浅析Nodejs Event Loop

什么是事件循环（Event Loop）

事件循环能让 Node.js 执行非阻塞 I/O 操作，尽管JavaScript事实上是单线程的，通过在可能的情况下把操作交给操作系统内核来实现。

由于大多数现代系统内核是多线程的，内核可以处理后台执行的多个操作。当其中一个操作完成的时候，内核告诉 Node.js，相应的回调就被添加到轮询队列（poll queue）并最终得到执行。

阶段总览

在node中事件每一轮循环按照顺序分为6个阶段，来自libuv的实现：

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

timers 阶段: 这个阶段执行setTimeout(callback) and setInterval(callback)预定的callback;
I/O callbacks 阶段: 是否有已完成的I/O操作的回调函数，来自上一轮的poll残留；
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: 比如socket.on(‘close’, callback)的callback会在这个阶段执行.
每一个阶段都有一个装有callbacks的fifo queue(队列)，当event loop运行到一个指定阶段时，
node将执行该阶段的fifo queue(队列)，当队列callback执行完或者执行callbacks数量超过该阶段的上限时，event loop会转入下一下阶段.

上面六个阶段都不包括 process.nextTick()，process.nextTick不是基于libuv事件机制的，而timers一系列的api全部是基于libuv开放出来的api实现的。那么这个nextTick到底是如何实现的呢？我们先打个问号.

阶段细节

以下各阶段细节部分介绍来自原文：
The Node.js Event Loop

定时器（timers）

定时器的用途是让指定的回调函数在某个阈值后会被执行，具体的执行时间并不一定是那个精确的阈值。定时器的回调会在制定的时间过后尽快得到执行，然而，操作系统的计划或者其他回调的执行可能会延迟该回调的执行。

轮询（poll）

轮询阶段有两个主要功能：
1，执行已经到时的定时器脚本
2，处理轮询队列中的事件

当事件循环进入到轮询阶段却没有发现定时器时：
如果轮询队列非空，事件循环会迭代回调队列并同步执行回调，直到队列空了或者达到了上限（前文说过的根据操作系统的不同而设定的上限）。
如果轮询队列是空的：
如果有setImmediate()定义了回调，那么事件循环会终止轮询阶段并进入检查阶段去执行定时器回调；
如果没有setImmediate()，事件回调会等待回调被加入队列并立即执行。
一旦轮询队列空了，事件循环会查找已经到时的定时器。如果找到了，事件循环就回到定时器阶段去执行回调。

I/O callbacks

这个阶段执行一些诸如TCP错误之类的系统操作的回调。例如，如果一个TCP socket 在尝试连接时收到了 ECONNREFUSED错误，某些 *nix 系统会等着报告这个错误。这个就会被排到本阶段的队列中。

检查（check）

这个阶段允许回调函数在轮询阶段完成后立即执行。如果轮询阶段空闲了，并且有回调已经被 setImmediate() 加入队列，事件循环会进入检查阶段而不是在轮询阶段等待。
setImmediate() 是个特殊的定时器，在事件循环中一个单独的阶段运行。它使用libuv的API 来使得回调函数在轮询阶段完成后执行。

关闭事件的回调（close callbacks）

如果一个 socket 或句柄（handle）被突然关闭（is closed abruptly），例如 socket.destroy()， 'close' 事件会被发出到这个阶段。否则这种事件会通过 process.nextTick() 被发出。

setTimeout VS setImmediate

二者非常相似，但是二者区别取决于他们什么时候被调用.

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；但其在timer阶段执行
其二者的调用顺序取决于当前event loop的上下文，如果他们在异步i／o callback之外调用，其执行先后顺序是不确定的

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

setImmediate(function immediate () {
  console.log('immediate');
});

$ node timeout_vs_immediate.js
timeout
immediate

$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

为什么结果不确定呢？

解释：setTimeout/setInterval 的第二个参数取值范围是：[1, 2^31 - 1]，如果超过这个范围则会初始化为 1，即 setTimeout(fn, 0) === setTimeout(fn, 1)。我们知道 setTimeout 的回调函数在 timer 阶段执行，setImmediate 的回调函数在 check 阶段执行，event loop 的开始会先检查 timer 阶段，但是在开始之前到 timer 阶段会消耗一定时间，所以就会出现两种情况：

timer 前的准备时间超过 1ms，满足 loop->time >= 1，则执行 timer 阶段（setTimeout）的回调函数
timer 前的准备时间小于 1ms，则先执行 check 阶段（setImmediate）的回调函数，下一次 event loop 执行 timer 阶段（setTimeout）的回调函数
再看个例子：

setTimeout(() => {
  console.log('setTimeout')
}, 0)

setImmediate(() => {
  console.log('setImmediate')
})

const start = Date.now()
while (Date.now() - start < 10);

运行结果一定是：

setTimeout
setImmediate

process.nextTick实现

process.nextTick不是基于libuv事件机制的，而timers一系列的api全部是基于libuv开放出来的api实现的。那么这个nextTick到底是如何实现的呢？
接下来就要从nextTick的源码聊起了：

function _tickCallback() {
    let tock;
    do {
      while (tock = nextTickQueue.shift()) {
      // ...
      const callback = tock.callback;
        if (tock.args === undefined)
          callback();
     // ...
     }
      runMicrotasks();
    } 
  // ...
  }

在执行完nextTick之后（callback()）还继续执行了runMicrotasks，我相信如果了解过Microtasks的读者肯定知道这到底是做什么的，接下来我们深扒一下这个runMicrotasks：

// src/node.cc
v8::Local<v8::Function> run_microtasks_fn =
    env->NewFunctionTemplate(RunMicrotasks)->GetFunction(env->context())
        .ToLocalChecked();//v8 吐出来的方法 RunMicrotasks
run_microtasks_fn->SetName(
    FIXED_ONE_BYTE_STRING(env->isolate(), "runMicrotasks"));

// deps/v8/src/isolate.cc
void Isolate::RunMicrotasks() {// v8中RunMicrotasks实现
// Increase call depth to prevent recursive callbacks.
v8::Isolate::SuppressMicrotaskExecutionScope suppress(
    reinterpret_cast<v8::Isolate*>(this));
is_running_microtasks_ = true;
RunMicrotasksInternal();
is_running_microtasks_ = false;
FireMicrotasksCompletedCallback();
}
void Isolate::RunMicrotasksInternal() {
if (!pending_microtask_count()) return;
TRACE_EVENT0("v8.execute", "RunMicrotasks");
TRACE_EVENT_CALL_STATS_SCOPED(this, "v8", "V8.RunMicrotasks");
while (pending_microtask_count() > 0) {
  HandleScope scope(this);
  int num_tasks = pending_microtask_count();
  Handle<FixedArray> queue(heap()->microtask_queue(), this);
  DCHECK(num_tasks <= queue->length());
  set_pending_microtask_count(0);
  heap()->set_microtask_queue(heap()->empty_fixed_array());
// ...

通过上面的代码，可以比较清晰地看到整个RunMicrotasks的全过程，主要就是通过microtask_queue来实现的Microtask。
了解了整个流程，可以很容易得出一个结论：nextTick会在v8执行Microtasks之前对在js中注册的nextTickQueue逐个执行，即阻塞了Microtasks执行。
后面简单的追踪了一下_tickCallback来证实一下最终_tickCallback传递给了tick_callback_function，追踪的过程小伙伴们有兴趣可以自行了解，最终可以总结为以下两点：
1.nextTick永远在主函数（包括同步代码和console）运行完之后运行
2.nextTick永远优先于microtask运行

浏览器Event Loop

浏览器中与node中事件循环与执行机制不同，不可混为一谈。 浏览器的Event loop是在HTML5中定义的规范，而node中则由libuv库实现。

macrotasks: script(整体代码), setTimeout, setInterval, setImmediate, I/O, UI rendering
microtasks: process.nextTick, Promises, Object.observe(废弃), MutationObserver

浏览器执行过程

执行完主执行线程中的任务。
取出Microtask Queue中任务执行直到清空。
取出Macrotask Queue中一个任务执行。
取出Microtask Queue中任务执行直到清空。
重复3和4。

即为同步完成，一个宏任务，所有微任务，一个宏任务，所有微任务......

来看个例子

console.log('script start');

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

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

console.log('script end');

运行结果是：

script start
script end
promise1
promise2
setTimeout

解析：一开始task队列中只有script，则script中所有函数放入函数执行栈执行，代码按顺序执行。
接着遇到了setTimeout,它的作用是0ms后将回调函数放入task队列中，也就是说这个函数将在下一个事件循环中执行（注意这时候setTimeout执行完毕就返回了）。
接着遇到了Promise，按照前面所述Promise属于microtask，所以第一个.then()会放入microtask队列。
当所有script代码执行完毕后，此时函数执行栈为空。开始检查microtask队列，此时队列不为空,执行.then()的回调函数输出'promise1'，由于.then()返回的依然是promise,所以第二个.then()会放入microtask队列继续执行,输出'promise2'。
此时microtask队列为空了，进入下一个事件循环，检查task队列发现了setTimeout的回调函数，立即执行回调函数输出'setTimeout'，代码执行完毕。

以上便是浏览器事件循环的过程
更多文献可参考：
浏览器和Node不同的事件循环

总结

event loop.jpg

绿色小块是 macrotask（宏任务），macrotask 中间的粉红箭头是 microtask（微任务）。

1.nodejs event loop分了六个不同的阶段执行，而process.nextTick()不在event loop的任何阶段执行，而是在各个阶段切换的中间执行,即从一个阶段切换到下个阶段前执行。
2.nodejs event loop 执行过程
清空当前循环内的Timers Queue，清空NextTick Queue，清空Microtask Queue。
清空当前循环内的I/O Queue，清空NextTick Queue，清空Microtask Queue。
清空当前循环内的Check Queu，清空NextTick Queue，清空Microtask Queue。
清空当前循环内的Close Queu，清空NextTick Queue，清空Microtask Queue。
进入下轮循环。
3.process.nextTick为代表的 microtask执行仍然将 tick 函数注册到当前 microtask 的尾部，而setTimeout等宏任务会注册到下一次事件循环中。
4.浏览器中与node中事件循环与执行机制不同，浏览器的eventloop是在HTML5中定义的规范，而node中则由libuv实现。

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