JavaScript 的顺序执行执行机制

程序员文章站 2022-07-15 15:47:25

...

先上一个今日头条的面试题

async function async1() {
    console.log('async1 start');
    await async2();
    console.log('async1 end');
}
async function async2() {
    console.log('async2');
}

console.log('script start');

setTimeout(function() {
    console.log('setTimeout');
}, 0)

async1();

new Promise(function(resolve) {
    console.log('promise1');
    resolve();
}).then(function() {
    console.log('promise2');
});
console.log('script end');


/* 输出：
script start
async1 start
async2
promise1
script end
async1 end
promise2
setTimeout
*/

1.单线程的JavaScript

大家都知道，JavaScript是单线程语言，执行顺序是自上而下。JavaScript没有多线程的概念，所有的程序都是单线程依次执行的。就是代码在执行过程中，另一段代码想要执行就必须等当前代码执行完成后才可以进行。

注意，JavaScript 只在一个线程上运行，不代表 JavaScript 引擎只有一个线程。事实上，JavaScript 引擎有多个线程，单个脚本只能在一个线程上运行（称为主线程），其他线程都是在后台配合

那为什么js是单线程而不能是多线程呢？多线程效率不是更高吗？

JavaScript 之所以采用单线程，而不是多线程，与它的用途有关系，作为网页脚本语言，JavaScript的主要用途是与用户互动，以及操作DOM。

如果 JavaScript 同时有两个线程，一个线程在网页 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？是不是还要有锁机制？

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。

所以，为了避免复杂性，JavaScript 一开始就是单线程，这已经成了这门语言的核心特征，将来也不会改变。

这种模式的好处是实现起来比较简单，执行环境相对单纯；坏处是只要有一个任务耗时很长，后面的任务都必须排队等着，会拖延整个程序的执行。

常见的浏览器无响应（假死），往往就是因为某一段 JavaScript 代码长时间运行（比如死循环），导致整个页面卡在这个地方，其他任务无法执行。

JavaScript 语言本身并不慢，慢的是读写外部数据，比如等待 Ajax 请求返回结果。这个时候，如果对方服务器迟迟没有响应，或者网络不通畅，就会导致脚本的长时间停滞。

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 操作（输入输出）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 操作，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到 IO 操作返回了结果，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“事件循环”机制（Event Loop）。

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。如果用得好，JavaScript 程序是不会出现堵塞的，这就是为什么 Node 可以用很少的资源，应付大流量访问的原因。

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。

现在我们看一段代码

function fn(){
    console.log('start');
    setTimeout(()=>{
        console.log('setTimeout');
    },0);
    console.log('end');
}

fn() // 输出 start end setTimeout

既然JavaScript的执行顺序是自上而下的，那上面那段代码的执行顺序为什么会被打乱了呢？

因为JavaScript的执行模式有两种：同步和异步

2.JavaScript的同步和异步

程序里面所有的任务，可以分成两类：同步任务（synchronous） 和 异步任务（asynchronous）。
什么是同步和异步呢？同步和异步又是如何实现的呢？

同步任务 ：是那些没有被引擎挂起、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： 是那些被引擎放在一边，不进入主线程、而进入 任务队列 的任务。只有引擎认为某个异步任务可以执行了（比如 Ajax 操作从服务器得到了结果），该任务（采用回调函数的形式）才会进入主线程执行。（通俗讲就是只有"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。）

排在异步任务后面的代码，不用等待异步任务结束会马上运行，也就是说，异步任务不具有“堵塞”效应。

举例来说，Ajax 操作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，主线程在发出 Ajax 请求以后，就直接往下执行，等到 Ajax 操作有了结果，主线程再执行对应的回调函数。

js中包含诸多创建异步的函数如:
seTimeout，setInterval，dom事件，ajax，Promise，process.nextTick等函数

3.任务队列和事件循环

JavaScript 运行时，除了一个正在运行的主线程，引擎还提供一个任务队列（task queue），里面是各种需要当前程序处理的异步任务。（实际上，根据异步任务的类型，存在多个任务队列。为了方便理解，这里假设只存在一个队列。）

JavaScript 的顺序执行执行机制

首先，主线程会去执行所有的同步任务。等到同步任务全部执行完，就会去看任务队列里面的异步任务。
如果满足条件，那么异步任务就重新进入主线程开始执行，这时它就变成同步任务了。等到执行完，下一个异步任务再进入主线程开始执行。一旦任务队列清空，程序就结束执行。

异步任务的写法通常是回调函数。一旦异步任务重新进入主线程，就会执行对应的回调函数。如果一个异步任务没有回调函数，就不会进入任务队列，也就是说，不会重新进入主线程，因为没有用回调函数指定下一步的操作。 JavaScript 的顺序执行执行机制

因为单线程，所以代码自上而下执行，所有代码被放到执行栈中执行；
遇到异步函数将回调函数添加到一个任务队列里面；
当执行栈中的代码执行完以后，会去循环任务队列里的函数;
将任务队列里的函数放到执行栈中执行;
如此往复，称为事件循环;

JavaScript 引擎怎么知道异步任务有没有结果，能不能进入主线程呢？答案就是引擎在不停地检查，一遍又一遍，只要同步任务执行完了，引擎就会去检查那些挂起来的异步任务，是不是可以进入主线程了。这种循环检查的机制，就叫做事件循环。
这样分析，上面那一段代码就得到了合理的解释。
再来看一下这段代码：

function fn() {
    setTimeout(()=>{
        console.log('a');
    },0);
    new Promise((resolve)=>{
        console.log('b');
        resolve();
    }).then(()=>{
        console.log('c')
    });
}
fn() // b c a

4.Promise和async 立即执行

Promise中的异步体现在then和catch中，所以写在Promise中的代码是被当做同步任务立即执行的。
而在async/await中，在出现await出现之前，其中的代码也是立即执行的。那么出现了await时候发生了什么呢？

await等到之后做了什么？

很多人以为await会一直等待之后的表达式执行完之后才会继续执行后面的代码，实际上await是一个让出线程的标志。await后面的表达式会先执行一遍，将await后面的代码加入到微任务（microtask）中，然后就会跳出整个async函数来执行后面的代码。

不管await后面的代码是同步还是异步，await总是需要时间，从右向左执行，先执行右侧的代码，执行完后，发现有await关键字，于是让出线程，阻塞代码。

由于因为async await 本身就是promise+generator的语法糖。所以await后面的代码是microtask。
例如：

async function async1() {
    console.log('async1 start');
    await async2();
    console.log('async1 end');
}

等同于

async function async1() {
    console.log('async1 start');
    Promise.resolve(async2()).then(() => {
                console.log('async1 end');
        })
}

5.宏任务和微任务

两个任务分别处于任务队列中的宏队列和微队列中；
宏任务队列与微任务队列组成了任务队列;
任务队列将任务放入执行栈中执行

宏任务

宏队列，macrotask，也叫tasks。
异步任务的回调会依次进入macro task queue，等待后续被调用。

宏任务一般包括：

整体代码script
setTimeout
setInterval
setImmediate (Node独有)
requestAnimationFrame (浏览器独有)
I/O
UI rendering (浏览器独有)

微任务

微队列，microtask，也叫jobs。
异步任务的回调会依次进入micro task queue，等待后续被调用

微任务一般包括：

process.nextTick (Node独有)
Promise
Object.observe
MutationObserver

JavaScript 的顺序执行执行机制

1.执行全局Script同步代码，这些同步代码有一些是同步语句，有一些是异步语句（比如setTimeout等）。
2.全局Script代码执行完毕后，执行栈Stack会清空。
3.先从微任务队列中取出位于队首的回调任务，放入执行栈Stack中执行，执行完后微队列长度减1。
4.继续循环取出位于微队列的任务，放入执行栈Stack中执行，以此类推，直到直到把微任务执行完毕。注意，如果在执行微任务的过程中，又产生了微任务，那么会加入到微队列的末尾，也会在这个周期被调用执行。
5.微队列中的所有微任务都执行完毕，此时微队列为空队列，执行栈Stack也为空。
6.取出宏队列中的任务，放入执行栈Stack中执行。
7.执行完毕后，执行栈Stack为空。
8.重复第3-7个步骤。

以上是完成的****事件循环

6.面试题测试

现在我们再来分析一下最开始的那个面试题

async function async1() {
    console.log('async1 start');
    await async2();
    console.log('async1 end');
}
async function async2() {
    console.log('async2');
}

console.log('script start');

setTimeout(function() {
    console.log('setTimeout');
}, 0)

async1();

new Promise(function(resolve) {
    console.log('promise1');
    resolve();
}).then(function() {
    console.log('promise2');
});
console.log('script end');


/*
script start
async1 start
async2
promise1
script end
async1 end
promise2
setTimeout
*/

我们分析一下整个过程：

1.首先，事件循环从宏任务(macrotask)队列开始，这个时候，宏任务队列中，只有一个script(整体代码)任务；当遇到任务源(task source)时，则会先分发任务到对应的任务队列中去。

2.然后我们看到首先定义了两个async函数，接着往下看，然后遇到了 console 语句，直接输出 script start。输出之后，script 任务继续往下执行，遇到 setTimeout，其作为一个宏任务源，则会先将其任务分发到对应的队列中。

3.script 任务继续往下执行，执行了async1()函数，前面讲过async函数中在await之前的代码是立即执行的，所以会立即输出async1 start。
遇到了await时，会将await后面的表达式执行一遍，所以就紧接着输出async2，然后将await后面的代码也就是console.log(‘async1 end’)加入到microtask中的Promise队列中，接着跳出async1函数来执行后面的代码。

4.script任务继续往下执行，遇到Promise实例。由于Promise中的函数是立即执行的，而后续的 .then 则会被分发到 microtask 的 Promise 队列中去。所以会先输出 promise1，然后执行 resolve，将 promise2 分配到对应队列。

5.script任务继续往下执行，最后只有一句输出了 script end，至此，全局任务就执行完毕了。
根据上述，每次执行完一个宏任务之后，会去检查是否存在 Microtasks；如果有，则执行 Microtasks 直至清空 Microtask Queue。
因而在script任务执行完毕之后，开始查找清空微任务队列。此时，微任务中， Promise 队列有的两个任务async1 end和promise2，因此按先后顺序输出 async1 end，promise2。当所有的 Microtasks 执行完毕之后，表示第一轮的循环就结束了。

6.第二轮循环依旧从宏任务队列开始。此时宏任务中只有一个 setTimeout，取出直接输出即可，至此整个流程结束。

再来一个稍微复杂点的代码

function fn(){
    console.log(1);
    
    setTimeout(() => {
        console.log(2);
        Promise.resolve().then(() => {
            console.log(3);
        });
    },0);
    
    new Promise((resolve, reject) => {
        console.log(4);
        resolve(5);
    }).then(data => {
        console.log(data);
    });
    
    setTimeout(() => {
        console.log(6);
    },0);
    
    console.log(7);
}
fn(); //

流程重现

1.执行函数同步语句

step1

console.log(1);

执行栈： [ console ]
宏任务： []
微任务： []

打印结果：
1

step2

setTimeout(() => {
    // 这个回调函数叫做callback1，setTimeout属于宏任务，所以放到宏队列中
    console.log(2);
    Promise.resolve().then(() => {
        console.log(3)
    });
});

执行栈： [ setTimeout ]
宏任务： [ callback1 ]
微任务： []

打印结果：
1

step3

new Promise((resolve, reject) => {
    // 注意，这里是同步执行的
    console.log(4);
    resolve(5)
}).then((data) => {
    // 这个回调函数叫做callback2，promise属于微任务，所以放到微队列中
    console.log(data);
});

执行栈： [ promise ]
宏任务： [ callback1 ]
微任务： [ callback2 ]

打印结果：
1
4

step4

setTimeout(() => {
    // 这个回调函数叫做callback3，setTimeout属于宏任务，所以放到宏队列中
    console.log(6);
})

执行栈： [ setTimeout ]
宏任务： [ callback1 , callback3 ]
微任务： [ callback2 ]

打印结果：
1
4

step5

console.log(7)

执行栈： [ console ]
宏任务： [ callback1 , callback3 ]
微任务： [ callback2 ]

打印结果：
1
4
7

2.同步语句执行完毕，从微队列中依次取出任务执行，直到微队列为空

step6

console.log(data)       // 这里data是Promise的成功参数为5

执行栈： [ callback2 ]
宏任务： [ callback1 , callback3 ]
微任务： []

打印结果：
1
4
7
5

3.这里微队列中只有一个任务，执行完后开始从宏队列中取任务执行

step7

console.log(2);

执行栈： [ callback1 ]
宏任务： [ callback3 ]
微任务： []

打印结果：
1
4
7
5
2

但是执行callback1的时候遇到另一个Promise,Promise异步执行完毕以后在微队列中又注册了一个callback4函数

step8

Promise.resolve().then(() => {
    // 这个回调函数叫做callback4，promise属于微任务，所以放到微队列中
    console.log(3);
});

执行栈： [ Promise ]
宏任务： [ callback3 ]
微任务： [ callback4 ]

打印结果：
1
4
7
5
2

4.取出一个宏任务macrotask执行完毕，然后再去微任务队列microtask queue中依次取出执行

step9

console.log(3)

执行栈： [ callback4 ]
宏任务： [ callback3 ]
微任务： []

打印结果：
1
4
7
5
2
3

5.微队列全部执行完，再去宏队列**中取第一个任务执行

step10

console.log(6)

执行栈： [ callback3 ]
宏任务： []
微任务： []

打印结果：
1
4
7
5
2
3
6

6.以上全部执行完毕，执行栈，宏队列，****微队列**均为空
执行栈： []
宏任务： []
微任务： []

打印结果：
1
4
7
5
2
3
6

总结

1、代码的检查装载阶段（预编译阶段），此阶段进行变量和函数的声明，但是不对变量进行赋值，变量的默认值为undefined。
2、代码的执行阶段，此阶段对变量进行赋值和函数的声明。所以：Js的变量提升和函数提升会影响JS的执行结果，ES6中的let定义的变量不会提升。
3、js的执行顺序，先同步后异步。
4、异步中任务队列的执行顺序：先微任务microtask队列，再宏任务macrotask队列。
5、调用Promise 中的resolve，reject属于微任务队列，setTimeout等属于宏任务队列所以：
【同步>异步；微任务>宏任务】

部分内容摘取自
1.ES6阮一峰入门教程
2.简书行动派巨人
链接：https://www.jianshu.com/p/62c7d633a879

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先上一个今日头条的面试题

1.单线程的JavaScript

2.JavaScript的同步和异步

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