Javascript的单线程模型

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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

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

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

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

本文于 2017/4/13 上午 发布在 Code 分类下,当前已被围观 335 次

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