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node中的Event模块(上）

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SunShinewyf commented

前言：最近对node底层一些东西不是很深入，趁这段时间整理一些理论知识

js中的事件循环（Event Loop)

Event Loop是指在js执行环境中存在主执行线程和任务队列(Task Queue)，其中所有同步任务都在主执行线程中形成一个执行栈，所有异步任务都会放到任务队列中。Event Loop会经历如下过程：

  • 主线程执行同步任务，在主线程执行过程中，不断形成堆栈并执行出栈入栈的操作
  • 主线程任务是否执行完毕，如否，继续循环第1步，如是，则执行下一步
  • 系统读取任务队列里的任务，进入执行栈，开始执行
  • 不断循环执行前三步

参考资料:

macrotask和microtask

上面说的异步任务中，分为macrotask(宏任务）和microtask（微任务）两类，在挂起任务中，Js引擎会按照类别将任务分别存放在这两种类型任务中。这两种任务执行的顺序如下：

  • 先取出macrotask任务队列中的第一个任务进行执行
  • 执行完毕后取出microtask中的所有任务顺序执行
  • 再取macrotask中的剩余任务执行
  • 重复前面三个步骤

这个步骤通过一个图来展示会比较直观：

images

图中stack表示主执行线程中的同步任务，而Background Threads则是指macrotask，在执行完主线程之后，会取出Macrotask Queue(也叫Task Queue)中的第一个任务setInterval执行，执行完毕之后就会顺序执行下面的Microtask Queue，直到所有Microtask Queue中的任务都执行完毕了之后，才会执行下一个Macrotask。

其中macrotask类型包括:

  • script整体代码
  • setTimeout
  • setInterval
  • setImmediate
  • I/O
  • UI rendering

microtask类型包括:

  • process.nextTick
  • Promise(这里指浏览器实现的原生promise)
  • Object.observe
  • MutaionObserver

参考资料：

通过一段代码来验证一下上面的理论:

console.log('start')

setTimeout(() => {
console.log('setTimeout1');
},0);
 
const myInterval = setInterval(() => {
    console.log('setInterval');
},0)

setTimeout(() => {
    console.log('setTimeout2');
    Promise.resolve().then(() => {
        console.log('promise3');
    })

    setTimeout(() => {
        console.log('setTimeout3');
        clearInterval(myInterval);
    },0)
},0)

Promise.resolve()
        .then(() => {
            console.log('promise1');
        }).then(() => {
            console.log('promise2');
        })
console.log('end');

这段代码最后的输出结果如下：

start
end
promise1
promise2
setTimeout1
setInterval
setTimeout2
promise3
setInterval
setTimeout3

大概讲解一下流程：

  • 首先整段script相当于一个Macrotask,它是Macrotask Queue中的第一个任务，先执行，所以打印出 start、end
  • Promise相当于一个Microtask，按照之前的理论，会先顺序执行完所有的Microtask，所以此时会打印promise1和promise2。
  • 执行完所有的Microtask之后，会将setTimeout1和setInterval推进Macrotask Queue中，并且会执行此时Macrotask Queue的第一个任务，也就是setTimeout1,此时打印出setTimeout1。
  • 而此时Microtask还是为空，所以会继续执行下一个Macrotask，也就是setInterval，此时打印出setInterval
  • 在执行setInterval的task时，会将下一个setTimeout继续推进Macrotask Queue，而且此时Microtask仍然为空，继续执行下一个Macrotask，所以打印出setTimeout2
  • 在执行完setTimeout2的时候，setTimeout2里面的promise已经推进Microtask Queue中，所以此时会执行完Microtask Queue中的任务，打印出promise3
  • 在执行Microtask Queue的时候，一直执行的setInterval后面的setTimeout3会继续被推进Macrotask Queue中，并且依次执行，直到setInterval被取消。

node中的Event Loop

根据node官方文档的描述，node中的Event Loop主要有如下几个阶段：

   ┌───────────────────────┐
┌─>│        timers         │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
│  │     I/O callbacks     │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
│  │     idle, prepare     │
│  └──────────┬────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌──────────┴────────────┐      │   incoming:   │
│  │         poll          │<─────┤  connections, │
│  └──────────┬────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌──────────┴────────────┐      └───────────────┘
│  │        check          │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
└──┤    close callbacks    │
   └───────────────────────┘

各个阶段执行的任务如下：

  • timers 阶段: 这个阶段执行setTimeout和setInterval预定的callback;
  • I/O callbacks 阶段: 执行除了 close事件的callbacks、被timers设定的callbacks、setImmediate()设定的callbacks这些之外的callbacks;
  • idle, prepare 阶段: 仅node内部使用;
  • poll 阶段: 获取新的I/O事件, 适当的条件下node将阻塞在这里;
  • check 阶段: 执行setImmediate() 设定的callbacks;
  • close callbacks 阶段: 执行socket.on('close', ...)这些 callback

process.nextTick()

process.nextTick()并没有在Event Loop的执行阶段中，而是在Event Loop两个阶段之间运行,根据上面说的，process.nextTick()属于microtask任务类型。

根据process.nextTick()的运行性质，可以整理出下面的简图:

images

也就是process.nextTick()有可能插入在Event Loop各个阶段中

setTimeout(fn,0) Vs setImmediate Vs process.nextTick()

setTimeout(fn,0) Vs setImmediate

  • setTimeout(fn,0)在timer阶段执行，并且是在poll阶段进行判断是否达到指定的time时间才会执行
  • setImmediate在check阶段才会执行

两者的执行顺序要根据当前的执行环境才能确定，根据官方文档总结得出的结论是：

  • 如果两者都在主模块（main module）调用，那么执行先后取决于进程性能，即随机。
  • 如果两者都不在主模块调用（即在一个 IO circle 中调用），那么setImmediate的回调永远先执行。

setImmediate Vs process.nextTick()

  • setImmediate()属于check观察者，其设置的回调函数，会插入到下次事件循环的末尾，每次事件循环只执行链表中的一个回调函数。
  • process.nextTick()所设置的回调函数会存放到数组中，一次性执行所有回调函数。
  • process.nextTick()调用深度的限制，上限是1000，而setImmediate没有；

先来看一段代码：

setImmediate(() => console.log('immediate1'));
setImmediate(() => console.log('immediate2'));

setTimeout(() => console.log('setTimeout1'), 1000);
setTimeout(() => {
    console.log('setTimeout2');
    process.nextTick(() => console.log('nextTick1'));
}, 0);
setTimeout(() => console.log('setTimeout3'), 0);

process.nextTick(() => console.log('nextTick2'));
process.nextTick(() => {
    process.nextTick(console.log.bind(console, 'nextTick3'));
});
process.nextTick(() => console.log('nextTick4'));

在控制台中执行node index.js，得到的结果如下：

nextTick2
nextTick4
nextTick3
setTimeout2
setTimeout3
nextTick1
immediate1
immediate2
setTimeout1

分析如下：

  • 在node中，nextTick的优先级高于setTimeout和setImmediate()，所以会先执行nextTick里面的信息打印。
  • 但是对于嵌套的nextTick，会慢于同步的nextTick,所以nextTick4会先于nextTick3
  • 然后开始一个Event Loop过程，首先执行timer阶段，而此时setTimeout所需要等待的时间是0，所以立即执行setTimeout2和setTimeout3里面的逻辑。而setTimeout1由于设置了执行时间，不满足执行条件，被放到下一轮Event Loop
  • 当前Event Loop执行到check阶段，于是打印出immediate1、immediate2
  • 执行后面的Event Loop,当setTimeout1达到执行条件时执行

参考资料:
-Node.js的event loop及timer/setImmediate/nextTick
-Node.js Event Loop 的理解 Timers，process.nextTick()

对node事件基础的一些总结，有不正确的地方还望指出，共同学习。

vidahaha commented

学姐 setTimeout(fn,0) Vs setImmediate 到底是随机的还是setImmediate在后面呢？ 我这里的结果有点晕。。
qq 20171115205946

SunShinewyf commented

setTimeout(fn,0) Vs setImmediate的执行顺序是随机的，具体要看两者是否在一个I/O循环中进行调用，如果在，setImmediate 始终会比 setTimeout 先执行。因为setImmediate 会在 event loop 中poll 完成之后立即执行，setTimeout 则是到下一个 timers 阶段。

还有，你后面的打印结果是我上面的例子吗

vidahaha commented

嗯 懂了 这个结果是你上面的例子

SunShinewyf commented

因为setTimeout(fn,0) Vs setImmediate的结果可能是随机的，所以就会出现有的时候setImmediate在setTimeout(fn,0)之前执行，有的时候在setTimeout(fn,0)之后执行

toBeTheLight commented

你好，我有两个疑问。

  1. node和浏览器的不同。在循环过程中，node中每个阶段的任务是一次性拿出，执行完毕后再清空执行microtask/nextTick，再进行下个阶段，而浏览器是执行一个macrotask，就执行清空microtask/nextTick，再进行下个macrotask任务，是这样吗？
  2. 比如说我在timer阶段执行setTimeout过程中创建的setTimeout是进入下轮loop吗，还是直接放入当前阶段？(我知道如果执行timer时创建了check，肯定会优先放入当前loop，有这个疑问主要是写了很多测试代码，不知道是不是哪里搞错了，过一会执行结果就变了）
xtx1130 commented

@toBeTheLight 正好watch这个blog，看到了你的问题，第二个问题我可以回答你：
setTimeout(fn,time) 这里面的fn是以相同的time为基准，把fn存储到一个双向链表中。当：

setTimeout(() => setTimeout(fn,0),0)

在运行event-loop的timers阶段的时候：
外层的setTimeout会执行此时刻链表里面的所有fn，而只有在执行到外层的fn（即() => setTimeout(fn,0)）的时候，才能把内部的fn注册到setTimeout中，所以会移到下一个event-loop的timers阶段运行。但是如果内层是setImmediate的时候，会把setImmediate注册到check阶段，而此轮event-loop的check阶段尚未运行，所以会放到此轮的event-loop中运行。有兴趣的话可以看一下timer.js的源码了解一下原理

  • ❤️1
ProfutW commented

setImmediate属于check观察者没错，但是并不是每次只执行链表中的一个回调函数，而是一次取出全部执行完：

setImmediate(() => {
    console.log('setImmediate1');
    process.nextTick(() => {
        console.log('nextTick');
    });
});
setImmediate(() => {
    console.log('setImmediate2');
});
setImmediate(() => {
    console.log('setImmediate3');
});

nextTick是最后输出的。