详解 JavaScript 的运行机制

在一些面试中,我们或许会被问到这样的问题:

简述一下 JavaScript 的运行机制?

还有可能会被问这样的代码:

setTimeout(function () {
    console.log('定时器开始啦')
});

new Promise(function (resolve) {
    console.log('马上执行for循环啦');
    for (var i = 0; i < 10000; i++) {
        i == 99 && resolve();
    }
}).then(function () {
    console.log('执行then函数啦')
});

这些虽然看起来很深奥很复杂,但是如果你了解了 JavaScript 的运行机制,这些问题都能够一一化解

先附上本文的纲要,本文将会从这三个方面去解析 JavaScript 的运行机制。

详解 JavaScript 的运行机制

首先我们来谈谈 JavaScript 的单线程

1. 为什么是单线程?

众所周知,JavaScript 是一门单线程的语言,也因此带来了很多诟病,那么单线程如此不堪,为什么不把它设计成多线程的呢?

其实这个问题就出现在了 JavaScript 的应用场景上,我们通常采用 JavaScript 来操作 DOM 元素,这在现在来看没什么问题。但是我们想一想,如果 JavaScript 变成了一门多线程的语言,那会发生什么呢?

想象一下下面的场景:

一段 JS 代码删除 DOM 元素,一段 JS 代码更改 DOM 元素样式,它们一起被执行了,这会发生什么?

先别说浏览器该怎么处理了,我都不知道该如何处理,那浏览器就会崩溃掉 …

为了避免这样的情况, JavaScript 被设计成了一门单线程的语言

单线程就意味着,一次只能执行一个任务,其他任务都需要排队等待

但是为了能有多线程的功能,有了很多的尝试

在 HTML5 中提出了 web worker 标准,它提供了一套完整的 API 去允许在主线程以外去执行另一个线程,但是这不意味着 JavaScript 从此拥有了多线程的能力,同时我们也不能用它来操作 DOM 元素。

在 JavaScript 中还有着独特执行机制,它将主线程中的任务分为同步任务和异步任务。

2. 为什么需要异步?

为了能够解决单线程带来的代码阻塞等问题

JS 是单线程的,我们可以想象成有一个售票窗口,有很多人在窗口排队办理业务,而 JS 只能一个一个处理,那如果有一个客户的需求很多,办理业务的时间很长,那么这条队伍的其他人就只能干等着了,就相当于代码阻塞了,也就是浏览器假死,等待代码执行

因此有了同步任务和异步任务的概念

就是需要通过这样来区分,将那些办理业务时间长的分出来,等到其他客户处理完毕之后再统一处理

关于同步任务和异步任务是这样解释的:

  • 同步任务:是在主线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,例如:console.log
  • 异步任务:不进入主线程、通过事件循环机制处理,在任务队列中注册回调函数最终拿到结果,例如:setTimeout

了解了什么是同步,什么是异步,我们来一道非常简单的题目:

console.log(1);
setTimeout(()=>{console.log(2);},0)
console.log(3);

结果输出 1 3 2

原因是 setTimeout 是异步任务,需要在同步代码执行之后再执行

接下来我们聊聊运行机制的核心:事件循环

3. 事件循环

首先我们用一张图来理解事件循环:

事件循环

它的运行机制如下:

  1. 所有同步任务在主线程上执行,形成一个执行栈,也就是上图蓝色箭头表示;
  2. 主线程以外有一个异步任务队列(红色箭头),会等到异步任务返回结果后将它放入任务队列;
  3. 当主线程中执行栈代码执行完毕,也就是同步任务执行完毕,就会开始读取任务队列代码,再放入执行栈中执行;
  4. 不断地重复上面三步,这就是事件循环。

用图形来描绘的话,就是上图中的三个黑色箭头,连成的闭环

也就是说:只要主线程执行栈空了,就会去读取任务队列,这个过程是循环不断的,这种运行机制就叫做事件循环

了解了事件循环,我们对前面那题做一个简单的升级:

console.log(1);
setTimeout(()=>{console.log(2);},0)
setTimeout(()=>{console.log(3);},1000)
setTimeout(()=>{console.log(4);},0)
console.log(5);

这次输出了 1 – 5 – 2 – 4 – 3

可能会有人会对 3 的输出有疑惑,首先定时器都是异步任务,会先被放入异步任务队列当中,需要等待异步任务返回结果后,再将回调函数放入任务队列当中,等待主线程来执行,因此,2 和 4 会在 3 之前输出

4. 异步任务队列细节

常见的会放入异步任务队列的事件:

  1. DOM 事件
  2. Promise
  3. Ajax 请求
  4. setTimeout 和 setlnterval
  5. 文件上传

至于加入异步任务队列的时间,是需要根据当前异步任务而定的,不是说拿到异步任务直接添加到任务队列里面,是要等到当前异步任务执行完成返回结果,才将其放到任务队列里

就拿 setTimeout 来说,是需要等待定时结束再将回调加入任务队列的

也可以结合下图理解:

详解 JavaScript 的运行机制

了解了任务队列,我们需要再谈一谈异步任务当中,又被细分出来的宏任务和微任务

5. 宏任务和微任务

宏任务队列可以有多个,微任务队列只有一个

那么什么是宏任务,什么是微任务呢?

  • 宏任务有:HTML解析、鼠标事件、键盘事件、网络请求、执行主线程js代码和定时器
  • 微任务有:promise.then,DOM 渲染,asyncprocess.nextTick

那它是怎么被执行的呢?

  1. 当执行栈中的同步任务执行完毕后,先执行微任务;
  2. 微任务队列执行完毕后,会读取宏任务;
  3. 执行宏任务的过程中,遇到微任务,再加入微任务队列;
  4. 宏任务执行完后,再次读取微任务队列,依次循环。

画个图来辅助理解一下。

用一句简单的话来总结:微任务永远在宏任务执行之前被执行完毕。

宏任务和微任务

特别注意的是:由于代码的入口就是一个 script 标签。因此,全局任务属于宏任务

6. 实战

在了解了这么多后,我们来看一到经典的面试题:

console.log("1");
setTimeout(function () {
    console.log("2");
    new Promise(function (resolve) {
        console.log("3");
        resolve();
    }).then(function () {
        console.log("4");
    });
});
new Promise(function (resolve) {
    console.log("5");
    resolve();
}).then(function () {
    console.log("6");
});
setTimeout(function () {
    console.log("7");
});
setTimeout(function () {
    console.log("8");
    new Promise(function (resolve) {
        console.log("9");
        resolve();
    }).then(function () {
        console.log("10");
    });
});
new Promise(function (resolve) {
    console.log("11");
    resolve();
}).then(function () {
    console.log("12");
});
console.log("13");

答案是:1 – 5 – 11 – 13 – 6 – 12 – 2 – 3 – 4 – 7 – 8 – 9 – 10

第一轮循环

  1. 从全局任务入口,首先打印日志 1
  2. 遇到宏任务 setTimeout ,交给异步处理模块,记为setTimeout1
  3. 再遇到 promise 对象,打印日志 5 ,将 promise.then 加入微任务队列,记做 p1
  4. 又遇到 setTimeout 交给异步处理模块,记为 setTimeout2
  5. 又遇到 setTimeout 交给异步处理模块,记为 setTimeout3
  6. 遇到 promise 对象,打印日志 11 ,将 promise.then 加入微任务队列,记做 p2
  7. 遇到打印语句,直接打印日志 13

本轮循环共打印:1 – 5 – 11 – 13

当前循环结果:

第一轮循环

第二轮循环

  • 首先执行微任务队列 p1 和 p2 ,先进先出,先打印 6 再打印 12
  • 微任务事件处理完毕,开始执行宏任务 setTimeout1
  • 遇到打印语句,直接打印日志 2
  • 又遇到 promise 对象,打印日志 3,将 promise.then 加入微任务队列,记做 p3

第二轮循环结束,

当前运行图为:

第二轮循环

第三轮循环

  • 首先执行微任务队列,打印日志 4
  • 微任务处理完毕,执行宏任务 setTimeout2
  • 遇到打印语句,直接输出 7

本轮循环结束。

当前运行图为:

第三轮循环

第四轮循环

  • 微任务队列为空,执行宏任务 setTimeout3
  • 遇到打印语句,打印日志 8
  • 遇到 promise 对象,执行打印语句,打印 9
  • 将 promise.then 加入微任务队列 记做 p4

第四轮循环结束。

当前运行图为:

第四轮循环

第五轮循环

  • 首先清空微任务队列,执行打印语句,打印 10
  • 执行完毕

以上就是关于 JavaScript 运行机制的全部内容,希望对大家来说能有所收获,感谢阅读。

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