理解 Node.js 的 Event loop

问题

考察如下代码，脑回路中运行并输出结果：

console.log("1");

setTimeout(function setTimeout1() {
  console.log("2");
  process.nextTick(function nextTick1() {
    console.log("3");
  });
  new Promise(function promise1(resolve) {
    console.log("4");
    resolve();
  }).then(function promiseThen1() {
    console.log("5");
  });
  setImmediate(function immediate1() {
    console.log("immediate");
  });
});

process.nextTick(function nextTick2() {
  console.log("6");
});

function bar() {
  console.log("bar");
}

async function foo() {
  console.log("async start");
  await bar();
  console.log("async end");
}

foo();

new Promise(function promise2(resolve) {
  console.log("7");
  resolve();
}).then(function promiseThen2() {
  console.log("8");
});

setTimeout(function setTimeout2() {
  console.log("9");
  
  new Promise(function promise3(resolve) {
    console.log("11");
    resolve();
  }).then(function promiseThen3() {
    console.log("12");
  });

  process.nextTick(function nextTick3() {
    console.log("10");
  });
});

JS 事件循环

JS 是单线程，朴素地讲，同时只能完成一件事件。如果有耗时的任务，那后续的所有任务都要等待其完成才能执行。

为了避免这种阻塞，引入了事件循环。即，将代码的执行分成一个个很小的阶段（一次循环），每个阶段重复相应的事情，直到所有任务都完成。

一个阶段包含以下部分：

• Timers：到期的定时器任务，setTimeout，setInterval 等注册的任务。
• IO Callbacks：IO 操作，比如网络请求，文件读写。
• IO Polling：IO 任务的注册
• Set Immediate：通过 setImmediate 注册的任务
• Close：close 事件的回调，比如 TCP 的断开。

Ticks and Phases of the Node.js Event Loop 图片来自 Daniel Khan 的 Medium 博客，见文末

同步代码及上面每个环节结束时都会清空一遍微任务队列，记住这点很重要！

代码执行流程

执行的流程是，

• 将代码顺序执行。
• 遇到异步任务，将任务压入待执行队列后继续往下。
• 完成同步代码后，检查是否有微任务（通过 Promise，process.nextTick，async/await 等注册），如果有，则清空。
• 清空微任务队列后，从待执行队列中取出最先压入的任务顺序执行，重复步骤一。

另，

• async/await 本质上是 Promise，所以其表现会和 Promise 一致。
• process.nextTick 注册的回调优先级高于定时器。
• setImmediate 可看成 Node 版本的 setTimeout，所以可与后者同等对待。

示例代码分析

Round 1

• 首先遇到同步代码 console.log(1)，立即执行输出 1
• 接下来是一个 setTimeout 定时器，将其回调压入待执行队列 [setTimeout1]
• 遇到 process.nextTick，将其回调 nextTick2 压入微任务队列 [nextTick2]
• 然后是 async 函数 foo 的调用，立即执行并输出 async start
• 然后是 await 语句，这所在的地方会创建并返回 Promise，所以这里会执行其后面的表达式，也就是 bar() 函数的调用。
• 执行 bar 函数，输出 bar
• 在执行了 await 后面的语句后，它所代表的 Promise 就创建完成了，foo 函数体后续的代码相当于 promise 的 then，放入微任务队列 [nextTick2, rest_of_foo]
• 继续往下遇到 new Promise，执行 Promise 的创建输出 7，将它的 then 回调压入微任务队列 [nextTick2, rest_of_foo,promiseThen2]
• 遇到另一个 setTimeout，回调压入待执行队列 [setTimeout1，setTimeout2]
• 至此，代码执行完了一轮。此时的输出应该是 1, async start, bar,7

Round 2

• 查看微任务队列，并清空。所以依次执行 [nextTick2, rest_of_foo,promiseThen2]，输出 6,async end,8。

Round 3

• 查看待执行队列 [setTimeout1，setTimeout2]，先执行 setTimout1
• 遇到 console.log(2) 输出2
• 遇到 process.nextTick 将 nextTick1 压入微任务队列 [nextTick1]
• 遇到 new Promise 立即执行 输出 4，执行 resolve() 后将 promiseThen1 压入微任务队列 [nextTick1,promiseThen1]
• 遇到 setImmediate 将回调压入待执行队列 [setTimeout2,immediate1]
• 此时 setTimeout1 执行完毕，此时的输出应该为 2,4

Round 4

• 检查微任务队列 [nextTick1,promiseThen1] 依次执行并输出 3,5

Round 5

• 检查待执行队列 [setTimeout2,immediate1],执行 setTimeout2
• 遇到 console输出 9
• 遇到 new Promise 执行并输出 11,将 promiseThen3 压入微任务队列 [promiseThen3]
• 遇到 process.nextTick 将 nextTick3 压入微执行队列。注意，因为 process.nextTick 的优化级高于 Promise，所以压入后的结果是： [nextTick3,promiseThen3]
• 此时 setTimeout2 执行完毕，输出为 9,11

Round 6

• 检查微任务队列 [nextTick3，promiseThen3] 执行并输出 10,12

Round 7

• 检查待执行队列 [immediate1]，执行并输出 immediate

至此，走完了所有代码。

结果

以下是文章开头的结果：

1
async start
bar
7
6
async end
8
2
4
3
5
9
11
10
12
immediate

参考

• Event Loop 的规范和实现
• 这一次，彻底弄懂 JavaScript 执行机制
• What you should know to really understand the Node.js Event Loop