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JavaScript 事件循环

介绍​

JavaScript是一种单线程语言，这意味着它一次只能执行一个操作。但在网页开发中，我们经常需要处理多个任务，比如用户交互、数据获取和计时器等。那么JavaScript如何在单线程环境下处理这些并发操作呢？答案就是事件循环(Event Loop)。

事件循环是JavaScript运行时环境(浏览器或Node.js)提供的一种机制，帮助处理异步操作，使JavaScript能够非阻塞地执行代码。理解事件循环对于编写高效、无阻塞的JavaScript代码至关重要。

JavaScript 的执行环境​

在深入事件循环之前，我们需要了解JavaScript的执行环境包含以下几个关键部分：

  1. 调用栈(Call Stack)：追踪当前正在执行的函数
  2. 任务队列(Task Queue)：存放待执行的宏任务(macrotasks)
  3. 微任务队列(Microtask Queue)：存放待执行的微任务(microtasks)
  4. 事件循环(Event Loop)：协调这些组件，决定何时执行哪些代码

调用栈​

调用栈是JavaScript引擎跟踪函数执行的机制。当我们调用一个函数时，它会被添加(推入)到栈顶；当函数执行完成时，它会从栈中移除(弹出)。

让我们看一个简单的例子：

javascript
function multiply(a, b) {
  return a * b;
}

function calculate() {
  const result = multiply(5, 3);
  console.log(result);
}

calculate();

执行过程如下：

  1. calculate() 被推入调用栈
  2. calculate 内部调用 multiply(5, 3)，所以 multiply 被推入栈顶
  3. multiply 计算完成返回结果，从栈中弹出
  4. calculate 继续执行，调用 console.log()
  5. console.log() 执行完成后弹出栈
  6. calculate 执行完成，从栈中弹出

宏任务(Macrotasks)​

宏任务代表了大部分的异步操作，包括：

  • setTimeout
  • setInterval
  • setImmediate(Node.js环境)
  • I/O操作
  • UI渲染
  • 事件回调

这些任务会被添加到任务队列中，等待事件循环将它们移到调用栈中执行。

javascript
console.log('开始');

setTimeout(() => {
  console.log('定时器回调');
}, 0);

console.log('结束');

输出结果：

开始
结束
定时器回调

虽然定时器设置为0毫秒，但它仍然作为宏任务被添加到任务队列，要等到当前执行栈清空后才会执行。

微任务(Microtasks)​

微任务是另一种类型的异步任务，它们比宏任务具有更高的优先级。每当一个宏任务执行完毕，JavaScript引擎会清空整个微任务队列，然后再执行下一个宏任务。

常见的微任务包括：

  • Promise回调 (.then(), .catch(), .finally())
  • queueMicrotask()
  • MutationObserver
  • process.nextTick(Node.js环境)

让我们看一个包含宏任务和微任务的例子：

javascript
console.log('1. 脚本开始');

setTimeout(() => {
  console.log('2. 宏任务 - 定时器回调');
}, 0);

Promise.resolve()
  .then(() => {
    console.log('3. 微任务 - Promise回调');
  });

console.log('4. 脚本结束');

输出结果：

1. 脚本开始
4. 脚本结束
3. 微任务 - Promise回调
2. 宏任务 - 定时器回调
备注

注意Promise回调在setTimeout回调之前执行，这是因为微任务队列会在每个宏任务执行完成后立即清空。

事件循环详解​

现在让我们更深入地了解事件循环的工作流程：

  1. 执行全局JavaScript代码(第一个宏任务)
  2. 检查调用栈是否为空
  3. 如果调用栈为空，检查微任务队列
  4. 执行所有微任务直到微任务队列为空
  5. 执行下一个宏任务(从任务队列中取出)
  6. 回到步骤2，重复循环

复杂示例​

让我们通过一个更复杂的例子来理解事件循环：

javascript
console.log('1. 脚本开始');

setTimeout(() => {
  console.log('2. 第一个宏任务(setTimeout)');
  
  Promise.resolve().then(() => {
    console.log('3. 第一个宏任务中的微任务');
  });
}, 0);

Promise.resolve().then(() => {
  console.log('4. 第一个微任务');
  
  setTimeout(() => {
    console.log('5. 微任务中的宏任务');
  }, 0);
});

Promise.resolve().then(() => {
  console.log('6. 第二个微任务');
});

console.log('7. 脚本结束');

输出结果：

1. 脚本开始
7. 脚本结束
4. 第一个微任务
6. 第二个微任务
2. 第一个宏任务(setTimeout)
3. 第一个宏任务中的微任务
5. 微任务中的宏任务

让我们分析这个执行过程：

  1. 同步执行脚本，输出"1. 脚本开始"
  2. 遇到setTimeout，将其回调函数加入宏任务队列
  3. 遇到第一个Promise.then，将其回调函数加入微任务队列
  4. 遇到第二个Promise.then，将其回调函数加入微任务队列
  5. 输出"7. 脚本结束"，同步脚本执行完毕(第一个宏任务完成)
  6. 检查微任务队列，执行第一个微任务，输出"4. 第一个微任务"，并将新的setTimeout加入宏任务队列
  7. 继续执行第二个微任务，输出"6. 第二个微任务"
  8. 微任务队列清空，取出宏任务队列中的第一个任务(第一个setTimeout回调)
  9. 执行该宏任务，输出"2. 第一个宏任务(setTimeout)"，并将新的Promise回调加入微任务队列
  10. 该宏任务执行完毕，检查微任务队列，执行微任务，输出"3. 第一个宏任务中的微任务"
  11. 微任务队列清空，取出宏任务队列中的下一个任务(第二个setTimeout回调)
  12. 执行该宏任务，输出"5. 微任务中的宏任务"

实际应用场景​

场景1：点击事件和数据获取​

javascript
const button = document.querySelector('#loadDataButton');

button.addEventListener('click', () => {
  console.log('按钮被点击');
  
  // 模拟API请求
  fetch('https://api.example.com/data')
    .then(response => response.json())
    .then(data => {
      console.log('数据获取成功');
      updateUI(data); // 更新UI的函数
    })
    .catch(error => {
      console.error('获取数据失败', error);
    });
    
  console.log('请求已发送');
});

function updateUI(data) {
  // 更新UI的代码
  console.log('UI已更新');
}

当用户点击按钮时：

  1. 点击事件作为宏任务被处理
  2. 输出"按钮被点击"
  3. fetch API发送网络请求，这是一个异步操作
  4. 输出"请求已发送"
  5. 当网络请求完成，.then 回调被添加到微任务队列
  6. 处理JSON数据，并将下一个 .then 添加到微任务队列
  7. 数据处理完成，输出"数据获取成功"
  8. 调用 updateUI 函数
  9. 输出"UI已更新"

场景2：定时器与动画​

javascript
function animateElement() {
  let position = 0;
  const element = document.getElementById('movingElement');
  
  function move() {
    position += 5;
    element.style.left = position + 'px';
    
    if (position < 300) {
      // 使用setTimeout创建下一帧
      setTimeout(move, 16); // 约60fps
    }
  }
  
  move();
}

// 启动动画
document.getElementById('startButton').addEventListener('click', animateElement);

这个例子中：

  1. 点击事件触发 animateElement 函数
  2. move 函数更新元素位置
  3. 如果动画未完成，使用 setTimeout 安排下一次更新
  4. 每个 setTimeout 回调都是一个新的宏任务
提示

现代浏览器提供了专门的 requestAnimationFrame API，它比 setTimeout 更适合创建动画，因为它会在浏览器的重绘之前调用回调函数，从而实现更流畅的动画。

事件循环与浏览器渲染​

浏览器的渲染操作(重排和重绘)通常发生在宏任务之间，在微任务队列清空之后。这意味着：

  1. 执行一个宏任务
  2. 执行所有微任务
  3. 执行UI渲染(如果需要)
  4. 执行下一个宏任务
  5. ...重复上述过程

这就是为什么处理复杂DOM操作时，应该考虑使用微任务或下一个宏任务，以确保DOM已经更新。

Node.js中的事件循环​

虽然Node.js的事件循环基于相同的概念，但它的实现与浏览器略有不同。Node.js的事件循环有多个阶段，每个阶段负责不同类型的操作：

  1. timers：处理 setTimeout 和 setInterval 回调
  2. pending callbacks：执行延迟到下一个循环迭代的I/O回调
  3. idle, prepare：仅内部使用
  4. poll：获取新的I/O事件，执行I/O相关回调
  5. check：执行 setImmediate() 回调
  6. close callbacks：执行关闭事件的回调，如 socket.on('close', ...)

还有一个重要的区别是，Node.js中的 process.nextTick() 优先级高于所有微任务，它会在当前操作完成后立即执行，即使还有其他微任务等待执行。

总结​

JavaScript事件循环是一种强大的机制，使得单线程的JavaScript能够处理异步操作：

  • JavaScript运行时维护一个调用栈、一个宏任务队列和一个微任务队列
  • 事件循环不断检查调用栈，并决定执行哪些任务
  • 微任务优先级高于宏任务，每当宏任务执行完毕，会清空所有微任务
  • 常见的宏任务包括：setTimeout、setInterval、事件回调等
  • 常见的微任务包括：Promise回调、queueMicrotask()等

理解事件循环有助于编写更高效的异步JavaScript代码，避免阻塞操作，并更好地控制代码的执行顺序。

练习与深入学习​

  1. 练习题: 尝试预测以下代码的输出顺序:

    javascript
    console.log('开始');

    setTimeout(() => {
      console.log('setTimeout 1');
      Promise.resolve().then(() => {
        console.log('Promise在setTimeout中');
      });
    }, 0);

    Promise.resolve().then(() => {
      console.log('Promise 1');
      setTimeout(() => {
        console.log('setTimeout在Promise中');
      }, 0);
    });

    console.log('结束');

  2. 实验: 创建一个具有多个嵌套Promise和setTimeout的程序，观察执行顺序。

  3. 进阶学习资源:

通过深入理解事件循环，你将能够更好地编写异步JavaScript代码，处理复杂的计时和交互场景，并优化应用性能。