为什么JavaScript是单线程?
JavaScript是一门==单线程、非阻塞==的脚本语言,目的是为了实现与浏览器交互。
JavaScript的单线程,与它的用途有关。作为浏览器脚本语言,JavaScript的主要用途是与用户互动,以及操作DOM。这决定了它只能是单线程,否则会带来很复杂的同步问题。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。
浏览器中的 Event Loop
Event Loop
执行栈
当我们调用一个方法的时候,js会生成一个与这个方法相对应的执行环境,也叫执行上下文,这个执行环境存在着这个方法的私有作用域、参数、this对象等等。因为js是单线程的,同一时间只能执行一个方法,所以当一系列的方法被依次调用的时候,js会先解析这些方法,把其中的同步任务按照执行顺序排队到一个地方,这个地方叫做执行栈。
事件队列
当我们发出一个ajax请求,他并不会立刻返回结果,为了防止浏览器出现假死或者空白,主线程会把这个异步任务挂起(pending),继续执行执行栈中的其他任务,等异步任务返回结果后,js会将这个异步任务按照执行顺序,加入到与执行栈不同的另一个队列,也就是事件队列。

setTimeout
1 | setTimeout(() => { |
流程:
task()进入Event Table并注册,计时开始。- 执行
sleep函数,很慢,非常慢,计时仍在继续。 - 3秒到了,计时事件
timeout完成,task()进入Event Queue,但是sleep也太慢了吧,还没执行完,只好等着。 sleep终于执行完了,task()终于从Event Queue进入了主线程执行。
即便主线程为空,0毫秒实际上也是达不到的。根据HTML的标准,最低是4毫秒。
setInterval
对于执行顺序来说,setInterval会每隔指定的时间将注册的函数置入Event Queue,如果前面的任务耗时太久,那么同样需要等待。
唯一需要注意的一点是,对于setInterval(fn,ms)来说,我们已经知道不是每过ms秒会执行一次fn,而是每过ms秒,会有fn进入Event Queue。一旦setInterval的回调函数fn执行时间超过了延迟时间ms,那么就完全看不出来有时间间隔了。
Promise与process.nextTick(callback)
process.nextTick(callback)类似node.js版的”setTimeout”,在事件循环的下一次循环中调用callback回调函数。
除了广义的同步任务和异步任务,还有进一步的细分:
宏任务
(macro)task(又称之为宏任务),可以理解是每次执行栈执行的代码就是一个宏任务(包括每次从事件队列中获取一个事件回调并放到执行栈中执行)。
浏览器为了能够使得JS内部(macro)task与DOM任务能够有序的执行,会在一个(macro)task执行结束后,在下一个(macro)task 执行开始前,对页面进行重新渲染,流程如下:
1 | (macro)task->渲染->(macro)task->... |
(macro)task主要包含:script(整体代码)、setTimeout、setInterval、I/O、UI交互事件、postMessage、MessageChannel、setImmediate(Node.js 环境)
微任务
microtask(又称为微任务),可以理解是在当前 task 执行结束后立即执行的任务。也就是说,在当前task任务后,下一个task之前,在渲染之前。
所以它的响应速度相比setTimeout(setTimeout是task)会更快,因为无需等渲染。也就是说,在某一个macrotask执行完后,就会将在它执行期间产生的所有microtask都执行完毕(在渲染前)。
microtask主要包含:Promise.then、MutaionObserver、process.nextTick(Node.js 环境)
运行机制
在事件循环中,每进行一次循环操作称为 tick,每一次 tick 的任务处理模型是比较复杂的,但关键步骤如下:
- 执行一个宏任务(栈中没有就从事件队列中获取)
- 执行过程中如果遇到微任务,就将它添加到微任务的任务队列中
- 宏任务执行完毕后,立即执行当前微任务队列中的所有微任务(依次执行)
- 当前宏任务执行完毕,开始检查渲染,然后GUI线程接管渲染
- 渲染完毕后,JS线程继续接管,开始下一个宏任务(从事件队列中获取)

Promise和async中的立即执行
我们知道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做了什么?
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microtask中,然后就会跳出整个async函数来执行后面的代码。
1 | async function async1() { |
等价于
1 | async function async1() { |

当执行栈中的任务清空,主线程会先检查微任务队列中是否有任务,如果有,就将微任务队列中的任务依次执行,直到微任务队列为空,之后再检查宏任务队列中是否有任务,如果有,则每次取出第一个宏任务加入到执行栈中,之后再清空执行栈,检查微任务,以此循环… …
例题:
1 | //请写出输出内容 |
==分析:==
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。所以,上面例子的第一步执行如下图所示:

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:
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。
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。
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。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。
1 | console.log('1'); |
第一轮事件循环流程分析如下:
- 整体script作为第一个宏任务进入主线程,遇到
console.log,输出1。 - 遇到
setTimeout,其回调函数被分发到宏任务Event Queue中。我们暂且记为setTimeout1。 - 遇到
process.nextTick(),其回调函数被分发到微任务Event Queue中。我们记为process1。 - 遇到
Promise,new Promise直接执行,输出7。then被分发到微任务Event Queue中。我们记为then1。 - 又遇到了
setTimeout,其回调函数被分发到宏任务Event Queue中,我们记为setTimeout2。
| 宏任务Event Queue | 微任务Event Queue |
|---|---|
| setTimeout1 | process1 |
| setTimeout2 | then1 |
- 上表是第一轮事件循环宏任务结束时各Event Queue的情况,此时已经输出了1和7。
- 我们发现了
process1和then1两个微任务。 - 执行
process1,输出6。 - 执行
then1,输出8。
好了,第一轮事件循环正式结束,这一轮的结果是输出1,7,6,8。那么第二轮时间循环从setTimeout1宏任务开始:
- 首先输出2。接下来遇到了
process.nextTick(),同样将其分发到微任务Event Queue中,记为process2。new Promise立即执行输出4,then也分发到微任务Event Queue中,记为then2。
| 宏任务Event Queue | 微任务Event Queue |
|---|---|
| setTimeout2 | process2 |
| then2 |
- 第二轮事件循环宏任务结束,我们发现有
process2和then2两个微任务可以执行。 - 输出3。
- 输出5。
- 第二轮事件循环结束,第二轮输出2,4,3,5。
- 第三轮事件循环开始,此时只剩setTimeout2了,执行。
- 直接输出9。
- 将
process.nextTick()分发到微任务Event Queue中。记为process3。 - 直接执行
new Promise,输出11。 - 将
then分发到微任务Event Queue中,记为then3。
| 宏任务Event Queue | 微任务Event Queue |
|---|---|
| process3 | |
| then3 |
- 第三轮事件循环宏任务执行结束,执行两个微任务
process3和then3。 - 输出10。
- 输出12。
- 第三轮事件循环结束,第三轮输出9,11,10,12。
整段代码,共进行了三次事件循环,完整的输出为1,7,6,8,2,4,3,5,9,11,10,12。
1 | async function a1 () { |
promise与setTimeout 判断执行顺序
promise和setTimeout都会将事件放入异步队列,但setTimeout即便是写0,也会有4ms的延迟
1 | console.log('begin'); |
答案
1 | begin |
async函数的使用
1 | function repeat(func, times, wait) { |
我自己的实现,没有成功。这种实现是setTimeout新建了两个,然而只清理了一个。
1 | function repeat(func, times, wait) { |
正确解法:使用 async/await来实现
1 | async function wait(seconds) { |
async执行练习
- await后面的才是异步的,之前都是同步的
1 | async function async1() { |
关于 setTimeOut、setImmediate、process.nextTick()的比较
setTimeout()
将事件插入到了事件队列,必须等到当前代码(执行栈)执行完,主线程才会去执行它指定的回调函数。 当主线程时间执行过长,无法保证回调会在事件指定的时间执行。 浏览器端每次setTimeout会有4ms的延迟,当连续执行多个setTimeout,有可能会阻塞进程,造成性能问题。
setImmediate()
事件插入到事件队列尾部,主线程和事件队列的函数执行完成之后立即执行。和setTimeout(fn,0)的效果差不多。 服务端node提供的方法。浏览器端最新的api也有类似实现:window.setImmediate,但支持的浏览器很少。
process.nextTick()
插入到事件队列尾部,但在下次事件队列之前会执行。也就是说,它指定的任务总是发生在所有异步任务之前,当前主线程的末尾。 大致流程:当前”执行栈”的尾部–>下一次Event Loop(主线程读取”任务队列”)之前–>触发process指定的回调函数。 服务器端node提供的办法。用此方法可以用于处于异步延迟的问题。 可以理解为:此次不行,预约下次优先执行。
Node中的Event Loop
一、线程与进程
1.概念
我们经常说JS是单线程执行的,指的是一个进程里只有一个主线程,那到底什么是线程?什么是进程?
官方的说法是:进程是CPU资源分配的最小单位;线程是CPU调度的最小单位。这两句话并不好理解,我们先来看张图:
- 进程好比图中的工厂,有单独的专属自己的工厂资源。
- 线程好比图中的工人,多个工人在一个工厂中协作工作,工厂与工人是 1:n的关系。也就是说一个进程由一个或多个线程组成,线程是一个进程中代码的不同执行路线;
- 工厂的空间是工人们共享的,这象征一个进程的内存空间是共享的,每个线程都可用这些共享内存。
- 多个工厂之间独立存在。
2.多进程与多线程
- 多进程:在同一个时间里,同一个计算机系统中如果允许两个或两个以上的进程处于运行状态。多进程带来的好处是明显的,比如你可以听歌的同时,打开编辑器敲代码,编辑器和听歌软件的进程之间丝毫不会相互干扰。
- 多线程:程序中包含多个执行流,即在一个程序中可以同时运行多个不同的线程来执行不同的任务,也就是说允许单个程序创建多个并行执行的线程来完成各自的任务。
以Chrome浏览器中为例,当你打开一个 Tab 页时,其实就是创建了一个进程,一个进程中可以有多个线程(下文会详细介绍),比如渲染线程、JS 引擎线程、HTTP 请求线程等等。当你发起一个请求时,其实就是创建了一个线程,当请求结束后,该线程可能就会被销毁。
二、浏览器内核
简单来说浏览器内核是通过取得页面内容、整理信息(应用CSS)、计算和组合最终输出可视化的图像结果,通常也被称为渲染引擎。
浏览器内核是多线程,在内核控制下各线程相互配合以保持同步,一个浏览器通常由以下常驻线程组成:
- GUI 渲染线程
- JavaScript引擎线程
- 定时触发器线程
- 事件触发线程
- 异步http请求线程
1.GUI渲染线程
- 主要负责页面的渲染,解析HTML、CSS,构建DOM树,布局和绘制等。
- 当界面需要重绘或者由于某种操作引发回流时,将执行该线程。
- 该线程与JS引擎线程互斥,当执行JS引擎线程时,GUI渲染会被挂起,当任务队列空闲时,主线程才会去执行GUI渲染。
2.JS引擎线程
- 该线程当然是主要负责处理 JavaScript脚本,执行代码。
- 也是主要负责执行准备好待执行的事件,即定时器计数结束,或者异步请求成功并正确返回时,将依次进入任务队列,等待 JS引擎线程的执行。
- 当然,该线程与 GUI渲染线程互斥,当 JS引擎线程执行 JavaScript脚本时间过长,将导致页面渲染的阻塞。
3.定时器触发线程
- 负责执行异步定时器一类的函数的线程,如: setTimeout,setInterval。
- 主线程依次执行代码时,遇到定时器,会将定时器交给该线程处理,当计数完毕后,事件触发线程会将计数完毕后的事件加入到任务队列的尾部,等待JS引擎线程执行。
4.事件触发线程
- 主要负责将准备好的事件交给 JS引擎线程执行。
比如 setTimeout定时器计数结束, ajax等异步请求成功并触发回调函数,或者用户触发点击事件时,该线程会将整装待发的事件依次加入到任务队列的队尾,等待 JS引擎线程的执行。
5.异步http请求线程
- 负责执行异步请求一类的函数的线程,如: Promise,axios,ajax等。
- 主线程依次执行代码时,遇到异步请求,会将函数交给该线程处理,当监听到状态码变更,如果有回调函数,事件触发线程会将回调函数加入到任务队列的尾部,等待JS引擎线程执行。
三、Node 中的 Event Loop
1.Node简介
Node 中的 Event Loop 和浏览器中的是完全不相同的东西。Node.js采用V8作为js的解析引擎,而I/O处理方面使用了自己设计的libuv,libuv是一个基于事件驱动的跨平台抽象层,封装了不同操作系统一些底层特性,对外提供统一的API,事件循环机制也是它里面的实现(下文会详细介绍)。
- V8引擎解析JavaScript脚本。
- 解析后的代码,调用Node API。
- libuv库负责Node API的执行。它将不同的任务分配给不同的线程,形成一个Event Loop(事件循环),以异步的方式将任务的执行结果返回给V8引擎。
- V8引擎再将结果返回给用户。
2.六个阶段
其中libuv引擎中的事件循环分为 6 个阶段,它们会按照顺序反复运行。每当进入某一个阶段的时候,都会从对应的回调队列中取出函数去执行。当队列为空或者执行的回调函数数量到达系统设定的阈值,就会进入下一阶段。
流程:
- 执行全局Script的同步代码
- 执行microtask微任务,先执行所有nextTick Queue中的所有任务,再执行other microtask中的所有任务
- 开始执行macrotask宏任务,共6个阶段,从第一个阶段开始执行相应每一个阶段macrotask中的所有宏任务,⚠️注意,这里是所有每个阶段宏任务队列的所有任务,在浏览器的Event Loop中只取宏队列中的第一个任务出来执行,每一个阶段的macrotask任务执行完毕后,开始执行微任务,也就是步骤2
- Timers Queue -> microtask Queue ->I/O Queue -> microtask Queue -> Check Queue -> microtask Queue -> Close Callback Queue -> microtask Queue -> Timers Queue……
从上图中,大致看出node中的事件循环的顺序:
外部输入数据–>轮询阶段(poll)–>检查阶段(check)–>关闭事件回调阶段(close callback)–>定时器检测阶段(timer)–>I/O事件回调阶段(I/O callbacks)–>闲置阶段(idle, prepare)–>轮询阶段(按照该顺序反复运行)…
- timers 阶段:这个阶段执行timer(setTimeout、setInterval)的回调
- I/O callbacks 阶段:处理一些上一轮循环中的少数未执行的 I/O 回调
- 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() 的回调
- close callbacks 阶段:执行 socket 的 close 事件回调
注意:上面六个阶段都不包括 process.nextTick()(下文会介绍)
接下去我们详细介绍timers、poll、check这3个阶段,因为日常开发中的绝大部分异步任务都是在这3个阶段处理的。
(1) timer
timers 阶段会执行 setTimeout 和 setInterval 回调,并且是由 poll 阶段控制的。
同样,在 Node 中定时器指定的时间也不是准确时间,只能是尽快执行。
(2) poll
poll 是一个至关重要的阶段,这一阶段中,系统会做两件事情
1.回到 timer 阶段执行回调
2.执行 I/O 回调
并且在进入该阶段时如果没有设定了 timer 的话,会发生以下两件事情
- 如果 poll 队列不为空,会遍历回调队列并同步执行,直到队列为空或者达到系统限制
- 如果 poll 队列为空时,会有两件事发生
- 如果有 setImmediate 回调需要执行,poll 阶段会停止并且进入到 check 阶段执行回调
- 如果没有 setImmediate 回调需要执行,会等待回调被加入到队列中并立即执行回调,这里同样会有个超时时间设置防止一直等待下去
当然设定了 timer 的话且 poll 队列为空,则会判断是否有 timer 超时,如果有的话会回到 timer 阶段执行回调。
(3) check阶段
setImmediate()的回调会被加入check队列中,从event loop的阶段图可以知道,check阶段的执行顺序在poll阶段之后。
我们先来看个例子:
1 | console.log('start') |
- 一开始执行栈的同步任务(这属于宏任务)执行完毕后(依次打印出start end,并将2个timer依次放入timer队列),会先去执行微任务(这点跟浏览器端的一样),所以打印出promise3
- 然后进入timers阶段,执行timer1的回调函数,打印timer1,并将promise.then回调放入microtask队列,同样的步骤执行timer2,打印timer2;这点跟浏览器端相差比较大,timers阶段有几个setTimeout/setInterval都会依次执行,并不像浏览器端,每执行一个宏任务后就去执行一个微任务(关于Node与浏览器的 Event Loop 差异,下文还会详细介绍)。
3.Micro-Task 与 Macro-Task
Node端事件循环中的异步队列也是这两种:macro(宏任务)队列和 micro(微任务)队列。
- 常见的 macro-task 比如:setTimeout、setInterval、 setImmediate、script(整体代码)、 I/O 操作等。
- 常见的 micro-task 比如: process.nextTick、new Promise().then(回调)等。
4.注意点
(1) setTimeout 和 setImmediate
二者非常相似,区别主要在于调用时机不同。
setImmediate 设计在poll阶段完成时执行,即check阶段;
setTimeout 设计在poll阶段为空闲时,且设定时间到达后执行,但它在timer阶段执行
1
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6setTimeout(function timeout() {
console.log('timeout');
}, 0);
setImmediate(function immediate() {
console.log('immediate');
});对于以上代码来说,setTimeout 可能执行在前,也可能执行在后。
首先 setTimeout(fn, 0) === setTimeout(fn, 1),这是由源码决定的
进入事件循环也是需要成本的,如果在准备时候花费了大于1ms的时间,那么在timer阶段就会直接执行 setTimeout回调如果准备时间花费小于1ms,那么就是setImmediate回调先执行了
但当二者在异步i/o callback内部调用时,总是先执行setImmediate,再执行setTimeout
1 | const fs = require('fs') |
在上述代码中,setImmediate 永远先执行。因为两个代码写在 IO 回调中,IO 回调是在 poll 阶段执行,当回调执行完毕后队列为空,发现存在 setImmediate 回调,所以就直接跳转到 check 阶段去执行回调了。
(2) process.nextTick
这个函数其实是独立于 Event Loop 之外的,它有一个自己的队列,当每个阶段完成后,如果存在 nextTick 队列,就会清空队列中的所有回调函数,并且优先于其他 microtask 执行。
1 | setTimeout(() => { |
四、Node与浏览器的 Event Loop 差异
浏览器环境下,microtask的任务队列是每个macrotask执行完之后执行。而在Node.js中,microtask会在事件循环的各个阶段之间执行,也就是一个阶段执行完毕,就会去执行microtask队列的任务。
接下我们通过一个例子来说明两者区别:
1 | setTimeout(()=>{ |
浏览器端运行结果:timer1=>promise1=>timer2=>promise2
浏览器端的处理过程如下:
Node端运行结果分两种情况:
- 如果是node11版本一旦执行一个阶段里的一个宏任务(setTimeout,setInterval和setImmediate)就立刻执行微任务队列,这就跟浏览器端运行一致,最后的结果为
timer1=>promise1=>timer2=>promise2 - 如果是node10及其之前版本:要看第一个定时器执行完,第二个定时器是否在完成队列中。
- 如果是第二个定时器还未在完成队列中,最后的结果为
timer1=>promise1=>timer2=>promise2 - 如果是第二个定时器已经在完成队列中,则最后的结果为
timer1=>timer2=>promise1=>promise2(下文过程解释基于这种情况下)
- 如果是第二个定时器还未在完成队列中,最后的结果为
1.全局脚本(main())执行,将2个timer依次放入timer队列,main()执行完毕,调用栈空闲,任务队列开始执行;
2.首先进入timers阶段,执行timer1的回调函数,打印timer1,并将promise1.then回调放入microtask队列,同样的步骤执行timer2,打印timer2;
3.至此,timer阶段执行结束,event loop进入下一个阶段之前,执行microtask队列的所有任务,依次打印promise1、promise2
五、总结
浏览器和Node 环境下,microtask 任务队列的执行时机不同
- Node端,microtask 在事件循环的各个阶段之间执行
- 浏览器端,microtask 在事件循环的 macrotask 执行完之后执行
1 | console.time('start'); |
流程:
- 先执行script整体代码,遇到setTimeout放入Timer Queue中,遇到setImmediate放入Check Queue中
- 第一段的script宏任务执行完毕,此时输出为3、4、6、8,开始执行微任务,process.nextTick永远优先于其他微任务,接着输出为7、5
- 这时开始去Timer Queue中查看有没有任务,如果此时setTimeout delay已经到了,放入了Queue中,则剩下的顺序为2、1
- 否则,按顺序查找到了Check Queue,执行1,经过一轮循环再次到了Timer Queue,发现setTimeout在里面,执行2
- 每次Queue中都会穿插着微任务队列执行。