精读Javascript系列（八）事件循环细则 II: NodeJS事件循环相关

前言

本篇也是过渡篇，主要补充NodeJS的重点和难点。

嘛，废话不多说，正文开始。

NodeJS

首先，理解 NodeJS 有一个很重要的前提，就是知道它究竟是 单线程的，还是 多线程 的？

还是如以往一样，越是简单的问题答案就每个人的答案就越是令人迷惑；
实践是检验真理的唯一标准，最后看看 node线程数就知道了——7个，所以它是多线程的。
但是为何有人说它是 单线程 呢？

单线程这个说法应该被严重曲解的，导致出现了一些误导性； 完整说法应该是 NodeJS运行Javascript代码只有一个线程， 这个特征与浏览器如出一辙，浏览器运行Javascript也是单线程的。然而却不能说浏览器就是单线程，同样的NodeJS也是这个道理。

所以从根本上来说，NodeJS只有一个运行JS的主线程，它也是负责事件循环的线程； 与其他异步模型一般，它永远不会阻塞。 Node官网的事件循环，太过简洁了在细节方面做得不够详尽，因此只能参考实现它的组件——libuv（但这个细节也太多了）。

NodeJS 的事件循环其实是由 libuv 实现的，所以只有理解了 libuv 的事件循环才能算彻底理解了 nodejs 的事件循环。libuv 实现机制要细说三天三夜也讲不完， 所以长话短说——

1. libuv 负责收集所有事件（它也可能会来自外部、也包括内核的）
2. 针对这些事件注册回调函数
3. 事件发生后被执行回调函数。

其实原理与浏览器环境大同小异，都是采用消息传递的异步通信方式，并且都是基于事件循环来执行代码的。不过要注意的是Node 程序处理最多的不是 页面渲染， 而是 输入和输出，统称作IO， 例如文件读写、网络请求等等，这类操作统一特点都是阻塞（响应时间超长）的，传统的读写事件都是同步的，也就是说在获取文件全部内容之前，根本无法做任何事情，自然也效率低下，我们的任务就是狠狠的压榨CPU性能。

libuv便是上面问题的一个解决方案，基本思路是将一些阻塞任务（主要是IO，网络请求.etc）这类阻塞任务分配到工作线程中等待稍后执行，这些工作线程会统一保存在线程池中；然后开启事件循环一一处理。 至于一次能处理多少事件（可能一次事件循环爆发式接收到500个请求），取决于计算机硬件。

所以，理解 nodejs 事件循环， 还是要从 libuv事件循环开始。
下面是官网给出的事件循环示意图：
libuv 概览图：

理解事件循环难点：

• 在主模块代码结束后，事件注册才会完成。一旦有注册的事件，就必然会产生一个handler，它可以标识任务的上下文（术语：事件句柄、文件描述符）但这时还没有正式开启事件循环。
• 当有handler存在，初始化线程池。然后将已经注册事件的handler分配到线程池的对应workthread中。例如setTimeout的handlers(Timer)会分配到Timer， setImmediate的handler(CheckHandler)分配到Check， 其他事件分配到poll中统一处理。
• 开启事件循环，然后更新事件循环的handler计数 ； 现在能够看出，事件循环的每个phase其实都保存在了线程池中。
• 也正因为如此，phase并不是严守顺序的；或是说它是跳跃性的。例如当第一次进行事件循环时，Timer没有到期，所以不会执行回调。但反过来说一旦到期就一定会执行回调。由于没有需要异步完成的IO Callback，所以不会进入pending callback。
• 因此，首次事件循环会直接跳跃到poll阶段完成IO Callback。poll阶段极其特殊，它有一个阻塞时长，如果Callback在阻塞时长内没有完成，相应的io callback将异步完成，即在下一个事件循环的pending callback处理完所有剩余的callback。同样的道理，如果在阻塞时长内存在setImmediate的回调，那么就会立即进入到check阶段（不用在意几回合事件循环）。
• 每个事件循环跳跃到下一个事件循环前，都会有一个Close Handler过程，它会清理掉完成状态（done=true）的handler，更新事件循环的引用计数等等。

事件循环的核心，poll阶段的总结就是（有点都合主义的味道）：

1. 计算Poll阶段的阻塞时间(即Timeout)
2. 执行已发生事件的回调函数，但还有：
   1. 是否有nextTick和microtasks? 如果有则执行，否则继续
   2. 检查是否有setImmediate回调，如果有执行回调然后进入Check阶段。
   3. 若无，继续。
3. 在阻塞时间内等待事件发生，如果存在Timer，那么阻塞时间是最近的Timer到期时间，否则不限制阻塞时间：
   1. 若有事件发生，立即执行相应的回调函数，此步骤完全等价于(2)
   2. 若无则继续等待下去（直至node 停止监听、或没有活跃的handler）。
   3. 如果在阻塞时间内仍有未回调完成的任务（handler），挂起在下一个事件循环的pending callback阶段排队处理。
4. 超过阻塞时间后，进入下一个事件循环，执行到期Timer。
   1. 此时不再有可用setImmediate回调，因此前移。
   2. 阻塞时间是最近的Timer到期时间

特别注意：

• (2)实际上是(3)其中的一个步骤，但是分离出来更容易理解一些。
• 虽然官网说是绕回，但是我觉得这里应该是前移到下一个事件循环中更准确一点。这是和nodejs官网矛盾点。
  想要了解libuv事件循环所有细节的，可以直接跳到后面。

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setTimeout VS setImmediate

这是很令人兴奋的话题，它们到底谁更优先？ 事实上它们并没有优先级关系，因为事件循环没办法用顺序去理解，因此不要用谁优先谁就执行原则，而是谁触发谁就必须执行原则。

注意两点：

1. setTimeout是到期立即执行
2. setImmediate是进入到check阶段后执行。

也就是说，Timer与CheckHandler是没有逻辑上的必然关系的。

例如：

setTimeout(()=>{
    var start = Date.now();
    setTimeout(()=>{
        console.log('------------------');
        console.log('timeout 1 = '+(Date.now()-start)+'ms');
    })

    setTimeout(()=>{
        console.log('------------------');
        console.log('timeout 2 = '+(Date.now()-start)+'ms');
    })

    setImmediate(()=>{
        console.log('------------------');
        console.log('check 1 = '+(Date.now()-start)+'ms');
    })

    setImmediate(()=>{
        console.log('------------------');
        console.log('check 2 = '+(Date.now()-start)+'ms');
    })
})

输出结果：

------------------
check 1 = 9ms
------------------
check 2 = 10ms
------------------
timeout 1 = 11ms
------------------
timeout 2 = 11ms

从结果上看，setImmediate的回调永远先于setTimeout。

简而言之， 在Timer到期之前就已经触发了CheckHandler，因此会跳跃到Check。执行完毕后Timer必然到期，因此执行。

但是为什么在主模块setTimeout和setImmediate这两个函数是随机呢？

var start = Date.now()
setImmediate(()=>{
    console.log('------------------');
    console.log('check = '+(Date.now()-start)+'ms');
})

setTimeout(()=>{
    console.log('------------------');
    console.log('timeout = '+(Date.now()-start)+'ms');
})

输出：

timeout = 10ms
------------------
check = 12ms
------------------
check = 8ms
------------------
timeout = 9ms

说明：

• 开启事件循环后，更新now时间，如果Timer在now时间到期，那么就会直接运行。否则不会运行。简而言之，如果能够尽快进入事件循环，就不会执行Timer反之就会执行。

这个解释是在github看到的，感觉很有道理的样子。

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nextTick VS Promise

在NodeJS中，也有微任务microtasks，不过它分为两种微任务：

1. nextTick ： 即nextTick
2. otherMicrotasks：Promise。
   其中nextTick总是会先于Promise执行。无论哪种微任务，它们都能在跳跃到其他phase前执行完毕。

例如：

console.log('start');

Promise.resolve('promise 1').then(console.log)
Promise.resolve('promise 2').then(console.log)

process.nextTick(()=>{
    console.log('ha,ha,ha,ha');
    console.log('im tickObject!!');
})

console.log('end');

验证输出：

start
end
ha,ha,ha,ha
im tickObject!!
promise 1
promise 2

然后四个一起，综合来PK一下（正常版本）：

const fs = require('fs')
const start = Date.now()


fs.readFile(__filename,()=>{
    console.log('start');
    setImmediate(()=>{
        console.log('checkhandler 1');
        Promise.resolve('promise 1').then(console.log)
        console.log('-----------------------------------');
    })    
    setTimeout(()=>{
        console.log('timeout 1');
        
    })
    setImmediate(()=>{
        console.log('checkhandler 2');
        Promise.resolve('promise 2').then(console.log)
        process.nextTick(()=>{console.log('nextTick 2');
        })
        console.log('-----------------------------------');
    })  
    process.nextTick(()=>{
        console.log('nextTick 1');
        
    })  
    console.log('end');
})

输出：

start
end
nextTick 1
checkhandler 1
-----------------------------------
promise 1
checkhandler 2
-----------------------------------
nextTick 2
promise 2
timeout 1

上面的过程如下：

1. poll阶段：调用readFile，开始文件读写。
2. poll / pending_callback 阶段： 文件读写完成。开始调用回调函数：
   1. 输出 start
   2. 调用 setImmediate ; checkhandler1活跃状态
   3. 调用 setTimeout timeout 1被初始化，等待到期。
   4. 调用 setImmediate checkhandler2活跃状态
   5. 调用nextTick， 产生一个TickQueue
   6. 输出end
   7. 执行TickQueue中的所有任务，输出nextTick 1
      存在checkhandlers ， 进入check阶段
3. check阶段：处理所有的checkhandlers的回调：
   1. 执行checkhander1的回调：
      1. 输出checkhandler1
      2. Promise.resolve().then , 产生一个promiseList
      3. 输出横线
      4. 处理promiseList中所有的任务，输出promise 1
   2. 执行checkhander2的回调：
      1. 输出checkhandler2
      2. Promise.resolve().then , 产生一个promiseList
      3. nextTick， 产生一个TickQueue
      4. 输出横线
      5. 处理TickQueue所有任务，输出nextTick 2
      6. 处理promiseList所有任务，输出promise 2
Timeout到期，跳跃到Timer
4. Timer阶段： 处理Timeout回调，输出timeout 1

注意：

• 每处理完一个回调，就会调用一次nextTick或otherMicrotask
• io callback究竟是在哪个阶段完成的，是未确定的。

实际上在其他模块，也会出现随机顺序问题，例如：

const fs = require('fs')


setTimeout(()=>{
  
    fs.readFile(__filename,()=>{
        console.log('file one');
        setTimeout(()=>{
            console.log('timeout one');
        })
    })

    fs.readFile('./file.md', ()=>{
        console.log('file two');
        setTimeout(()=>{
            console.log('timeout two');
        })
    })

})

然后出现以下三种结果（更离谱的代码就没写）：

这也侧面证明了IO Callback的随机性，它的完成与文件大小也是息息相关的。左右两侧的结果是比较容易理解的，中间的是为什么？
大概率是因为file two是在pending callback阶段完成的。

1. 在poll阶段，fileone回调完成，添加一个定时器。
2. 在poll阶段，但是filetwo回调未完成， 定时器到期，立即回到Timer阶段
3. 执行Timer
4. 在pending callback，回调完成，添加一个定时器。
5. …

下面是小生看了一遍源代码得出的结论，大致上补充了点细节。不过因为linux编程这一块遗忘了不少，可能未必是正解，这方面还请多提宝贵意见。

同步转发：
https://juejin.im/post/5ed36676e51d457b3a67ccef

附注：libuv事件循环所有细节

首先要知道几个术语：

• handler来标识一个任务，事实上它就是句柄（文件描述符），总之通过它可以引用任务的一切信息：任务的回调函数、回调状态等等。
• 一个handler普遍有三种状态：初始化 、 挂起（即暂停） 、 活跃 。常用后面的两种。

开始吧：

Bootstrap/Dispatcher：

• 初始化Node环境
• 执行同步JS代码并进行事件分发（注册）。
• 初始化线程池

然后正式进入到事件循环中：

UpdateLoop：

1. 事件循环是否是活跃的（主要检查是否有活跃的handler）
2. 如果是，更新当前时间(now)，正式进入Phase I
3. 否则终止事件循环，关闭。

Phase I： Timer

1. 检查 Timer 是否到期
2. 如果到期，立即触发事件然后继续执行回调。

• 上面是最简单的，就是setTimeout/setInterval这类调用。

Phase II：Pending (IO) Callbacks

1. 检查 Pending_Queue是否有handler
2. 如果有，立即从Pending_Queue取出handler进行回调操作。
3. 如果handler中回调函数代码中存在CheckHandlers（即setImmediate(...)），那么处理完成后跳转到Phase V
4. 否则继续。

附注：

• Pending_Queue用于放置未回调完成的handler的队列。
• 一般IO Events 会在这个阶段完成处理。例如：文件操作时抛出异常、读取完成然后执行回调等等。
• CheckHandlers是极其特殊的handler，简单来说就是setImmediate(...)的回调。不只会在Phase II导致迭代前移（直接跳转到Phase V），甚至在其他Phases也会如此。

Phase III.a： Idle/Idling

• 进入空转监听阶段
• 它会不断地监听handler是否发生事件(此时handler是活跃的)，如果是进入Phase III.b
• …(记录日志等，与我们无关了……)
• 达到事先规定好的循环次数后，也未曾监听到新事件 那么Idling会被终止；事件循环也会被终止（因为一直监听不到事件发生）。

附注：

• Idling 阶段永远不会停止；也就是说即使事件发生后转入到Phase III.b时， Idling也是一直在空转监听。
• 也正因为如此，我们才能任何时刻监听到事件。
• 虽说如此， Idling会有一个极限循环次数，这个次数由硬件决定的。过了这个次数，它就结束了。

Phase III.b： Prepare

• 为活跃的handler执行回调前做些准备
• ……（准备上下文……等）
• 进入 Phase IV，正式处理回调。

附注：

• 事实上，了解Phase III没什么大用，因为不可能编写一定处于Phase III阶段的代码。
• 它是libuv执行的。
• 只是补充了一点细节

Phase IV Poll：

1. 计算超时时间（Timeout）
2. 在超时时间内(Timeout)：
   • 如果checkhandler存在，执行相应回调
   • 如果发现IO Event，立即执行回调。
   • 如果无事件发生，检查是否超时
   • 如果超时，立即退出Phase IV。否则回到(2.1)
3. 超过超时时间后，会有Timer到期，直接前移到下一个事件循环。
4. 会存在未回调的handler，此时它们会在下一个事件循环的pending callbacks完成处理。
   未完待续。

附注：

Timeout计算规则：

• 在以下情形，Timeout=0：
  1. 事件循环将被终止（由IdleHandler设置）
  2. 没有活跃的handler。
  3. Idle不再监听（即IdleHandler终止）
  4. Pending_Queue不为空.
• 除却以上情形， 如果有待处理的Timer，那么 Timeout是最近的Timer到期时间。
• 如果没有待处理的Timer， 那么Timeout为-1 ，可以理解为 poll阻塞时间为 无穷大（这块我忘了，应该是阻塞时间不确定）。

Phase V : Check

1. 检查CheckHandlers是否存在(即setImmediate的消息序列)
2. 若有则处理所有CheckHandlers
3. 完成， 进入Phase VI

Phase VI : Close handlers

1. 对处理完的handler进行Close操作，例如 send()/close()/destory()等等。
2. 调用GC，进行垃圾回收
3. 转至UpdateLoop。