javascript运行环境和消息队列

摘要：字节码不能直接运行，而是运行在一个虚拟机之上，一般也把虚拟机称为引擎。这些事件排成队列，等候进入主线程。执行至完成每一个消息执行完成后，其它消息才会被执行。零延迟零延迟并不是意味着回调会立即执行。

JavaScript是一种解释型语言，也就是说，它不需要编译，可以由解释器实时运行。这样的好处是运行和修改都比较方便，刷新页面就可以重新解释；缺点是每次运行都要调用解释器，系统开销较大，运行速度慢于编译型语言。为了提高运行速度，目前的浏览器都将JavaScript进行一定程度的编译，生成类似字节码（bytecode）的中间代码，以提高运行速度。

早期，浏览器内部对JavaScript的处理过程如下：

读取代码，进行词法分析（Lexical analysis），将代码分解成词元（token）。
对词元进行语法分析（parsing），将代码整理成“语法树”（syntax tree）。
使用“翻译器”（translator），将代码转为字节码（bytecode）。
使用“字节码解释器”（bytecode interpreter），将字节码转为机器码。
逐行解释将字节码转为机器码，是很低效的。为了提高运行速度，现代浏览器改为采用“即时编译”（Just In Time compiler，缩写JIT），即字节码只在运行时编译，用到哪一行就编译哪一行，并且把编译结果缓存（inline cache）。通常，一个程序被经常用到的，只是其中一小部分代码，有了缓存的编译结果，整个程序的运行速度就会显著提升。

不同的浏览器有不同的编译策略。有的浏览器只编译最经常用到的部分，比如循环的部分；有的浏览器索性省略了字节码的翻译步骤，直接编译成机器码，比如chrome浏览器的V8引擎。

字节码不能直接运行，而是运行在一个虚拟机（Virtual Machine）之上，一般也把虚拟机称为JavaScript引擎。因为JavaScript运行时未必有字节码，所以JavaScript虚拟机并不完全基于字节码，而是部分基于源码，即只要有可能，就通过JIT（just in time）编译器直接把源码编译成机器码运行，省略字节码步骤。这一点与其他采用虚拟机（比如Java）的语言不尽相同。这样做的目的，是为了尽可能地优化代码、提高性能。下面是目前最常见的一些JavaScript虚拟机：

Chakra)(Microsoft Internet Explorer)

Nitro/JavaScript Core (Safari)

Carakan (Opera)

SpiderMonkey (Firefox)

V8) (Chrome, Chromium)

JavaScript采用单线程模型，也就是说，所有的任务都在一个线程里运行。这意味着，一次只能运行一个任务，其他任务都必须在后面排队等待。

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。

注：ajax同步异步可设置、用户/浏览器自执行事件（onclick、onload、onkeyup等等）以及定时器（setTimeout、setInterval）是异步操作。

所谓Event Loop，指的是一种内部循环，用来排列和处理事件，以及执行函数。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.）”

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；异步任务指的是，不进入主线程、而进入“任务队列”（task queue）的任务，只有“任务队列”通知主线程，某个异步任务可以执行了，该任务才会进入主线程执行。

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”，主线程跳过Ajax操作，直接往下执行，等到Ajax操作有了结果，主线程再执行对应的回调函数。

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。

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。

新建进程。使用fork命令，为每个任务新建一个进程。

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。

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。

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。

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“任务队列”中注册大量的事件。这些事件排成队列，等候进入主线程。本质上，“任务队列”就是一个事件“先进先出”的数据结构。比如，点击鼠标就产生一些列事件，mousedown事件排在mouseup事件前面，mouseup事件又排在click事件的前面。

之所以称为 事件循环，是因为它经常被用于类似如下的方式来实现：

while (queue.waitForMessage()) {
  queue.processNextMessage();
}

如果当前没有任何消息，queue.waitForMessage 会等待着同步将要到来的消息。

每一个消息执行完成后，其它消息才会被执行。当你分析你的程序时，这点提供了一些优秀的特性，包括每当一个函数运行时，它就不能被抢占，并且在其他代码运行之前完全运行(且可以修改此函数控制的数据)。这点与C语言不同。例如，C语言中当一个程序在一个线程中运行时，它可以在任何点停止且可以在其它线程中运行其它代码。

这个模型的一个缺点在于当一个消息的完成耗时过长，网络应用无法处理用户的交互如点击或者滚动。浏览器用“程序需要过长时间运行”的对话框来缓解这个问题。一个比较好的解决方案是使消息处理变短且如果可能的话，将一个消息拆分成几个消息。

在浏览器里，当一个事件出现且有一个事件监听器被绑定时，消息会被随时添加。如果没有事件监听器，事件会丢失。所以点击一个附带点击事件处理函数的元素会添加一个消息。其它事件亦然。

调用 setTimeout 函数会在一个时间段过去后在队列中添加一个消息。这个时间段作为函数的第二个参数被传入。如果队列中没有其它消息，消息会被马上处理。但是，如果有其它消息，setTimeout 消息必须等待其它消息处理完。因此第二个参数仅仅表示最少的时间 而非确切的时间。

零延迟 (Zero delay) 并不是意味着回调会立即执行。在零延迟调用 setTimeout 时，其并不是过了给定的时间间隔后就马上执行回调函数。其等待的时间基于队列里正在等待的消息数量。在下面的例子中，"this is just a message" 将会在回调 (callback) 获得处理之前输出到控制台，这是因为延迟是要求运行时 (runtime) 处理请求所需的最小时间，但不是有所保证的时间。

(function () {

  console.log("this is the start");

  setTimeout(function cb() {
    console.log("this is a msg from call back");
  });

  console.log("this is just a message");

  setTimeout(function cb1() {
    console.log("this is a msg from call back1");
  }, 0);

  console.log("this is the  end");

})();

// "this is the start"
// "this is just a message"
// "this is the end"
// "this is a msg from call back"
// "this is a msg from call back1"

一个 web worker 或者一个跨域的 iframe 都有它们自己的栈，堆和消息队列。两个不同的运行时只有通过 postMessage 方法进行通信。这个方法会给另一个运行时添加一个消息如果后者监听了 message 事件。