你已經(jīng)使用 Node.js 一段時間了，構(gòu)建了一些應(yīng)用程序，嘗試了不同的模塊，甚至對異步編程感到很舒適。但是有些事情一直在困擾著你——事件循環(huán)（Event Loop）。
如果你像我一樣，花費了無數(shù)個小時閱讀文檔和觀看視頻，試圖理解事件循環(huán)。但即使作為一個經(jīng)驗豐富的開發(fā)者，在完全理解它如何工作方面也可能會遇到困難。這就是為什么我準備了這份視覺指南，幫助您充分理解 Node.js 事件循環(huán)。請坐下來，拿杯咖啡，讓我們深入探索 Node.js 事件循環(huán)的世界吧。
JAVAScript 中的異步編程
我們將從 JavaScript 中異步編程的復(fù)習(xí)開始。雖然 JavaScript 在 Web、移動和桌面應(yīng)用程序中都有使用，但重要的是要記住，本質(zhì)上，JavaScript 是一種同步、阻塞、單線程的語言。讓我們通過一個簡短的代碼片段來理解這句話。
// index.js
function A() {
console.log("A");
}
function B() {
console.log("B");
}
A()
B()
// Logs A and then B
JavaScript 是同步的
如果我們有兩個將消息記錄到控制臺的函數(shù)，那么代碼會自上而下執(zhí)行，每次只執(zhí)行一行。在上述代碼片段中，我們看到 A 在 B 之前被記錄。
JavaScript 是阻塞的
JavaScript 由于其同步性質(zhì)而被阻塞。無論前一個進程需要多長時間，后續(xù)進程都不會啟動，直到前者完成為止。在代碼片段中，如果函數(shù) A 必須執(zhí)行大量代碼塊，則 JavaScript 必須在沒有轉(zhuǎn)移到函數(shù) B 的情況下完成該操作。即便這塊代碼需要耗時 10 秒甚至 1 分鐘。
你可能已經(jīng)在瀏覽器中遇到過這種情況。當 Web 應(yīng)用程序在瀏覽器中運行并且執(zhí)行一些密集的代碼塊而不返回控制權(quán)給瀏覽器時，瀏覽器可能會出現(xiàn)卡死的情況，這就是所謂的阻塞。瀏覽器被阻止繼續(xù)處理用戶輸入和執(zhí)行其他任務(wù)，直到 Web 應(yīng)用程序?qū)⑻幚砥骺刂茩?quán)歸還給瀏覽器。
JavaScript 是單線程的
線程就是你的 JavaScript 程序可以用來運行任務(wù)的進程（process）。每個線程一次只能執(zhí)行一個任務(wù)。與其他支持多線程并且可以同時運行多個任務(wù)的語言不同，JavaScript 只有一個稱為主線程的線程執(zhí)行代碼。
等待 JavaScript
如你所想，這種 JavaScript 模型會帶來問題，因為我們必須等待數(shù)據(jù)被獲取后才能繼續(xù)執(zhí)行代碼。這個等待可能需要幾秒鐘，在此期間我們無法運行任何其他代碼。如果 JavaScript 在不等待的情況下繼續(xù)處理，就會出錯。我們需要在 JavaScript 中實現(xiàn)異步行為。我們進到 Node.js 看一下。
Node.js 運行時
Node.js 運行時是一個環(huán)境，你可以在不使用瀏覽器的情況下使用和運行 JavaScript 程序。核心——Node 運行時，由三個主要組件組成。
- 外部依賴項 —— 例如 V8、libuv、crypto 等——是 Node.js 必需的功能
- C++ 特性提供了文件系統(tǒng)訪問和網(wǎng)絡(luò)等功能。
- JavaScript 庫提供了函數(shù)和工具，便于使用 JavaScript 代碼調(diào)用 C++ 特性。
雖然所有部分都很重要，但異步編程在 Node.js 中的關(guān)鍵組件是 libuv。
Libuv
Libuv[2] 是一個跨平臺的開源庫，用 C 語言編寫。在 Node.js 運行時中，它的作用是提供處理異步操作的支持。我們來看一下它是如何工作的。
Node.js 運行時中的代碼執(zhí)行
圖片
讓我們來概括一下代碼在 Node 運行時中的執(zhí)行方式。在執(zhí)行代碼時，位于圖片左側(cè)的 V8 引擎負責(zé) JavaScript 代碼的執(zhí)行。該引擎包含一個內(nèi)存堆（Memory heap）和一個調(diào)用棧（Call stack）。
每當聲明變量或函數(shù)時，都會在堆上分配內(nèi)存。執(zhí)行代碼時，函數(shù)就會被推入調(diào)用棧中。當函數(shù)返回時，它就從調(diào)用棧中彈出了。這是對棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的簡單實現(xiàn)，最后添加的項是第一個被移除。在圖片右側(cè)，是負責(zé)處理異步方法的 libuv。
每當我們執(zhí)行異步方法時，libuv 接管任務(wù)的執(zhí)行。然后使用操作系統(tǒng)本地異步機制運行任務(wù)。如果本地機制不可用或不足，則利用其線程池來運行任務(wù)，并確保主線程不被阻塞。
同步代碼執(zhí)行
首先，讓我們來看一下同步代碼執(zhí)行。以下代碼由三個控制臺日志語句組成，依次記錄“First”，“Second”和“Third”。我們按照運行時執(zhí)行順序來查看代碼。
// index.js
console.log("First");
console.log("Second");
console.log("Third");
以下是 Node 運行時執(zhí)行同步代碼的可視化展示。
圖片
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執(zhí)行的主線程始終從全局作用域開始。全局函數(shù)（如果我們可以這樣稱呼它）被推入堆棧中。然后，在第 1 行，我們有一個控制臺日志語句。這個函數(shù)被推入堆棧中。假設(shè)這個發(fā)生在 1 毫秒時，“First” 被記錄在控制臺上。然后，這個函數(shù)從堆棧中彈出。
執(zhí)行到第 2 行時。假設(shè)到第 2 毫秒了，log 函數(shù)再次被推入堆棧中。“Second”被記錄在控制臺上，并彈出該函數(shù)。
最后，執(zhí)行到第 3 行了。第 3 毫秒時，log 函數(shù)被推入堆棧，“Third”將記錄在控制臺上，并彈出該函數(shù)。此時已經(jīng)沒有代碼要執(zhí)行，全局也被彈出。
異步代碼執(zhí)行
接下來，讓我們看一下異步代碼執(zhí)行。有以下代碼片段：包含三個日志語句，但這次第二個日志語句傳遞給了fs.readFile() 作為回調(diào)函數(shù)。
圖片
執(zhí)行的主線程始終從全局作用域開始。全局函數(shù)被推入堆棧。然后執(zhí)行到第 1 行，在第 1 毫秒時，“First”被記錄在控制臺中，并彈出該函數(shù)。然后執(zhí)行移動到第 2 行，在第 2毫秒時，readFile 方法被推入堆棧。由于 readFile 是異步操作，因此它會轉(zhuǎn)移（off-loaded）到 libuv。
JavaScript 從調(diào)用堆棧中彈出了 readFile 方法，因為就第 2 行的執(zhí)行而言，它的工作已經(jīng)完成了。在后臺，libuv 開始在單獨的線程上讀取文件內(nèi)容。在第 3 毫秒時，JavaScript 繼續(xù)進行到第 5 行，將 log 函數(shù)推入堆棧，“Third”被記錄到控制臺中，并將該函數(shù)彈出堆棧。
大約在第 4 毫秒左右，假設(shè)文件讀取任務(wù)已經(jīng)完成，則相關(guān)回調(diào)函數(shù)現(xiàn)在會在調(diào)用棧上執(zhí)行， 在回調(diào)函數(shù)內(nèi)部遇到 log 函數(shù)。
log 函數(shù)推入到到調(diào)用棧，“Second”被記錄到控制臺并彈出 log 函數(shù) 。由于回調(diào)函數(shù)中沒有更多要執(zhí)行的語句，因此也被彈出 。沒有更多代碼可運行了 ，所以全局函數(shù)也從堆棧中刪除 。
控制臺輸出“First”，“Third”，然后是“Second”。
Libuv 和異步操作
很明顯，libuv 用于處理 Node.js 中的異步操作。對于像處理網(wǎng)絡(luò)請求這樣的異步操作，libuv 依賴于操作系統(tǒng)原生機制。對于沒有本地 OS 支持的異步讀取文件的操作，libuv 則依賴其線程池以確保主線程不被阻塞。然而，這也引發(fā)了一些問題。
- 當一個異步任務(wù)在 libuv 中完成時，什么時候 Node 會在調(diào)用棧上運行相關(guān)聯(lián)的回調(diào)函數(shù)？
- Node 是否會等待調(diào)用棧為空后再運行回調(diào)函數(shù)？還是打斷正常執(zhí)行流來運行回調(diào)函數(shù)？
- 像 setTimeout 和 setInterval 這類延遲執(zhí)行回調(diào)函數(shù)的方法又是何時執(zhí)行回調(diào)函數(shù)呢？
- 如果 setTimeout 和 readFile 這類異步任務(wù)同時完成，Node 如何決定哪個回調(diào)函數(shù)先在調(diào)用棧上運行？其中一個會有更多的優(yōu)先級嗎？
所有這些問題都可以通過理解 libuv 核心部分——事件循環(huán)來得到答案。
什么是事件循環(huán)？
從技術(shù)上講，事件循環(huán)只是一個 C 語言程序。但是在 Node.js 中，你可以將其視為一種設(shè)計模式，用于協(xié)調(diào)同步和異步代碼的執(zhí)行。
可視化事件循環(huán)
事件循環(huán)是一個循環(huán)，只要你的 Node.js 應(yīng)用程序在運行，它就一直運行。每個循環(huán)中有六個不同的隊列，每個隊列都包含一個或多個需要最終在調(diào)用堆棧上執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)。
圖片
- 首先，有一個計時器隊列（timer queue。技術(shù)上叫最小堆（min-heap）），它保存與 setTimeout 和 setInterval 相關(guān)的回調(diào)函數(shù)。
- 其次，有一個 I/O 隊列（I/O queue），其中包含與所有異步方法相關(guān)的回調(diào)函數(shù)，例如 fs 和 http 模塊中提供的相關(guān)方法。
- 第三個是檢查隊列（check queue），它保存與 setImmediate 函數(shù)相關(guān)的回調(diào)函數(shù)，這是特定于Node 的功能。
- 第四個是關(guān)閉隊列（close queue），它保存與異步任務(wù)關(guān)閉事件相關(guān)聯(lián)的回調(diào)函數(shù)。
最后，有兩個不同隊列組成微任務(wù)隊列（microtask queue）。
- nextTick 隊列保存了與 process.nextTick 函數(shù)關(guān)聯(lián)的回調(diào)函數(shù)。
- Promise 隊列則保存了JavaScript 中本地 Promise 相關(guān)聯(lián)的回調(diào)函數(shù)。
需要注意的是計時器、I/O、檢查和關(guān)閉隊列都屬于 libuv。然而，兩個微任務(wù)隊列并不屬于 libuv。盡管如此，它們?nèi)匀皇?Node 運行時環(huán)境中扮演著重要角色，并且在執(zhí)行回調(diào)順序方面發(fā)揮著重要作用。說到這里, 讓我們來理解一下事件循環(huán)是如何工作的。
事件循環(huán)是如何工作的？
圖中箭頭是一個提示，但可能還不太容易理解。讓我來解釋一下隊列的優(yōu)先級順序。首先要知道，所有用戶編寫的同步 JavaScript 代碼都比異步代碼優(yōu)先級更高。這表示只有在調(diào)用堆棧為空時，事件循環(huán)才會發(fā)揮作用。
在事件循環(huán)中，執(zhí)行順序遵循某些規(guī)則。需要掌握的規(guī)則還是有一些的，我們逐個的了解一下：
- 執(zhí)行微任務(wù)隊列（microtask queue）中的所有回調(diào)函數(shù)。首先是 nextTick 隊列中的任務(wù)，然后是 Promise 隊列中的任務(wù)。
- 執(zhí)行計時器隊列（timer queue）內(nèi)的所有回調(diào)函數(shù)。
- 如果微任務(wù)隊列中存在回調(diào)函數(shù)，則在計時器隊列內(nèi)每執(zhí)行完一次回調(diào)函數(shù)之后執(zhí)行微任務(wù)隊列中的所有回調(diào)函數(shù)。首先是 nextTick 隊列中的任務(wù)，然后是 Promise 隊列中的任務(wù)。
- 執(zhí)行 I/O 隊列（I/O queue）內(nèi)的所有回調(diào)函數(shù)。
- 如果微任務(wù)隊列中存在回調(diào)函數(shù)，按照先 nextTick 隊列后 Promise 隊列的順序依次執(zhí)行微任務(wù)隊列中的所有回調(diào)函數(shù)。
- 執(zhí)行檢查隊列（check queue）內(nèi)的所有回調(diào)函數(shù)。
- 如果微任務(wù)隊列中存在回調(diào)函數(shù)，則在檢查隊列內(nèi)每個回調(diào)之后執(zhí)行微任務(wù)隊列中的所有回調(diào)函數(shù) 。首先是 nextTick 隊列中的任務(wù)，然后是 Promise 隊列中的任務(wù)。
- 執(zhí)行關(guān)閉隊列（close queue）內(nèi)的所有回調(diào)函數(shù)。
- 在同一循環(huán)的最后，再執(zhí)行一次微任務(wù)隊列。首先是 nextTick 隊列中的任務(wù)，然后是 Promise 隊列中的任務(wù)。
此時，如果還有更多的回調(diào)需要處理，那么事件循環(huán)再運行一次（譯注：事件循環(huán)在程序運行期間一直在運行，在當前沒有可供處理的任務(wù)情況下，會處于等待狀態(tài)，一旦有新任務(wù)就會執(zhí)行），并重復(fù)相同的步驟。另一方面，如果所有回調(diào)都已執(zhí)行并且沒有更多代碼要處理（譯注：也就是程序執(zhí)行結(jié)束），則事件循環(huán)退出。
這就是 libuv 事件循環(huán)在 Node.js 中執(zhí)行異步代碼的作用。有了這些規(guī)則，我們可以重新審視之前提出的問題。
當一個異步任務(wù)在 libuv 中完成時，什么時候 Node 會在調(diào)用棧上運行相關(guān)聯(lián)的回調(diào)函數(shù)？
答案：只有當調(diào)用棧為空時才執(zhí)行回調(diào)函數(shù)。
Node 是否會等待調(diào)用棧為空后再運行回調(diào)函數(shù)？還是打斷正常執(zhí)行流來運行回調(diào)函數(shù)？
答案：運行回調(diào)函數(shù)時不會打斷正常執(zhí)行流。
像 setTimeout 和 setInterval 這類延遲執(zhí)行回調(diào)函數(shù)的方法又是何時執(zhí)行回調(diào)函數(shù)呢？
答案：*setTimeout 和 setInterval 的所有回調(diào)函數(shù)中第一優(yōu)先級執(zhí)行的（不考慮微任務(wù)隊列）。*
如果兩個異步任務(wù)（例如 setTimeout 和 readFile）同時完成，Node 如何決定那個回調(diào)函數(shù)先在調(diào)用棧中執(zhí)行？其中一個會比另一個有更高優(yōu)先權(quán)嗎？
答案：在同時完成的情況下，計時器回調(diào)會先于 I/O 回調(diào)執(zhí)行。
到此為止我們學(xué)了很多，但我希望大家可以把下面這張圖片展現(xiàn)的執(zhí)行順序銘記于心，因為它完整的表現(xiàn)了 Node.js 在幕后是如何執(zhí)行異步代碼的。
圖片
結(jié)論
事件循環(huán)是 Node.js 的基本組成部分，通過確保主線程不被阻塞來實現(xiàn)異步編程。了解事件循環(huán)的工作原理可能具有挑戰(zhàn)性，但對于構(gòu)建高效應(yīng)用程序至關(guān)重要。
這個視覺指南涵蓋了 JavaScript 中異步編程、Node.js 運行時和負責(zé)處理異步操作的 libuv 的基礎(chǔ)知識。有了這些知識，你可以建立一個強大的事件循環(huán)模型，在編寫利用 Node.js 異步特性的代碼時受益。
參考資料
[1]A Complete Visual Guide to Understanding the Node.js Event Loop:https://www.builder.io/blog/visual-guide-to-nodejs-event-loop
[2]Libuv:https://libuv.org/
