JS代码在nodejs环境下执行机制和事件循环

摘要：开始执行文件，同步代码执行完毕后，进入事件循环。时间未到的时候，如果有事件返回，就执行该事件注册的回调函数。对于多次执行输出结果不同，需要了解事件循环的基础问题。

nodejs是单线程执行的，同时它又是基于事件驱动的非阻塞IO编程模型。这就使得我们不用等待异步操作结果返回，就可以继续往下执行代码。当异步事件触发之后，就会通知主线程，主线程执行相应事件的回调。

本篇文章讲解node中JavaScript的代码的执行流程，下面是测试代码，如果你知道输出的结果，那么就不需要再看本篇文章，如果不知道输出结果，那么本片文章可帮助你了解：

console.log(1)
setTimeout(function () {
  new Promise(function (resolve) {
    console.log(2)
    resolve()
  })
  .then(() => { console.log(3) })
})
setTimeout(function () {
  console.log(4)
})

复杂的：

setTimeout(() => {
  console.log("1")
  new Promise((resolve) => { console.log("2"); resolve(); })
  .then(() => { console.log("3") })
  new Promise((resolve)=> { console.log("4"); resolve()})
  .then(() => { console.log("5") })
  setTimeout(() => { 
    console.log("6")
    setTimeout(() => {
      console.log("7")
      new Promise((resolve) => { console.log("8"); resolve() })
      .then( () => {  console.log("9") })
      new Promise((resolve) => { console.log("10"); resolve() })
      .then(() => {  console.log("11") })
    })
    setTimeout(() => { console.log("12") }, 0)
  })
  setTimeout(() => { console.log("13") }, 0)
})
setTimeout(() => { console.log("14") }, 0)
new Promise((resolve) => { console.log("15"); resolve() })
.then( ()=> { console.log("16") })
new Promise((resolve) => { console.log("17"); resolve() })
.then(() => { console.log("18") })

node.js启动过程可以分为以下步骤：

调用platformInit方法 ，初始化 nodejs 的运行环境。

调用 performance_node_start 方法，对 nodejs 进行性能统计。

openssl设置的判断。

调用v8_platform.Initialize，初始化 libuv 线程池。

调用 V8::Initialize，初始化 V8 环境。

创建一个nodejs运行实例。

启动上一步创建好的实例。

开始执行js文件，同步代码执行完毕后，进入事件循环。

在没有任何可监听的事件时，销毁 nodejs 实例，程序执行完毕。

Nodejs 将消息循环又细分为 6 个阶段(官方叫做 Phase), 每个阶段都会有一个类似于队列的结构, 存储着该阶段需要处理的回调函数.

Nodejs 为了防止某个 阶段 任务太多, 导致后续的 阶段 发生饥饿的现象, 所以消息循环的每一个迭代(iterate) 中, 每个 阶段 执行回调都有个最大数量. 如果超过数量的话也会强行结束当前 阶段而进入下一个 阶段. 这一条规则适用于消息循环中的每一个 阶段.

这是消息循环的第一个阶段, 用一个 for 循环处理所有 setTimeout 和 setInterval 的回调.

这些回调被保存在一个最小堆(min heap) 中. 这样引擎只需要每次判断头元素, 如果符合条件就拿出来执行, 直到遇到一个不符合条件或者队列空了, 才结束 Timer Phase.

Timer 阶段中判断某个回调是否符合条件的方法也很简单. 消息循环每次进入 Timer 的时候都会保存一下当时的系统时间,然后只要看上述最小堆中的回调函数设置的启动时间是否超过进入 Timer 时保存的时间, 如果超过就拿出来执行.

执行除了close callbacks、setTimeout()、setInterval()、setImmediate()回调之外几乎所有回调，比如说TCP连接发生错误、 fs.read, socket 等 IO 操作的回调函数, 同时也包括各种 error 的回调.

系统内部的一些调用。

这是整个消息循环中最重要的一个 阶段, 作用是等待异步请求和数据，因为它支撑了整个消息循环机制.

poll阶段有两个主要的功能：一是执行下限时间已经达到的timers的回调，一是处理poll队列里的事件。
注：Node的很多API都是基于事件订阅完成的，比如fs.readFile，这些回调应该都在poll阶段完成。

当事件循环进入poll阶段：

poll队列不为空的时候，事件循环肯定是先遍历队列并同步执行回调，直到队列清空或执行回调数达到系统上限。

poll队列为空的时候，这里有两种情况。

如果代码已经被setImmediate()设定了回调，那么事件循环直接结束poll阶段进入check阶段来执行check队列里的回调。

如果代码没有被设定setImmediate()设定回调：

如果有被设定的timers，那么此时事件循环会检查timers，如果有一个或多个timers下限时间已经到达，那么事件循环将绕回timers阶段，并执行timers的有效回调队列。

如果没有被设定timers，这个时候事件循环是阻塞在poll阶段等待事件回调被加入poll队列。

Poll阶段，当js层代码注册的事件回调都没有返回的时候，事件循环会暂时阻塞在poll阶段，解除阻塞的条件：

在poll阶段执行的时候，会传入一个timeout超时时间，该超时时间就是poll阶段的最大阻塞时间。
timeout时间未到的时候，如果有事件返回，就执行该事件注册的回调函数。timeout超时时间到了，则退出poll阶段，执行下一个阶段。

这个 timeout 设置为多少合适呢? 答案就是 Timer Phase 中最近要执行的回调启动时间到现在的差值, 假设这个差值是 detal. 因为 Poll Phase 后面没有等待执行的回调了. 所以这里最多等待 delta 时长, 如果期间有事件唤醒了消息循环, 那么就继续下一个 Phase 的工作; 如果期间什么都没发生, 那么到了 timeout 后, 消息循环依然要进入后面的 Phase, 让下一个迭代的 Timer Phase 也能够得到执行. 
Nodejs 就是通过 Poll Phase, 对 IO 事件的等待和内核异步事件的到达来驱动整个消息循环的.

这个阶段只处理 setImmediate 的回调函数.
那么为什么这里要有专门一个处理 setImmediate 的 阶段 呢? 简单来说, 是因为 Poll 阶段可能设置一些回调, 希望在 Poll 阶段 后运行. 所以在 Poll 阶段 后面增加了这个 Check 阶段.

专门处理一些 close 类型的回调. 比如 socket.on("close", ...). 用于资源清理.

1、node初始化

初始化node环境

执行输入的代码

执行process.nextTick回调

执行微任务(microtasks)

2、进入事件循环

2.1、进入Timer阶段

检查Timer队列是否有到期的Timer的回调，如果有，将到期的所有Timer回调按照TimerId升序执行

检查是否有process.nextTick任务，如果有，全部执行

检查是否有微任务(promise)，如果有，全部执行

退出该阶段

2.2、进入Pending I/O Callback阶段

检查是否有Pending I/O Callback的回调，如果有，执行回调。如果没有退出该阶段

检查是否有process.nextTick任务，如果有，全部执行

检查是否有微任务(promise)，如果有，全部执行

退出该阶段

2.3、进入idle，prepare阶段

这个阶段与JavaScript关系不大，略过

2.4、进入Poll阶段

首先检查是否存在尚未完成的回调，如果存在，分如下两种情况：

第一种情况：有可执行的回调

执行所有可用回调(包含到期的定时器还有一些IO事件等)

检查是否有process.nextTick任务，如果有，全部执行

检查是否有微任务(promise)，如果有，全部执行

退出该阶段

第二种情况：没有可执行的回调

检查是否有immediate回调，如果有，退出Poll阶段。如果没有，阻塞在此阶段，等待新的事件通知

如果不存在尚未完成的回调，退出Poll阶段

2.5、进入check阶段

如果有immediate回调，则执行所有immediate回调

检查是否有process.nextTick任务，如果有，全部执行

检查是否有微任务(promise)，如果有，全部执行

退出该阶段

2.6、进入closing阶段

如果有immediate回调，则执行所有immediate回调

检查是否有process.nextTick任务，如果有，全部执行

检查是否有微任务(promise)，如果有，全部执行

退出该阶段

3、检查是否有活跃的handles(定时器、IO等事件句柄)

如果有，继续下一轮事件循环

如果没有，结束事件循环，退出程序

注意：

事件循环的每一个子阶段退出之前都会按顺序执行如下过程：

检查是否有 process.nextTick 回调，如果有，全部执行。

检查是否有 微任务(promise)，如果有，全部执行。

事件循环队列先保证所有的process.nextTick回调，然后将所有的Promise回调追加在后面，最终在每个阶段结束的时候一次性拿出来执行。

此外，process.nextTick和Promise回调的数量是受限制的，也就是说，如果一直往这个队列中加入回调，那么整个事件循环就会被卡住。

这两个方法的回调到底谁快？

如下面的例子：

setImmediate(() => console.log(2))
setTimeout(() => console.log(1))

使用nodejs多次执行后，发现输出结果有时是1 2,有时是2 1。

对于多次执行输出结果不同，需要了解事件循环的基础问题。

首先,Nodejs启动,初始化环境后加载我们的JS代码(index.js).发生了两件事(此时尚未进入消息循环环节):

setImmediate 向 Check 阶段 中添加了回调 console.log(2); 
setTimeout 向 Timer 阶段 中添加了回调 console.log(1)

这时候, 要初始化阶段完毕, 要进入 Nodejs 消息循环了。

为什么会有两种输出呢? 接下来一步很关键:

当执行到 Timer 阶段 时, 会发生两种可能. 因为每一轮迭代刚刚进入 Timer 阶段 时会取系统时间保存起来, 以 ms(毫秒) 为最小单位.

如果 Timer 阶段 中回调预设的时间 > 消息循环所保存的时间, 则执行 Timer 阶段 中的该回调. 这种情况下先输出 1, 直到 Check 阶段 执行后,输出2.总的来说, 结果是 1 2.

如果运行比较快, Timer 阶段 中回调预设的时间可能刚好等于消息循环所保存的时间, 这种情况下, Timer 阶段 中的回调得不到执行, 则继续下一个 阶段. 直到 Check 阶段, 输出 2. 然后等下一轮迭代的 Timer 阶段, 这时的时间一定是满足 Timer 阶段 中回调预设的时间 > 消息循环所保存的时间 , 所以 console.log(1) 得到执行, 输出 1. 总的来说, 结果就是 2 1.

所以, 输出不稳定的原因就取决于进入 Timer 阶段 的时间是否和执行 setTimeout 的时间在 1ms 内. 如果把代码改成如下, 则一定会得到稳定的输出:

require("fs").readFile("my-file-path.txt", () => {
 setImmediate(() => console.log(2))
 setTimeout(() => console.log(1))
});

这是因为消息循环在 Pneding I/O Phase 才向 Timer 和 Check 队列插入回调. 这时按照消息循环的执行顺序, Check 一定在 Timer 之前执行。

从性能角度讲, setTimeout 的处理是在 Timer Phase, 其中 min heap 保存了 timer 的回调, 因此每执行一个回调的同时都会涉及到堆调整. 而 setImmediate 仅仅是清空一个队列. 效率自然会高很多.

再从执行时机上讲. setTimeout(..., 0) 和 setImmediate 完全属于两个阶段.

下面以一段代码来说明nodejs运行JavaScript的机制。

如下面一段代码：

setTimeout(() => {                                                // settimeout1
  console.log("1")
  new Promise((resolve) => { console.log("2"); resolve(); })      // Promise3
  .then(() => { console.log("3") })
  new Promise((resolve)=> { console.log("4"); resolve()})         // Promise4
  .then(() => { console.log("5") })
  setTimeout(() => {                                              // settimeout3
    console.log("6")
    setTimeout(() => {                                            // settimeout5
      console.log("7")
      new Promise((resolve) => { console.log("8"); resolve() })   // Promise5
      .then( () => {  console.log("9") })
      new Promise((resolve) => { console.log("10"); resolve() })  // Promise6
      .then(() => {  console.log("11") })
    })
    setTimeout(() => { console.log("12") }, 0)                    // settimeout6
  })
  setTimeout(() => { console.log("13") }, 0)                      // settimeout4
})
setTimeout(() => { console.log("14") }, 0)                        // settimeout2
new Promise((resolve) => { console.log("15"); resolve() })        // Promise1
.then( ()=> { console.log("16") })
new Promise((resolve) => { console.log("17"); resolve() })        // Promise2
.then(() => { console.log("18") })

上面代码执行过程：

node初始化

执行JavaScript代码

遇到setTimeout, 把回调函数放到Timer队列中，记为settimeout1

遇到setTimeout, 把回调函数放到Timer队列中，记为settimeout2

遇到Promise，执行，输出15，把回调函数放到微任务队列，记为Promise1

遇到Promise，执行，输出17，把回调函数放到微任务队列，记为Promise2

代码执行结束，此阶段输出结果：15 17

没有process.nextTick回调，略过

执行微任务

检查微任务队列是否有可执行回调，此时队列有2个回调：Promise1、Promise2

执行Promise1回调，输出16

执行Promise2回调，输出18

此阶段输出结果：16 18

进入第一次事件循环

进入Timer阶段

检查Timer队列是否有可执行的回调，此时队列有2个回调：settimeout1、settimeout2

执行settimeout1回调：

输出1、2、4

添加了2个微任务，记为Promise3、Promise4

添加了2个Timer任务，记为settimeout3、settimeout4

执行settimeout2回调，输出14

Timer队列任务执行完毕

没有process.nextTick回调，略过

检查微任务队列是否有可执行回调，此时队列有2个回调：Promise3、Promise4

按顺序执行2个微任务，输出3、5

此阶段输出结果：1 2 4 14 3 5

Pending I/O Callback阶段没有任务，略过

进入 Poll 阶段

检查是否存在尚未完成的回调，此时有2个回调：settimeout3、settimeout4

执行settimeout3回调

输出6

添加了2个Timer任务，记为settimeout5、settimeout6

执行settimeout4回调，输出13

没有process.nextTick回调，略过

没有微任务，略过

此阶段输出结果：6 13

check、closing阶段没有任务，略过

检查是否还有活跃的handles(定时器、IO等事件句柄),有，继续下一轮事件循环

进入第二次事件循环

进入Timer阶段

检查Timer队列是否有可执行的回调，此时队列有2个回调：settimeout5、settimeout6

执行settimeout5回调：

输出7、 8、10

添加了2个微任务，记为Promise5、Promise6

执行settimeout6回调，输出12

没有process.nextTick回调，略过

检查微任务队列是否有可执行回调，此时队列有2个回调：Promise5、Promise6

按顺序执行2个微任务，输出9、11

此阶段输出结果：7 8 10 12 9 11

Pending I/O Callback、Poll、check、closing阶段没有任务，略过

检查是否还有活跃的handles(定时器、IO等事件句柄),没有了，结束事件循环，退出程序

程序执行结束，输出结果：15 17 16 18 1 2 4 14 3 5 6 13 7 8 10 12 9 11

深入分析Node.js事件循环与消息队列

剖析nodejs的事件循环

Node中的事件循环和异步API

Node.js Event Loop nodejs官网