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JavaScript 的单线程模型

3,868 words, 10 min read2017/04/13 AM2,532 views

含义

单线程模型指的是,JavaScript 只在一个线程上运行。也就是说,JavaScript 同时只能执行一个任务,其他任务都必须在后面排队等待。

注意,JavaScript 只在一个线程上运行,不代表 JavaScript 引擎只有一个线程。事实上,JavaScript 引擎有多个线程,单个脚本只能在一个线程上运行,其他线程都是在后台配合。

JavaScript 之所以采用单线程,而不是多线程,跟历史有关系。JavaScript 从诞生起就是单线程,原因是不想让浏览器变得太复杂,因为多线程需要共享资源、且有可能修改彼此的运行结果,对于一种网页脚本语言来说,这就太复杂了。 比如,假定 JavaScript 同时有两个线程,一个线程在某个 DOM 节点上添加内容,另一个线程删除了这个节点,这时浏览器应该以哪个线程为准?所以,为了避免复杂性,从一诞生,JavaScript 就是单线程,这已经成了这门语言的核心特征,将来也不会改变。

为了利用多核 CPU 的计算能力,HTML5 提出 Web Worker 标准,允许 JavaScript 脚本创建多个线程,但是子线程完全受主线程控制,且不得操作 DOM。 所以,这个新标准并没有改变 JavaScript 单线程的本质。

单线程模型带来了一些问题,主要是新的任务被加在队列的尾部,只有前面的所有任务运行结束,才会轮到它执行。 如果有一个任务特别耗时,后面的任务都会停在那里等待,造成浏览器失去响应,又称 “假死”。为了避免 “假死”,当某个操作在一定时间后仍无法结束,浏览器就会跳出提示框,询问用户是否要强行停止脚本运行。

如果排队是因为计算量大,CPU 忙不过来,倒也算了,但是很多时候 CPU 是闲着的,因为 IO 设备(输入输出设备)很慢(比如 Ajax 操作从网络读取数据),不得不等着结果出来,再往下执行。 JavaScript 语言的设计者意识到,这时 CPU 完全可以不管 IO 设备,挂起处于等待中的任务,先运行排在后面的任务;等到 IO 设备返回了结果,再回过头,把挂起的任务继续执行下去。 这种机制就是 JavaScript 内部采用的 Event Loop 机制。

消息队列

JavaScript 运行时,除了一个运行线程,引擎还提供一个消息队列(message queue),里面是各种需要当前程序处理的消息。新的消息进入队列的时候,会自动排在队列的尾端。

运行线程只要发现消息队列不为空,就会取出排在第一位的那个消息,执行它对应的回调函数。等到执行完,再取出排在第二位的消息,不断循环,直到消息队列变空为止。

每条消息与一个回调函数相联系,也就是说,程序只要收到这条消息,就会执行对应的函数。另一方面,进入消息队列的消息,必须有对应的回调函数。否则这个消息就会遗失,不会进入消息队列。 举例来说,鼠标点击就会产生一条消息,报告 click 事件发生了。如果没有回调函数,这个消息就遗失了。如果有回调函数,这个消息进入消息队列。等到程序收到这个消息,就会执行 click 事件的回调函数。

另一种情况是 setTimeout 会在指定时间向消息队列添加一条消息。如果消息队列之中,此时没有其他消息,这条消息会立即得到处理; 否则,这条消息会不得不等到其他消息处理完,才会得到处理。因此,setTimeout 指定的执行时间,只是一个最早可能发生的时间,并不能保证一定会在那个时间发生。

一旦当前执行栈空了,消息队列就会取出排在第一位的那条消息,传入程序。程序开始执行对应的回调函数,等到执行完,再处理下一条消息。

Event Loop

所谓 Event Loop 机制,指的是一种内部循环,用来一轮又一轮地处理消息队列之中的消息,即执行对应的回调函数。

Wikipedia 的定义是:“Event Loop是一个程序结构,用于等待和发送消息和事件(a programming construct that waits for and dispatches events or messages in a program)”。可以就把 Event Loop 理解成动态更新的消息队列本身。

下面是一些常见的 JavaScript 任务。

  • 执行 JavaScript 代码
  • 对用户的输入(包含鼠标点击、键盘输入等等)做出反应
  • 处理异步的网络请求

所有任务可以分成两种,一种是同步任务(synchronous),另一种是异步任务(asynchronous)。

同步任务指的是,在 JavaScript 执行进程上排队执行的任务,只有前一个任务执行完毕,才能执行后一个任务;异步任务指的是,不进入 JavaScript 执行进程、而进入 “任务队列”(task queue)的任务,只有 “任务队列” 通知主进程,某个异步任务可以执行了,该任务(采用回调函数的形式)才会进入 JavaScript 进程执行。

以 Ajax 操作为例,它可以当作同步任务处理,也可以当作异步任务处理,由开发者决定。 如果是同步任务,主线程就等着 Ajax 操作返回结果,再往下执行;如果是异步任务,该任务直接进入 “任务队列”,JavaScript 进程跳过 Ajax 操作,直接往下执行,等到 Ajax 操作有了结果,JavaScript 进程再执行对应的回调函数。

也就是说,虽然 JavaScript 只有一个进程用来执行,但是并行的还有其他进程(比如,处理定时器的进程、处理用户输入的进程、处理网络通信的进程等等)。这些进程通过向任务队列添加任务,实现与 JavaScript 进程通信。

想要理解 Event Loop,就要从程序的运行模式讲起。运行以后的程序叫做 “进程"(process),一般情况下,一个进程一次只能执行一个任务。如果有很多任务需要执行,不外乎三种解决方法。

  1. 排队。因为一个进程一次只能执行一个任务,只好等前面的任务执行完了,再执行后面的任务。
  2. 新建进程。使用 fork 命令,为每个任务新建一个进程。
  3. 新建线程。因为进程太耗费资源,所以如今的程序往往允许一个进程包含多个线程,由线程去完成任务。

如果某个任务很耗时,比如涉及很多 I/O(输入/输出)操作,那么线程的运行大概是下面的样子。

synchronous mode
synchronous mode

上图的绿色部分是程序的运行时间,红色部分是等待时间。可以看到,由于 I/O 操作很慢,所以这个线程的大部分运行时间都在空等 I/O 操作的返回结果。这种运行方式称为 “同步模式”(synchronous I/O)。

如果采用多线程,同时运行多个任务,那很可能就是下面这样。

synchronous mode
synchronous mode

上图表明,多线程不仅占用多倍的系统资源,也闲置多倍的资源,这显然不合理。

asynchronous mode
asynchronous mode

上图主线程的绿色部分,还是表示运行时间,而橙色部分表示空闲时间。每当遇到 I/O 的时候,主线程就让 Event Loop 线程去通知相应的 I/O 程序,然后接着往后运行,所以不存在红色的等待时间。 等到 I/O 程序完成操作,Event Loop 线程再把结果返回主线程。主线程就调用事先设定的回调函数,完成整个任务。

可以看到,由于多出了橙色的空闲时间,所以主线程得以运行更多的任务,这就提高了效率。这种运行方式称为 “ 异步模式 ”(asynchronous I/O)。

这正是 JavaScript 语言的运行方式。单线程模型虽然对 JavaScript 构成了很大的限制,但也因此使它具备了其他语言不具备的优势。如果部署得好,JavaScript 程序是不会出现堵塞的,这就是为什么 Node.js 平台可以用很少的资源,应付大流量访问的原因。

如果有大量的异步任务(实际情况就是这样),它们会在 “消息队列” 中产生大量的消息。这些消息排成队,等候进入主线程。 本质上,“消息队列” 就是一个 “先进先出” 的数据结构。 比如,点击鼠标就产生一系列消息(各种事件),mousedown 事件排在 mouseup 事件前面,mouseup 事件又排在 click 事件的前面。

资料来源: JavaScript 单线程模型 - 阮一峰

Creative Commons BY-NC 4.0https://surmon.me/article/37
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