[NodeJS] NodeJS事件循环

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所属分类:Web前端
摘要

JS是单线程的,如果出现阻塞会严重影响代码执行效率。NodeJS通过事件循环,尽可能地将耗时任务委派给系统内核来实现非阻塞IO。

JS是单线程的,如果出现阻塞会严重影响代码执行效率。NodeJS通过事件循环,尽可能地将耗时任务委派给系统内核来实现非阻塞IO。

NodeJS提供了许多和异步相关的API,除了语言标准规定的setTimeoutsetInterval,还有setImmediateprocess.nextTick

经常和这几个出现在面试题里的还有Promise.resolve().then()

事件循环流程

当NodeJS启动时,会先进行事件循环的初始化(事件循环还没开始),会先完成下面的事情:

  1. 解析执行同步任务;
  2. 发出异步请求;
  3. 注册定时器回调;
  4. 执行process.nextTick()

然后再开始事件循环。

事件循环的操作顺序如下图所示:

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

每一个方框对对应着事件循环的一个阶段(phase),每一个阶段有一个先进先出的回调队列需要执行。

当事件循环进入到其中一个阶段时,它会依次执行并尝试清空队列中的回调任务,当队列被清空或者回调执行数量达到最大限制时,事件循环会进入到下一个阶段。

  1. timers:定时器阶段,执行setTimeoutsetInterval的回调函数;
  2. pending I/O callbacks:除了定时器回调、setImmediate回调和关闭回调,其它回调都在这里执行;
  3. idle, prepare:这个阶段只供libuv内部调用;
  4. Poll:这个阶段是轮询时间,用于等待还未返回的 I/O 事件,比如服务器的回应、用户移动鼠标等等。这个阶段的时间会比较长。如果没有其他异步任务要处理(比如到期的定时器),会一直停留在这个阶段,等待 I/O 请求返回结果。
  5. check:执行setImmediate回调;
  6. close callbacks:执行关闭请求的回调函数,比如socket.on('close', ...)

事件循环的源码解析

源码位置:

int uv_run(uv_loop_t* loop, uv_run_mode mode) {   int timeout;   int r;   int can_sleep;    // 检查事件循环是否还活跃(即是否还有活跃的句柄或请求)   r = uv__loop_alive(loop);   if (!r)     uv__update_time(loop); // 更新事件循环的当前时间    /* 保持向后兼容性,在进入 UV_RUN_DEFAULT 的 while 循环之前处理定时器。    * 否则定时器只需执行一次,这应在轮询之后完成,以保持事件循环的正确执行顺序。    */   if (mode == UV_RUN_DEFAULT && r != 0 && loop->stop_flag == 0) {     uv__update_time(loop); // 更新事件循环的当前时间     uv__run_timers(loop);  // 运行所有到期的定时器 (Timers)   }    // 主循环,根据不同的模式执行事件循环   while (r != 0 && loop->stop_flag == 0) {     // 检查是否可以进入睡眠状态,即是否有挂起的任务或空闲句柄     can_sleep =         uv__queue_empty(&loop->pending_queue) &&         uv__queue_empty(&loop->idle_handles);      // 运行挂起的任务 (Pending Callbacks)     uv__run_pending(loop);     // 运行空闲句柄和预处理句柄 (Idle Prepare)     uv__run_idle(loop);     uv__run_prepare(loop);      timeout = 0;     // 根据模式设置超时时间     if ((mode == UV_RUN_ONCE && can_sleep) || mode == UV_RUN_DEFAULT)       timeout = uv__backend_timeout(loop);      // 增加事件循环计数     uv__metrics_inc_loop_count(loop);      // 轮询I/O事件 (Poll)     uv__io_poll(loop, timeout);      /* 处理立即回调(例如 write_cb)固定次数,以避免循环饥饿。 */     for (r = 0; r < 8 && !uv__queue_empty(&loop->pending_queue); r++)       uv__run_pending(loop);      /*      * 进行最后一次 provider_idle_time 的更新,以防 uv__io_poll      * 因超时返回但未接收到任何事件。如果 provider_entry_time 从未设置      * (即 timeout == 0),或者已经因为接收到事件而更新,则此调用将被忽略。      */     uv__metrics_update_idle_time(loop);      // 运行check句柄 (Check)     uv__run_check(loop);     // 运行关闭的回调 (Close Callbacks)     uv__run_closing_handles(loop);      // 更新事件循环的当前时间和运行所有到期的定时器 (Timers)     uv__update_time(loop);     uv__run_timers(loop);      // 检查事件循环是否还活跃     r = uv__loop_alive(loop);     if (mode == UV_RUN_ONCE || mode == UV_RUN_NOWAIT)       break; // 如果模式为 UV_RUN_ONCE 或 UV_RUN_NOWAIT,则退出循环   }    /* 这个 if 语句让 gcc 将其编译为条件存储。避免弄脏缓存行。 */   if (loop->stop_flag != 0)     loop->stop_flag = 0; // 清除停止标志    return r; // 返回事件循环是否还活着 } 

名词解释

  • 条件存储:条件存储是一种优化技术。编译器可以将 if 语句编译成一种条件存储操作。这种操作仅在特定条件下才会写入数据,从而避免不必要的写操作。在这段代码中,loop->stop_flag 的值只有在其当前值不为零时才会被修改。这避免了不必要的写操作,因为如果 loop->stop_flag 已经是零,则不需要再写一次零。

  • 缓存行:缓存行是处理器缓存的基本单位,通常为 64 字节。缓存用于存储从内存中加载的数据,以加快访问速度。当处理器需要访问某个内存地址时,会先检查缓存中是否存在对应的数据。如果缓存中存在该数据(称为缓存命中),则可以快速访问;如果不存在(称为缓存未命中),则需要从较慢的主存中加载数据。在现代处理器中,缓存写操作可能会使缓存行变脏(dirty),即缓存中的数据与主存中的数据不一致。每次写操作都可能导致缓存行的变脏和随后的写回操作(将缓存中的数据写回主存),这些操作会影响性能。

通过条件存储,如果 loop->stop_flag 本来就是零,则不会进行写操作,避免了缓存行变脏,从而减少了写回主存的开销,提高了缓存的利用效率。

process.nextTick和Promise

或许你会疑惑上面的事件循环阶段怎么没有讲到process.nextTickPromise回调(微任务)。

这两个回调的执行时机不在阶段“内部”,而是在阶段“之间”,在每个阶段结束时被执行。

并且,process.nextTick的执行顺序先于Promise回调(微任务)。

微任务除了nextTickpromise,还有MutationObserverqueueMicrotask

nextTick属于特殊的高优先级微任务,而promiseMutationObserverqueueMicrotask的优先级一致。

MutationObserver是用来监听DOM的,是浏览器独有的;而nextTickNodeJS独有的;

promisequeueMicrotask在两种环境下都有。

setTimeout和setImmediate

setTimeouttimers阶段执行,setImmediate的回调在check阶段执行,因此setTimeout会早于setImmediate完成。

案例

setTimeout(()=>console.log(1)); setImmediate(()=>console.log(2)); 

理论上上面这段代码会先输出1再输出2,但实际是顺序不确定。

因为在NodeJS中,setTimeout的第二个参数delay缺省值为1,根据官方文档,这个参数的取值范围为12147483647之间,超出这个范围会被设置为1,而非整数会被截去小数部分变为整数。

并且实际执行的时候,进入事件循环之后,可能到了1毫秒,也可能还没到,因此timers阶段的队列可能是空的,于是就先执行了check阶段的setImmediate回调,而到了下一阶段,才是setTimeout的回调。

另一个案例

const fs = require('fs');  fs.readFile('test.js', () => {   setTimeout(() => console.log(1));   setImmediate(() => console.log(2)); }); 

这个例子中,则一定是先输出2,然后才是1.

因为readFile的回调会在pending I/O callbacks阶段被执行,此时的setTimeout回调最快也只能在下一个loop中被执行,而setImmediate的回调被添加到check阶段的队列,当当前这个loop执行到check阶段的时候,就会被执行。

测试题

setImmediate(() => {   console.log(1)   setTimeout(() => {     console.log(2)   }, 100)   setImmediate(() => {     console.log(3)   })   process.nextTick(() => {     console.log(4)   }) }) process.nextTick(() => {   console.log(5)   setTimeout(() => {     console.log(6)   }, 100)   setImmediate(() => {     console.log(7)   })   process.nextTick(() => {     console.log(8)   }) }) console.log(9) 

答案

往下滑                   9 5 8 1 4 7 3 6 2 

解析

  1. 同步代码:注册setImmediate,等待事件循环到达check阶段;注册nextTick回调;同步代码输出9
  2. 事件循环启动后,在到达check阶段之前nextTick肯定是先被执行的,于是先输出5;输出之后依次注册setTimeoutsetImmediatenextTick
  3. 在到达check阶段之前的阶段之间,nextTick回调被再次执行,输出8
  4. 中间阶段的队列都是空的,直到事件循环来到check阶段,执行最顶层的setImmediate回调,先输出1,然后依次注册setTimeoutsetImmediatenextTick回调;
  5. 离开setImmediate,再次执行nextTick回调,输出4
  6. 到达timers阶段,但是通常这时候还没到达100ms,于是跳过;
  7. 再次到达check阶段,输出队列中的73
  8. 在下次循环的poll阶段等待,直到定时器完成,依次输出62

参考文章

[1] Node 定时器详解 - 阮一峰的网络日志
[2] The Node.js Event Loop
[3] Understanding process.nextTick()
[4] Understanding setImmediate()