从一道题浅说 JavaScript 的事件循环

[Ray-56]

从一道题浅说 JavaScript 的事件循环

最近看到这样一道有关事件循环的前端面试题：

// 请写出输出内容
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');  
}).then(function(){
    console.log('promise2');
});
console.log('script end');

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

这道题主要考察的是事件循环中函数执行顺序的问题，其中包括async、await、setTimeout、Promise函数。下面来说本题中涉及到的知识点。

任务队列

首先我们需要明白以下几件事情：

• JS分为同步任务和异步任务
• 同步任务都在主线程上执行，形成一个执行栈
• 主线程之外，事件触发线程管理着一个任务队列，只要异步任务有了运行结果，就在任务队列之中放置一个事件
• 一旦执行栈中的所有同步任务执行完毕（此时JS引擎空闲），系统就会读取任务队列，将可运行的异步任务添加到可执行栈中，开始执行

根据规范，事件循环（Event Loop）是通过任务队列的机制来进行协调的。一个 Event Loop 中，可以有一个或者多个任务队列（task queue），一个任务队列便是一系列有序任务（task）的集合；
每个任务都有一个任务源（task source），源自同一个任务源的 task 必须放到同一个任务队列，从不同源来的则被添加到不同队列。 setTimeout / Promise 等 API 便是任务源，而进入任务队列是他们指定的具体任务。

宏任务

macrotask（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 macrotask 与 DOM 任务能够有序的执行，**会在一个 macrotask 执行结束后，在下一个 macrotask 执行开始前，对页面进行重新渲染，**流程如下：

macrotask -> 渲染 -> macrotask -> ...

macrotask 主要包含：script、setTimeout、setInterval、I/O、UI交互事件、postMessage、MessageChannel、setImmediate（Node.js 环境）。

微任务

microtask（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，因为无需等待渲染。也就是说，在某一个 macrotask 执行完后，就会将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后，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）

流程如下：

Promise和async中的立即执行

我们知道 Promise 中的异步体现在then、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await出现之前，其中的代码也是立即执行的。那么出现了await的时候发生了什么呢？

await做了什么

从字面意思上看 await 就是等待，await 等待的是一个表达式，这个表达式的返回值可以是一个 promise 对象也可以是其他的值。

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。

由于 async await 本省就是 promise + generator 的语法糖。所以 await 后面的代码是 microtask。所以对于本题中的

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

等价于

async function async1() {
    console.log('async1 start');
    Promise.resolve(async2()).then(() => {
        console.log('async 1 end');
    });
}

回到本题

以上就本道题涉及到的所有相关知识点了，下面我们再回到这道题来一步步看看怎么回事。

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。所以，上面例子的第一步执行如下图所示：
   

2. 然后我们看到了首先定义了两个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，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promise，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，每次执行玩一个宏任务之后，回去检查是否存在 microtasks；如果有，则执行 microtasks 直到 microtask Queue 清空。

   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，取出来直接输出即可，至此整个流程结束。

变式一

在第一个变式中我将 async2 中的函数也变成了 Promise 函数，代码如下：

async function async1() {
    console.log('async1 start');
    await async2();
    console.log('async1 end');
}
async function async2() {
    // async2做出如下更改：
    new Promise(function(resolve) {
        console.log('promise1');
        resolve();
    }).then(function() {
        console.log('promise2');
    });
}
console.log('script start');

setTimeout(function() {
    console.log('setTimeout');
}, 0)
async1();

new Promise(function(resolve) {
    console.log('promise3');
    resolve();
}).then(function() {
    console.log('promise4');
});

console.log('script end');

可以先看看自己输入顺序会是什么，下面公布结果：

script start
async1 start
promise1
promise3
script end
promise2
async1 end
promise4
setTimeout

在第一次 macrotask 执行完之后，也就是输出script end之后，会去清理所有 microtask。所以会相继输出promise1,async1 eng,promise4，其余不再多说。

变式二

在第二个变式中，我们将 async1 中的 await 后面的代码和 async2 的代码都改为异步，代码如下：

async function async1() {
    console.log('async1 start');
    await async2();
    // 更改如下
    setTimeout(function() {
        console.log('setTimeout1')
    }, 0);
}
async function async2() {
    // 更改如下
    setTimeout(function() {
        console.log('setTimeout2')
    }, 0);
}
console.log('script start');

setTimeout(function() {
    console.log('setTimeout3');
}, 0);
async1();

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

可以先看看自己输出顺序会是什么，下面公布结果：

script start
async1 start
promise1
script end
promsie2
setTimeout3
setTimeout2
setTimeout1

在输出promise2之后，接下来会按照加入 setTimeout 队列的顺序来依次输出，通过代码我们可以看到加入顺序为3 2 1，所以会按 3， 2， 1 的顺序来输出。

变式三

变式三是在一篇面经中看到的原题，整体来说大同小异，代码如下：

async function a1() {
    console.log('a1 start');
    await a2();
    console.log('a1 end');
}
async function a2() {
    console.log('a2');
}

console.log('script start');

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

Promise.resolve().then(() => {
    console.log('promise1');
});

a1();

let promise2 = new Promise((resolve) => {
    resolve('promise2.then');
    console.log('promise2');
});

promise2.then(res => {
    console.log(res);
    Promise.resolve().then(() => {
        console.log('promise2');
    });
});

console.log('script end');

无非是在微任务那块儿做文章，前面的内容如果你都看懂了的话这道题一定没问题的，结果如下：

script start
a1 start
a2
promise2
script end
promise1
a1 end
promise2.then
promise3
setTimeout

See also

第 10 期：异步笔试题

关于第10题的一些见解

从一道题浅说 JavaScript 的事件循环

详解JavaScript中的Event Loop（事件循环）机制