    } 
  }
  // 在本案例中，该语句必须放到这里，这将使它与回调函数的行为类似
  $('#status').text('calculation done');
}

正版与翻版 setInterval 的区别

大家都可能知道通过 setTimeout 可以模仿 setInterval 的效果，下面我们看看以下代码的区别：

// 利用 setTimeout 模仿 setInterval
setTimeout(function() {
  /* 执行一些操作. */
  setTimeout(arguments.callee, 1000);
}, 1000);

setInterval(function() {
  /* 执行一些操作 */
}, 1000);

可能你认为这没什么区别。的确，当回调函数里的操作耗时很短时，并不能看出它们有什么区别。
其实：上面案例中的 setTimeout 总是会在其回调函数执行后延迟 1000ms（或者更多，但不可能少）再次执行回调函数，从而实现 setInterval 的效果，而 setInterval 总是 1000ms 执行一次，而不管它的回调函数执行多久。

所以，如果 setInterval 的回调函数执行时间比你指定的间隔时间相等或者更长，那么其回调函数会连在一起执行。

你可以试试运行以下代码：

var counter = 0;
  var initTime = new Date().getTime();
  var timer = setInterval(function() {
    if(counter===2) {
      clearInterval(timer);
    }
    if(counter === 0) {
      for(var i = 0; i < 1990000000; i++) {
        ;
      }
    }

    console.log("第"+counter+"次：" + (new Date().getTime() - initTime) + " ms");

    counter++;
},1000);

我电脑 Chrome 浏览器的输入如下：

第0次：2007 ms
第1次：2013 ms
第2次：3008 ms

从上面的执行结果可看出，第一次和第二次执行间隔很短（不足 1000ms）。

浏览器

浏览器不是单线程的

上面说了这么多关于 JavaScript 是单线程的，下面说说其宿主环境——浏览器。
浏览器的内核是多线程的，它们在内核制控下相互配合以保持同步，一个浏览器至少实现三个常驻线程：

1. JavaScript 引擎线程 JavaScript 引擎是基于事件驱动单线程执行的，JavaScript 引擎一直等待着任务队列中任务的到来，然后加以处理。
2. GUI 渲染线程 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。但需要注意 GUI 渲染线程与 JavaScript 引擎是互斥的，当 JavaScript 引擎执行时 GUI 线程会被挂起，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。
3. 浏览器事件触发线程事件触发线程，当一个事件被触发时该线程会把事件添加到“任务队列”的队尾，等待 JavaScript 引擎的处理。这些事件可来自 JavaScript 引擎当前执行的代码块如 setTimeOut、也可来自浏览器内核的其他线程如鼠标点击、AJAX 异步请求等，但由于 JavaScript 是单线程执行的，所有这些事件都得排队等待 JavaScript 引擎处理。

在 Chrome 浏览器中，为了防止因一个标签页奔溃而影响整个浏览器，其每个标签页都是一个进程（Renderer Process）。当然，对于同一域名下的标签页是能够相互通讯的，具体可看 浏览器跨标签通讯。在 Chrome 设计中存在很多的进程，并利用进程间通讯来完成它们之间的同步，因此这也是 Chrome 快速的法宝之一。对于 Ajax 的请求也需要特殊线程来执行，当需要发送一个 Ajax 请求时，浏览器会开辟一个新的线程来执行 HTTP 的请求，它并不会阻塞 JavaScript 线程的执行，当 HTTP 请求状态变更时，相应事件会被作为回调放入到“任务队列”中等待被执行。

看看以下代码：

document.onclick = function() {
  console.log("click");
}

for(var i = 0; i< 100000000; i++);

解释一下代码：首先向 document 注册了一个 click 事件，然后就执行了一段耗时的 for 循环，在这段 for 循环结束前，你可以尝试点击页面。当耗时操作结束后，console 控制台就会输出之前点击事件的“click”语句。这证明了点击事件（也包括其它各种事件）是由额外单独的线程触发的，事件触发后就会将回调函数放进了“任务队列”的末尾，等待着 JavaScript 主线程的执行。

总结

• JavaScript 是单线程的，同一时刻只能执行特定的任务，而浏览器是多线程的。
• 异步任务（各种浏览器事件、定时器等）都是先添加到“任务队列”（定时器则到达其指定参数时）。当 Stack 栈（JavaScript 主线程）为空时，就会读取 Queue 队列（任务队列）的第一个任务（队首），然后执行。

JavaScript 为了避免复杂性，而实现单线程执行。而如今 JavaScript 却变得越来越不简单了，当然这也是 JavaScript 迷人的地方。

后续更新（回复网友的问题）

1. 关于"setTimeout(func, 0)的作用"一节中，redraw事件发生后，事件处理函数被插入任务队列，等待当前栈中long函数执行完毕再执行。此时通过setTimeout(long,0)即可将long函数插到任务队列中redraw事件处理函数的后面。事实上Chrome中也确实是这么处理的（我的版本号是55.0.2883.87 m），可是最新的火狐和Edge都至少要将延时设置为15ms以上，请问这是为什么？

答：恩，这的确取决于浏览器的内部实现。

昨晚，我看了Chrome（chromium）的定时器源码实现：

一些变量的定义：

static const int maxIntervalForUserGestureForwarding = 1000; // One second matches Gecko.
static const int maxTimerNestingLevel = 5;
static const double oneMillisecond = 0.001;
// Chromium uses a minimum timer interval of 4ms. We'd like to go
// lower; however, there are poorly coded websites out there which do
// create CPU-spinning loops.  Using 4ms prevents the CPU from
// spinning too busily and provides a balance between CPU spinning and
// the smallest possible interval timer.
static const double minimumInterval = 0.004;

定时器的部分实现：

DOMTimer::DOMTimer(ExecutionContext* context, ScheduledAction* action, int interval, bool singleShot, int timeoutID)
    : SuspendableTimer(context)
    , m_timeoutID(timeoutID)
    , m_nestingLevel(context->timers()->timerNestingLevel() + 1)
    , m_action(action)
{
    ASSERT(timeoutID > 0);
    if (shouldForwardUserGesture(interval, m_nestingLevel))
        m_userGestureToken = UserGestureIndicator::currentToken();

    InspectorInstrumentation::asyncTaskScheduled(context, singleShot ? "setTimeout" : "setInterval", this, !singleShot);

    double intervalMilliseconds = std::max(oneMillisecond, interval * oneMillisecond);
    if (intervalMilliseconds < minimumInterval && m_nestingLevel >= maxTimerNestingLevel)
        intervalMilliseconds = minimumInterval;
    if (singleShot)
        startOneShot(intervalMilliseconds, BLINK_FROM_HERE);
    else
        startRepeating(intervalMilliseconds, BLINK_FROM_HERE);
}

从上述代码可看出：Chrome 实现的定时器的最小时间间隔是 1ms。只有满足 intervalMilliseconds < minimumInterval && m_nestingLevel >= maxTimerNestingLevel 该条件时，定时器的最小时间间隔才是 4ms。

因此，各浏览器是往响应更快的方向发展的。

对于你提问的“在Edge和火狐上，redraw事件和setTimeout执行顺序问题”，也同样取决于浏览器的内部实现。

我在我电脑的Edge和火狐浏览器上进行测试，当时间间隔较小时（如 0~10ms），redraw和setTimeout的执行顺序是不固定的。

因此，这需要你经过足够多的测试，得到一个相对安全的时间值，以确保执行顺序的正确性。

参考资料：

1. JavaScript 运行机制详解：再谈Event Loop
2. JavaScript单线程和浏览器事件循环简述
3. Javascript是单线程的深入分析
4. Concurrency model and Event Loop
5. 也谈setTimeout
6. 单线程的Javascript

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本文作者：码农网 – 刘健超
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