写点什么

深度理解 NodeJS 事件循环

作者:coder2028
  • 2022-11-01
    浙江
  • 本文字数:7309 字

    阅读完需:约 24 分钟

导读

ALL THE TIME,我们写的的大部分javascript代码都是在浏览器环境下编译运行的,因此可能我们对浏览器的事件循环机制了解比Node.JS的事件循环更深入一些,但是最近写开始深入 NodeJS 学习的时候,发现 NodeJS 的事件循环机制和浏览器端有很大的区别,特此记录来深入的学习了下,以帮助自己及小伙伴们忘记后查阅及理解。


什么是事件循环

首先我们需要了解一下最基础的一些东西,比如这个事件循环,事件循环是指 Node.js 执行非阻塞 I/O 操作,尽管==JavaScript 是单线程的==,但由于大多数==内核都是多线程==的,Node.js会尽可能将操作装载到系统内核。因此它们可以处理在后台执行的多个操作。当其中一个操作完成时,内核会告诉Node.js,以便Node.js可以将相应的回调添加到轮询队列中以最终执行。


当 Node.js 启动时会初始化event loop, 每一个event loop都会包含按如下顺序六个循环阶段:


   ┌───────────────────────┐┌─>│        timers         ││  └──────────┬────────────┘│  ┌──────────┴────────────┐│  │     I/O callbacks     ││  └──────────┬────────────┘│  ┌──────────┴────────────┐│  │     idle, prepare     ││  └──────────┬────────────┘      ┌───────────────┐│  ┌──────────┴────────────┐      │   incoming:   ││  │         poll          │<─────┤  connections, ││  └──────────┬────────────┘      │   data, etc.  ││  ┌──────────┴────────────┐      └───────────────┘│  │        check          ││  └──────────┬────────────┘│  ┌──────────┴────────────┐└──┤    close callbacks    │   └───────────────────────┘
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  • timers 阶段: 这个阶段执行 setTimeout(callback)setInterval(callback) 预定的 callback;


  • I/O callbacks 阶段: 此阶段执行某些系统操作的回调,例如 TCP 错误的类型。 例如,如果 TCP 套接字在尝试连接时收到 ECONNREFUSED,则某些* nix 系统希望等待报告错误。 这将操作将等待在==I/O 回调阶段==执行;


  • idle, prepare 阶段: 仅 node 内部使用;


  • poll 阶段: 获取新的 I/O 事件, 例如操作读取文件等等,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;

事件循环详解


这个图是整个 Node.js 的运行原理,从左到右,从上到下,Node.js 被分为了四层,分别是 应用层V8引擎层Node API层LIBUV层


  • 应用层: 即 JavaScript 交互层,常见的就是 Node.js 的模块,比如 http,fs

  • V8 引擎层: 即利用 V8 引擎来解析 JavaScript 语法,进而和下层 API 交互

  • NodeAPI 层: 为上层模块提供系统调用,一般是由 C 语言来实现,和操作系统进行交互 。

  • LIBUV 层: 是跨平台的底层封装,实现了 事件循环、文件操作等,是 Node.js 实现异步的核心 。

每个循环阶段内容详解

timers阶段 一个 timer 指定一个下限时间而不是准确时间,在达到这个下限时间后执行回调。在指定时间过后,timers 会尽可能早地执行回调,但系统调度或者其它回调的执行可能会延迟它们。


  • 注意:技术上来说,poll 阶段控制 timers 什么时候执行。

  • 注意:这个下限时间有个范围:[1, 2147483647],如果设定的时间不在这个范围,将被设置为 1。


I/O callbacks阶段 这个阶段执行一些系统操作的回调。比如 TCP 错误,如一个 TCP socket 在想要连接时收到 ECONNREFUSED,类 unix 系统会等待以报告错误,这就会放到 I/O callbacks 阶段的队列执行.名字会让人误解为执行 I/O 回调处理程序, 实际上 I/O 回调会由 poll 阶段处理.


poll阶段 poll 阶段有两个主要功能:(1)执行下限时间已经达到的 timers 的回调,(2)然后处理 poll 队列里的事件。当 event loop 进入 poll 阶段,并且 没有设定的 timers(there are no timers scheduled),会发生下面两件事之一:


  • 如果 poll 队列不空,event loop 会遍历队列并同步执行回调,直到队列清空或执行的回调数到达系统上限;

  • 如果 poll 队列为空,则发生以下两件事之一:

  • 如果代码已经被 setImmediate()设定了回调, event loop 将结束 poll 阶段进入 check 阶段来执行 check 队列(里面的回调 callback)。

  • 如果代码没有被 setImmediate()设定回调,event loop 将阻塞在该阶段等待回调被加入 poll 队列,并立即执行。

  • 但是,当 event loop 进入 poll 阶段,并且 有设定的 timers,一旦 poll 队列为空(poll 阶段空闲状态):event loop 将检查 timers,如果有 1 个或多个 timers 的下限时间已经到达,event loop 将绕回 timers 阶段,并执行 timer 队列。


check阶段 这个阶段允许在 poll 阶段结束后立即执行回调。如果 poll 阶段空闲,并且有被 setImmediate()设定的回调,event loop 会转到 check 阶段而不是继续等待。


  • setImmediate() 实际上是一个特殊的 timer,跑在 event loop 中一个独立的阶段。它使用libuv的 API 来设定在 poll 阶段结束后立即执行回调。

  • 通常上来讲,随着代码执行,event loop 终将进入 poll 阶段,在这个阶段等待 incoming connection, request 等等。但是,只要有被 setImmediate()设定了回调,一旦 poll 阶段空闲,那么程序将结束 poll 阶段并进入 check 阶段,而不是继续等待 poll 事件们 (poll events)。


close callbacks 阶段 如果一个 socket 或 handle 被突然关掉(比如 socket.destroy()),close 事件将在这个阶段被触发,否则将通过 process.nextTick()触发


这里呢,我们通过伪代码来说明一下,这个流程:


// 事件循环本身相当于一个死循环,当代码开始执行的时候,事件循环就已经启动了// 然后顺序调用不同阶段的方法while(true){// timer阶段    timer()// I/O callbacks阶段    IO()// idle阶段    IDLE()// poll阶段    poll()// check阶段    check()// close阶段    close()}// 在一次循环中,当事件循环进入到某一阶段,加入进入到check阶段,突然timer阶段的事件就绪,也会等到当前这次循环结束,再去执行对应的timer阶段的回调函数 // 下面看这里例子const fs = require('fs')
// timers阶段const startTime = Date.now();setTimeout(() => { const endTime = Date.now() console.log(`timers: ${endTime - startTime}`)}, 1000)
// poll阶段(等待新的事件出现)const readFileStart = Date.now();fs.readFile('./Demo.txt', (err, data) => { if (err) throw err let endTime = Date.now() // 获取文件读取的时间 console.log(`read time: ${endTime - readFileStart}`) // 通过while循环将fs回调强制阻塞5000s while(endTime - readFileStart < 5000){ endTime = Date.now() }
})

// check阶段setImmediate(() => { console.log('check阶段')})/*控制台打印check阶段read time: 9timers: 5008通过上述结果进行分析,1.代码执行到定时器setTimeOut,目前timers阶段对应的事件列表为空,在1000s后才会放入事件2.事件循环进入到poll阶段,开始不断的轮询监听事件3.fs模块异步执行,根据文件大小,可能执行时间长短不同,这里我使用的小文件,事件大概在9s左右4.setImmediate执行,poll阶段暂时未监测到事件,发现有setImmediate函数,跳转到check阶段执行check阶段事件(打印check阶段),第一次时间循环结束,开始下一轮事件循环5.因为时间仍未到定时器截止时间,所以事件循环有一次进入到poll阶段,进行轮询6.读取文件完毕,fs产生了一个事件进入到poll阶段的事件队列,此时事件队列准备执行callback,所以会打印(read time: 9),人工阻塞了5s,虽然此时timer定时器事件已经被添加,但是因为这一阶段的事件循环为完成,所以不会被执行,(如果这里是死循环,那么定时器代码永远无法执行)7.fs回调阻塞5s后,当前事件循环结束,进入到下一轮事件循环,发现timer事件队列有事件,所以开始执行 打印timers: 5008ps:1.将定时器延迟时间改为5ms的时候,小于文件读取时间,那么就会先监听到timers阶段有事件进入,从而进入到timers阶段执行,执行完毕继续进行事件循环check阶段timers: 6read time: 50082.将定时器事件设置为0ms,会在进入到poll阶段的时候发现timers阶段已经有callback,那么会直接执行,然后执行完毕在下一阶段循环,执行check阶段,poll队列的回调函数timers: 2check阶段read time: 7 */
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走进案例解析

我们来看一个简单的EventLoop的例子:


const fs = require('fs');let counts = 0;
// 定义一个 wait 方法function wait (mstime) { let date = Date.now(); while (Date.now() - date < mstime) { // do nothing }}
// 读取本地文件 操作IOfunction asyncOperation (callback) { fs.readFile(__dirname + '/' + __filename, callback);}
const lastTime = Date.now();
// setTimeoutsetTimeout(() => { console.log('timers', Date.now() - lastTime + 'ms');}, 0);
// process.nextTickprocess.nextTick(() => { // 进入event loop // timers阶段之前执行 wait(20); asyncOperation(() => { console.log('poll'); }); });
/** * timers 21ms * poll */
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这里呢,为了让这个setTimeout优先于fs.readFile 回调, 执行了process.nextTick, 表示在进入timers阶段前, 等待20ms后执行文件读取.

1. nextTicksetImmediate

  • process.nextTick 不属于事件循环的任何一个阶段,它属于该阶段与下阶段之间的过渡, 即本阶段执行结束, 进入下一个阶段前, 所要执行的回调。有给人一种插队的感觉.

  • setImmediate 的回调处于 check 阶段, 当 poll 阶段的队列为空, 且 check 阶段的事件队列存在的时候,切换到 check 阶段执行,参考 nodejs 进阶视频讲解:进入学习

nextTick 递归的危害

由于 nextTick 具有插队的机制,nextTick 的递归会让事件循环机制无法进入下一个阶段. 导致 I/O 处理完成或者定时任务超时后仍然无法执行, 导致了其它事件处理程序处于饥饿状态. 为了防止递归产生的问题, Node.js 提供了一个 process.maxTickDepth (默认 1000)。


const fs = require('fs');let counts = 0;
function wait (mstime) { let date = Date.now(); while (Date.now() - date < mstime) { // do nothing }}
function nextTick () { process.nextTick(() => { wait(20); console.log('nextTick'); nextTick(); });}
const lastTime = Date.now();
setTimeout(() => { console.log('timers', Date.now() - lastTime + 'ms');}, 0);
nextTick();
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此时永远无法跳到timer阶段去执行setTimeout里面的回调方法, 因为在进入timers阶段前有不断的nextTick插入执行. 除非执行了 1000 次到了执行上限,所以上面这个案例会不断地打印出nextTick字符串

2. setImmediate

如果在一个I/O周期内进行调度,setImmediate() 将始终在任何定时器(setTimeout、setInterval)之前执行.

3. setTimeoutsetImmediate

  • setImmediate()被设计在 poll 阶段结束后立即执行回调;

  • setTimeout()被设计在指定下限时间到达后执行回调;


无 I/O 处理情况下:


setTimeout(function timeout () {  console.log('timeout');},0);
setImmediate(function immediate () { console.log('immediate');});
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执行结果:


C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.jstimeoutimmediate
C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.jstimeoutimmediate
C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.jstimeoutimmediate
C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.jsimmediatetimeout
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从结果,我们可以发现,这里打印输出出来的结果,并没有什么固定的先后顺序,偏向于随机,为什么会发生这样的情况呢?


答:首先进入的是timers阶段,如果我们的机器性能一般,那么进入timers阶段,1ms已经过去了 ==(setTimeout(fn, 0)等价于 setTimeout(fn, 1))==,那么setTimeout的回调会首先执行。


如果没有到1ms,那么在timers阶段的时候,下限时间没到,setTimeout回调不执行,事件循环来到了poll阶段,这个时候队列为空,于是往下继续,先执行了 setImmediate()的回调函数,之后在下一个事件循环再执行setTimemout的回调函数。


问题总结:而我们在==执行启动代码==的时候,进入timers的时间延迟其实是==随机的==,并不是确定的,所以会出现两个函数执行顺序随机的情况。


那我们再来看一段代码:


var fs = require('fs')
fs.readFile(__filename, () => { setTimeout(() => { console.log('timeout'); }, 0); setImmediate(() => { console.log('immediate'); });});
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打印结果如下:


C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.jsimmediatetimeout
C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.jsimmediatetimeout
C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.jsimmediatetimeout
# ... 省略 n 多次使用 node test.js 命令 ,结果都输出 immediate timeout
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这里,为啥和上面的随机timer不一致呢,我们来分析下原因:


原因如下:fs.readFile的回调是在poll阶段执行的,当其回调执行完毕之后,poll队列为空,而setTimeout入了timers的队列,此时有代码 setImmediate(),于是事件循环先进入check阶段执行回调,之后在下一个事件循环再在timers阶段中执行回调。


当然,下面的小案例同理:


setTimeout(() => {    setImmediate(() => {        console.log('setImmediate');    });    setTimeout(() => {        console.log('setTimeout');    }, 0);}, 0);
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以上的代码在timers阶段执行外部的setTimeout回调后,内层的setTimeoutsetImmediate入队,之后事件循环继续往后面的阶段走,走到poll阶段的时候发现队列为空,此时有代码有setImmedate(),所以直接进入check阶段执行响应回调(==注意这里没有去检测timers队列中是否有成员到达下限事件,因为setImmediate()优先==)。之后在第二个事件循环的timers阶段中再去执行相应的回调。


综上所演示,我们可以总结如下:


  • 如果两者都在主模块中调用,那么执行先后取决于进程性能,也就是你的电脑好撇,当然也就是随机。

  • 如果两者都不在主模块调用(被一个异步操作包裹),那么**setImmediate的回调永远先执行**。

4. nextTickPromise

概念:对于这两个,我们可以把它们理解成一个微任务。也就是说,它其实不属于事件循环的一部分。那么他们是在什么时候执行呢?不管在什么地方调用,他们都会在其所处的事件循环最后,事件循环进入下一个循环的阶段前执行。


setTimeout(() => {    console.log('timeout0');    new Promise((resolve, reject) => { resolve('resolved') }).then(res => console.log(res));    new Promise((resolve, reject) => {      setTimeout(()=>{        resolve('timeout resolved')      })    }).then(res => console.log(res));    process.nextTick(() => {        console.log('nextTick1');        process.nextTick(() => {            console.log('nextTick2');        });    });    process.nextTick(() => {        console.log('nextTick3');    });    console.log('sync');    setTimeout(() => {        console.log('timeout2');    }, 0);}, 0);
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控制台打印如下:


C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.jstimeout0syncnextTick1nextTick3nextTick2resolvedtimeout2timeout resolved
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最总结:timers阶段执行外层setTimeout的回调,遇到同步代码先执行,也就有timeout0sync的输出。遇到process.nextTickPromise后入微任务队列,依次nextTick1nextTick3nextTick2resolved入队后出队输出。之后,在下一个事件循环的timers阶段,执行setTimeout回调输出timeout2以及微任务Promise里面的setTimeout,输出timeout resolved。(这里要说明的是 微任务nextTick优先级要比Promise要高)

5. 最后案例

代码片段 1:


setImmediate(function(){  console.log("setImmediate");  setImmediate(function(){    console.log("嵌套setImmediate");  });  process.nextTick(function(){    console.log("nextTick");  })});
/* C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.js setImmediate nextTick 嵌套setImmediate*/
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解析:


事件循环check阶段执行回调函数输出setImmediate,之后输出nextTick。嵌套的setImmediate在下一个事件循环的check阶段执行回调输出嵌套的setImmediate


代码片段 2:


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('setTimeout0') },0)  setTimeout(function(){    console.log('setTimeout3') },3)  setImmediate(() => console.log('setImmediate'));process.nextTick(() => console.log('nextTick'));async1();new Promise(function(resolve){    console.log('promise1')    resolve();    console.log('promise2')}).then(function(){    console.log('promise3')})console.log('script end')
复制代码


打印结果为:


C:\Users\92809\Desktop\node_test>node test.jsscript startasync1 startasync2promise1promise2script endnextTickpromise3async1 endsetTimeout0setTimeout3setImmediate
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大家呢,可以先看着代码,默默地在心底走一变代码,然后对比输出的结果,当然最后三位,我个人认为是有点问题的,毕竟在主模块运行,大家的答案,最后三位可能会有偏差;


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