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JavaScript异步编程实现过程解读

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感谢作者熊建刚授权发布。
作者:熊建刚,前端开发工程师,毕业于北京交通大学,专注前端,喜好尝试新技术,热爱分享。个人邮箱:codingfun@163.com,博客地址:http://blog.codingplayboy.com/
责编:陈秋歌,寻求报道或者投稿请发邮件至chenqg#csdn.net,或加微信:Rachel_qg。
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还记得一年前写过一篇关于JavaScript异步编程简述的文章,主要介绍了JavaScript的单线程特性与异步编程实现方式:

回调函数,发布订阅模式,Promise对象三种,关于Promise介绍的比较简略,决定再详细总结一下,既是对上一篇文章的补充,也能以更深刻的方式分享自己关于异步编程的理解。

前言

如果你有志于成为一个优秀的前端工程师,或是想要深入学习JavaScript,异步编程是必不可少的一个知识点,这也是区分初级,中级或高级前端的依据之一。如果你对异步编程没有太清晰的概念,那么我建议你花点时间学习JavaScript异步编程,如果你对异步编程有自己的独特理解,也欢迎阅读本文,一起交流。

同步与异步

介绍异步之前,回顾一下,所谓同步编程,就是计算机一行一行按顺序依次执行代码,当前代码任务耗时执行会阻塞后续代码的执行。

同步编程,即是一种典型的请求-响应模型,当请求调用一个函数或方法后,需等待其响应返回,然后执行后续代码。

一般情况下,同步编程,代码按序依次执行,能很好的保证程序的执行,但是在某些场景下,比如读取文件内容,或请求服务器接口数据,需要根据返回的数据内容执行后续操作,读取文件和请求接口直到数据返回这一过程是需要时间的,网络越差,耗费时间越长,如果按照同步编程方式实现,在等待数据返回这段时间,JavaScript是不能处理其他任务的,此时页面的交互,滚动等任何操作也都会被阻塞,这显然是及其不友好,不可接受的,而这正是需要异步编程大显身手的场景,如下图,耗时任务A会阻塞任务B的执行,等到任务A执行完才能继续执行B:

同步编程任务阻塞流程

当使用异步编程时,在等待当前任务的响应返回之前,可以继续执行后续代码,即当前执行任务不会阻塞后续执行。

异步编程,不同于同步编程的请求-响应模式,其是一种事件驱动编程,请求调用函数或方法后,无需立即等待响应,可以继续执行其他任务,而之前任务响应返回后可以通过状态、通知和回调来通知调用者。

多线程

前面说明了异步编程能很好的解决同步编程阻塞的问题,那么实现异步的方式有哪些呢?通常实现异步方式是多线程,如C#, 即同时开启多个线程,不同操作能并行执行,如下图,耗时任务A执行的同时,在线程二中任务B也可以执行:

多线程异步编程无阻塞流程

JavaScript单线程

JavaScript语言执行环境是单线程的,单线程在程序执行时,所走的程序路径按照连续顺序排下来,前面的必须处理好,后面的才会执行,而使用异步实现时,多个任务可以并发执行。那么JavaScript的异步编程如何实现呢,下一节将详细阐述其异步机制。

并行与并发

前文提到多线程的任务可以并行执行,而JavaScript单线程异步编程可以实现多任务并发执行,这里有必要说明一下并行与并发的区别。

  • 并行,指同一时刻内多任务同时进行;
  • 并发,指在同一时间段内,多任务同时进行着,但是某一时刻,只有某一任务执行;

通常所说的并发连接数,是指浏览器向服务器发起请求,建立TCP连接,每秒钟服务器建立的总连接数,而假如,服务器处10ms能处理一个连接,那么其并发连接数就是100。

JavaScript异步机制

本节介绍JavaScript异步机制,首先来看一个例子:


    for (var i = 0; i < 5; i ++) {
        setTimeout(function(){
            console.log(i);
        }, 0);
    }
    console.log(i);
    //5 ; 5 ; 5 ; 5; 5

应该明白最后输出的全是5:

  1. i在此处是for循环所在上下文环境的变量,有且只有一个i;
  2. 循环结束时i==5;
  3. JavaScript单线程事件处理器在线程空闲前不会执行下一事件。

如上面第三点所述,如果要真正理解以上例子中的setTimeout(),及JavaScript异步机制,需要理解JavaScript的事件循环和并发模型。

并发模型(Concurrency model)

目前,我们已经知道,JavaScript执行异步任务时,不需要等待响应返回,可以继续执行其他任务,而在响应返回时,会得到通知,执行回调或事件处理程序。那么这一切具体是如何完成的,又以什么规则或顺序运作呢?接下来我们需要解答这个问题。

注:回调和事件处理程序本质上并无区别,只是在不同情况下,不同的叫法。

前文已经提到,JavaScript异步编程使得多个任务可以并发执行,而实现这一功能的基础是JavScript拥有一个基于事件循环的并发模型。

堆栈与队列

介绍JavaScript并发模型之前,先简单介绍堆栈和队列的区别:

  • 堆(heap):内存中某一未被阻止的区域,通常存储对象(引用类型);
  • 栈(stack):后进先出的顺序存储数据结构,通常存储函数参数和基本类型值变量(按值访问);
  • 队列(queue):先进先出顺序存储数据结构。

事件循环(Event Loop)

JavaScript引擎负责解析,执行JavaScript代码,但它并不能单独运行,通常都得有一个宿主环境,一般如浏览器或Node服务器,前文说到的单线程是指在这些宿主环境创建单一线程,提供一种机制,调用JavaScript引擎完成多个JavaScript代码块的调度,执行(是的,JavaScript代码都是按块执行的),这种机制就称为事件循环(Event Loop)。

注:这里的事件与DOM事件不要混淆,可以说这里的事件包括DOM事件,所有异步操作都是一个事件,诸如ajax请求就可以看作一个request请求事件。

JavaScript执行环境中存在的两个结构需要了解:

  • 消息队列(message queue),也叫任务队列(task queue):存储待处理消息及对应的回调函数或事件处理程序;
  • 执行栈(execution context stack),也可以叫执行上下文栈:JavaScript执行栈,顾名思义,是由执行上下文组成,当函数调用时,创建并插入一个执行上下文,通常称为执行栈帧(frame),存储着函数参数和局部变量,当该函数执行结束时,弹出该执行栈帧;

注:关于全局代码,由于所有的代码都是在全局上下文执行,所以执行栈顶总是全局上下文就很容易理解,直到所有代码执行完毕,全局上下文退出执行栈,栈清空了;也即是全局上下文是第一个入栈,最后一个出栈。

任务

分析事件循环流程前,先阐述两个概念,有助于理解事件循环:同步任务和异步任务。

任务很好理解,JavaScript代码执行就是在完成任务,所谓任务就是一个函数或一个代码块,通常以功能或目的划分,比如完成一次加法计算,完成一次ajax请求;很自然的就分为同步任务和异步任务。同步任务是连续的,阻塞的;而异步任务则是不连续,非阻塞的,包含异步事件及其回调,当我们谈及执行异步任务时,通常指执行其回调函数。

事件循环流程

关于事件循环流程分解如下:

  1. 宿主环境为JavaScript创建线程时,会创建堆(heap)和栈(stack),堆内存储JavaScript对象,栈内存储执行上下文;
  2. 栈内执行上下文的同步任务按序执行,执行完即退栈,而当异步任务执行时,该异步任务进入等待状态(不入栈),同时通知线程:当触发该事件时(或该异步操作响应返回时),需向消息队列插入一个事件消息;
  3. 当事件触发或响应返回时,线程向消息队列插入该事件消息(包含事件及回调);
  4. 当栈内同步任务执行完毕后,线程从消息队列取出一个事件消息,其对应异步任务(函数)入栈,执行回调函数,如果未绑定回调,这个消息会被丢弃,执行完任务后退栈;
  5. 当线程空闲(即执行栈清空)时继续拉取消息队列下一轮消息(next tick,事件循环流转一次称为一次tick)。

使用代码可以描述如下:


    var eventLoop = [];
    var event;
    var i = eventLoop.length - 1; // 后进先出

    while(eventLoop[i]) {
        event = eventLoop[i--]; 
        if (event) { // 事件回调存在
            event();
        }
        // 否则事件消息被丢弃
    }

这里注意的一点是等待下一个事件消息的过程是同步的。

并发模型与事件循环

    var ele = document.querySelector('body');

    function clickCb(event) {
        console.log('clicked');
    }
    function bindEvent(callback) {
        ele.addEventListener('click', callback);
    }   

    bindEvent(clickCb);

针对如上代码我们可以构建如下并发模型:

JavaScript并发模型

如上图,当执行栈同步代码块依次执行完直到遇见异步任务时,异步任务进入等待状态,通知线程,异步事件触发时,往消息队列插入一条事件消息;而当执行栈后续同步代码执行完后,读取消息队列,得到一条消息,然后将该消息对应的异步任务入栈,执行回调函数;一次事件循环就完成了,也即处理了一个异步任务。

再谈setTimeout(…0)

了解了JavaScript事件循环后我们再看前文关于setTimeout(...0)的例子就比较清晰了:

setTimeout(...0)所表达的意思是:等待0秒后(这个时间由第二个参数值确定),往消息队列插入一条定时器事件消息,并将其第一个参数作为回调函数;而当执行栈内同步任务执行完毕时,线程从消息队列读取消息,将该异步任务入栈,执行;线程空闲时再次从消息队列读取消息。

再看一个实例:


    var start = +new Date();
    var arr = [];

    setTimeout(function(){
        console.log('time: ' + (new Date().getTime() - start));
    },10);

    for(var i=0;i<=1000000;i++){
        arr.push(i);
    }

执行多次输出如下:

setTimeout(...0)

setTimeout异步回调函数里我们输出了异步任务注册到执行的时间,发现并不等于我们指定的时间,而且两次时间间隔也都不同,考虑以下两点:

  • 在读取消息队列的消息时,得等同步任务完成,这个是需要耗费时间的;
  • 消息队列先进先出原则,读取此异步事件消息之前,可能还存在其他消息,执行也需要耗时;

所以异步执行时间不精确是必然的,所以我们有必要明白无论是同步任务还是异步任务,都不应该耗时太长,当一个消息耗时太长时,应该尽可能的将其分割成多个消息。

Web Workers

每个Web Worker或一个跨域的iframe都有各自的堆栈和消息队列,这些不同的文档只能通过postMessage方法进行通信,当一方监听了message事件后,另一方才能通过该方法向其发送消息,这个message事件也是异步的,当一方接收到另一方通过postMessage方法发送来的消息后,会向自己的消息队列插入一条消息,而后续的并发流程依然如上文所述。

JavaScript异步实现

关于JavaScript的异步实现,以前有:回调函数,发布订阅模式,Promise三类,而在ES6中提出了生成器(Generator)方式实现,关于回调函数和发布订阅模式实现可参见另一篇文章,后续将推出一篇详细介绍Promise和Generator。

参考:

Concurrency model and Event Loop

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