Node.js 事件循環(huán)、定時器和process.nextTick()

本文為譯文账忘，英文原文

什么是事件循環(huán)

盡管JavaScript是單線程的鳖擒，但通過盡可能將操作放到系統(tǒng)內(nèi)核執(zhí)行蒋荚，事件循環(huán)允許Node.js執(zhí)行非阻塞I/O操作期升。

由于現(xiàn)代大多數(shù)內(nèi)核都是多線程的播赁，因此它們可以處理在后臺執(zhí)行的多個操作行拢。當(dāng)其中一個操作完成時诞吱，內(nèi)核會告訴Node.js沼瘫，以便可以將相應(yīng)的回調(diào)添加到 輪詢隊列 中以最終執(zhí)行耿戚。我們將在本主題后面進(jìn)一步詳細(xì)解釋。

事件循環(huán)解釋

當(dāng)Node.js啟動時坛猪，它初始化事件循環(huán)，處理提供的輸入腳本（或放入REPL就斤，本文檔未涉及）洋机，這可能會進(jìn)行異步API調(diào)用绷旗，調(diào)度計時器或調(diào)用process.nextTick()，然后開始處理事件循環(huán)址晕。

下圖顯示了事件循環(huán)操作順序的簡要概述启搂。

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

注意：每個框都將被稱為事件循環(huán)的“階段”胳赌。

每個階段都要執(zhí)行一個FIFO的回調(diào)隊列。雖然每個階段都有其特殊的方式捍掺，但通常挺勿，當(dāng)事件循環(huán)進(jìn)入給定階段時不瓶，它將執(zhí)行特定于該階段的任何操作禾嫉，然后在該階段的隊列中執(zhí)行回調(diào)，直到隊列耗盡或最大回調(diào)數(shù)量為止蚊丐。當(dāng)隊列耗盡或達(dá)到回調(diào)限制時熙参，事件循環(huán)將移至下一階段，依此類推麦备。

由于這些操作中的任何一個可以調(diào)度更多操作并且在輪詢階段中處理的新事件由內(nèi)核排隊尊惰，因此輪詢事件可以在處理輪詢事件時排隊。因此泥兰，長時間運行的回調(diào)可以允許輪詢階段運行的時間比計時器的閾值長得多。有關(guān)詳細(xì)信息题禀，請參閱計時器和輪詢部分鞋诗。

注意：Windows和Unix / Linux實現(xiàn)之間存在輕微差異削彬，但這對于此演示并不重要神僵。最重要的部分在這里。實際上有七到八個步驟，但我們關(guān)心的是 - Node.js實際使用的那些 - 是上面那些。

階段概述

timer : 此階段執(zhí)行setTimeout()和setInterval()調(diào)度的回調(diào)
pending callbacks : 執(zhí)行延遲到下一個循環(huán)迭代的I/O回調(diào)
idle, prepare : 只用于內(nèi)部
poll : 檢索新的I/O事件; 執(zhí)行與I/O相關(guān)的回調(diào)（幾乎所有回調(diào)都是帶有異常的close callbacks，timers和setImmediate()調(diào)度的回調(diào)）; node將在適當(dāng)?shù)臅r候阻塞在這里
check : 這里調(diào)用setImmediate()回調(diào)函數(shù)
close callbacks : 一些 close callbacks, 例如. socket.on('close', ...)

在事件循環(huán)的每次運行之間它呀，Node.js檢查它是否在等待任何異步I / O或定時器奢人，如果沒有土辩，則關(guān)閉。

階段細(xì)節(jié)

定時器（timer）

計時器在一個回調(diào)執(zhí)行完之后指定閾值，而不是人們希望的確切時間去執(zhí)行。定時器回調(diào)將在指定的時間過去后盡早安排; 但是蒸殿，操作系統(tǒng)調(diào)度或其他回調(diào)的運行可能會延遲它們楣铁。

注意：從技術(shù)上講浓镜，輪詢階段控制何時執(zhí)行定時器。

例如，假設(shè)您計劃在100毫秒后執(zhí)行timeout硼婿，然后您的腳本將異步讀取一個耗時95毫秒的文件：

const fs = require('fs');

function someAsyncOperation(callback) {
  // Assume this takes 95ms to complete
  fs.readFile('/path/to/file', callback);
}

const timeoutScheduled = Date.now();

setTimeout(() => {
  const delay = Date.now() - timeoutScheduled;

  console.log(`${delay}ms have passed since I was scheduled`);
}, 100);


// do someAsyncOperation which takes 95 ms to complete
someAsyncOperation(() => {
  const startCallback = Date.now();

  // do something that will take 10ms...
  while (Date.now() - startCallback < 10) {
    // do nothing
  }
});

當(dāng)事件循環(huán)進(jìn)入輪詢階段時逸月，它有一個空隊列（fs.readFile()尚未完成）肛响，因此它將等待剩余的ms數(shù)猎物，直到達(dá)到最快的計時器閾值。當(dāng)它等待95毫秒傳遞時搀罢，fs.readFile()完成讀取文件铅鲤，并且其完成需要10毫秒的回調(diào)被添加到輪詢隊列并執(zhí)行。當(dāng)回調(diào)結(jié)束時，隊列中不再有回調(diào)，因此事件循環(huán)將看到已達(dá)到最快定時器的閾值溢陪，然后回繞到定時器階段以執(zhí)行定時器的回調(diào)邓馒。在此示例中挂疆，您將看到正在調(diào)度的計時器與正在執(zhí)行的回調(diào)之間的總延遲將為105毫秒。

注意：為了防止輪詢階段使事件循環(huán)挨餓锈拨，libuv（實現(xiàn)Node.js事件循環(huán)的C庫和平臺的所有異步行為）在停止輪詢之前也為事件提供了固定的最大值（取決于系統(tǒng)）谷浅。

等待回調(diào)（pending callbacks）

此階段執(zhí)行某些系統(tǒng)操作（例如TCP錯誤類型）的回調(diào)。例如兔院，如果TCP套接字在嘗試連接時收到 ECONNREFUSED，則某些*nix系統(tǒng)希望等待報告錯誤蛛勉。這將排隊等待在等待回調(diào)階段執(zhí)行。

輪詢（poll）

輪詢階段有兩個主要功能：

計算它阻塞和輪詢I / O的時間妇拯，然后
處理輪詢隊列中的事件丹弱。

當(dāng)事件循環(huán)進(jìn)入輪詢階段并且沒有定時器調(diào)度時粹湃，將發(fā)生以下兩種情況之一：

如果輪詢隊列不為空构捡，則事件循環(huán)將遍歷回調(diào)隊列并且同步執(zhí)行吹由，直到隊列已執(zhí)行完或者達(dá)到系統(tǒng)相關(guān)的固定限制磕道。
如果輪詢隊列為空，則會發(fā)生以下兩種情況之一：
1. 如果setImmediate()已調(diào)度腳本纵搁，則事件循環(huán)將結(jié)束輪詢階段并繼續(xù)執(zhí)行檢查階段以執(zhí)行這些調(diào)度腳本跷敬。
2. 如果setImmediate()尚未調(diào)度腳本饺鹃，則事件循環(huán)將等待將回調(diào)添加到隊列，然后立即執(zhí)行它們。

檢查（check）

此階段允許在輪詢階段完成后立即執(zhí)行回調(diào)肴敛。如果輪詢階段變?yōu)榭臻e并且腳本已使用setImmediate()排隊医男，則事件循環(huán)可以繼續(xù)到檢查階段而不是等待研底。

setImmediate()實際上是一個特殊的計時器，它在事件循環(huán)的一個單獨階段運行吨掌。它使用libuv API來調(diào)度在輪詢階段完成后執(zhí)行的回調(diào)。

通常枢贿，在執(zhí)行代碼時殉农，事件循環(huán)最終會到達(dá)輪詢階段，它將等待傳入連接局荚，請求等超凳。但是，如果已使用setImmediate()調(diào)度回調(diào)并且輪詢階段變?yōu)榭臻e耀态，則將結(jié)束并繼續(xù)檢查階段轮傍，而不是等待輪詢事件。

關(guān)閉回調(diào)（close callbacks）

如果套接字或句柄突然關(guān)閉（例如socket.destroy()）茫陆，則在此階段將發(fā)出'close'事件金麸。否則它將通過process.nextTick()發(fā)出擎析。

`setImmediate()` vs `setTimeout()`

setImmediate和setTimeout()類似簿盅，但根據(jù)它們的調(diào)用時間以不同的方式運行挥下。

setImmediate()用于在當(dāng)前輪詢階段完成后執(zhí)行腳本。
setTimeout()計劃在經(jīng)過最小閾值（以ms為單位）后運行的腳本桨醋。

執(zhí)行定時器的順序?qū)⒏鶕?jù)調(diào)用它們的上下文而有所不同棚瘟。如果從主模塊中調(diào)用兩者，則時間將受到進(jìn)程性能的限制（可能受到計算機(jī)上運行的其他應(yīng)用程序的影響）喜最。

例如偎蘸，如果我們運行不在I / O周期內(nèi)的以下腳本（即主模塊），則執(zhí)行兩個定時器的順序是不確定的瞬内，因為它受進(jìn)程性能的約束：

// timeout_vs_immediate.js
setTimeout(() => {
  console.log('timeout');
}, 0);

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

$ node timeout_vs_immediate.js
timeout
immediate

$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

但是迷雪，如果在I / O周期內(nèi)移動兩個調(diào)用，則始終首先執(zhí)行立即回調(diào)：

// timeout_vs_immediate.js
const fs = require('fs');

fs.readFile(__filename, () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('timeout');
  }, 0);
  setImmediate(() => {
    console.log('immediate');
  });
});

$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

使用setImmediate()而不是setTimeout()的主要優(yōu)點是setImmediate()將始終在任何定時器之前執(zhí)行（如果在I / O周期內(nèi)調(diào)度）虫蝶，與存在多少定時器無關(guān)章咧。

`process.nextTick()`

理解`process.nextTick()`

您可能已經(jīng)注意到process.nextTick()沒有顯示在圖中，即使它是異步API的一部分能真。這是因為process.nextTick()在技術(shù)上不是事件循環(huán)的一部分赁严。相反，nextTickQueue將在當(dāng)前操作完成后處理粉铐，而不管事件循環(huán)的當(dāng)前階段如何疼约。

回顧一下我們的圖表，無論何時在給定階段調(diào)用process.nextTick()蝙泼，傳遞給process.nextTick()的所有回調(diào)都將在事件循環(huán)繼續(xù)之前得到解決程剥。這可能會產(chǎn)生一些不好的情況，因為它允許您通過進(jìn)行遞歸的process.nextTick()調(diào)用來“餓死”您的I / O踱承，這會阻止事件循環(huán)到達(dá)輪詢階段倡缠。

為什么會被允許？

為什么這樣的東西會被包含在Node.js中茎活？其中一部分是一種設(shè)計理念昙沦，其中API應(yīng)該始終是異步的，即使它不是必須的载荔。以此代碼段為例：

function apiCall(arg, callback) {
  if (typeof arg !== 'string')
    return process.nextTick(callback,
                            new TypeError('argument should be string'));
}

這段代碼進(jìn)行參數(shù)檢查盾饮，如果不正確，它會將錯誤傳遞給回調(diào)懒熙。最近更新的API允許將參數(shù)傳遞給process.nextTick()丘损，允許它將回調(diào)后傳遞的任何參數(shù)作為參數(shù)傳播到回調(diào)，因此您不必嵌套函數(shù)工扎。

我們正在做的是將錯誤傳回給用戶徘钥，但只有在我們允許其余的用戶代碼執(zhí)行之后。通過使用process.nextTick()肢娘，我們保證apiCall()始終在用戶代碼的其余部分之后和允許事件循環(huán)繼續(xù)之前運行其回調(diào)呈础。為了實現(xiàn)這一點舆驶，允許JS調(diào)用堆棧展開然后立即執(zhí)行提供的回調(diào)，這允許一個人對process.nextTick()進(jìn)行遞歸調(diào)用而不會達(dá)到RangeError：超出v8的最大調(diào)用堆棧大小而钞。

這種理念可能會導(dǎo)致一些潛在的問題沙廉。以此片段為例：

let bar;

// this has an asynchronous signature, but calls callback synchronously
function someAsyncApiCall(callback) { callback(); }

// the callback is called before `someAsyncApiCall` completes.
someAsyncApiCall(() => {
  // since someAsyncApiCall has completed, bar hasn't been assigned any value
  console.log('bar', bar); // undefined
});

bar = 1;

用戶將someAsyncApiCall()定義為具有異步簽名，但它實際上是同步操作的臼节。調(diào)用它時撬陵，在事件循環(huán)的同一階段調(diào)用提供給someAsyncApiCall()的回調(diào)，因為someAsyncApiCall()實際上不會異步執(zhí)行任何操作网缝。因此巨税，回調(diào)嘗試引用bar，即使它在范圍內(nèi)可能沒有該變量粉臊，因為該腳本無法運行完成垢夹。

通過將回調(diào)放在process.nextTick()中，腳本仍然能夠運行完成维费，允許在調(diào)用回調(diào)之前初始化所有變量果元，函數(shù)等。它還具有不允許事件循環(huán)繼續(xù)的優(yōu)點犀盟。在允許事件循環(huán)繼續(xù)之前而晒，向用戶警告錯誤可能是有用的。以下是使用process.nextTick()的前一個示例：

let bar;

function someAsyncApiCall(callback) {
  process.nextTick(callback);
}

someAsyncApiCall(() => {
  console.log('bar', bar); // 1
});

bar = 1;

這是另一個真實世界的例子：

const server = net.createServer(() => {}).listen(8080);

server.on('listening', () => {});

僅傳遞端口時阅畴，端口立即綁定倡怎。因此，可以立即調(diào)用'listening'回調(diào)贱枣。問題是那時候不會設(shè)置.on('listening')回調(diào)监署。

為了解決這個問題，'listening'事件在nextTick()中排隊纽哥，以允許腳本運行完成钠乏。這允許用戶設(shè)置他們想要的任何事件處理程序。

`process.nextTick()` vs `setImmediate()`

就用戶而言春塌，我們有兩個類似的調(diào)用晓避，但它們的名稱令人困惑。

process.nextTick()在同一階段立即觸發(fā)
setImmediate()在事件循環(huán)的后續(xù)迭代或'tick'中觸發(fā)

實質(zhì)上只壳，應(yīng)該交換名稱俏拱。 process.nextTick()比setImmediate()更快地觸發(fā)，但這是過去創(chuàng)造的吼句，不太可能改變锅必。進(jìn)行此切換會破壞npm上的大部分包。每天都會添加更多新模塊惕艳，這意味著我們每天都在等待搞隐，更多的潛在破損發(fā)生分蓖。雖然它們令人困惑，但自身的叫法不會改變尔许。

我們建議開發(fā)人員在所有情況下都使用setImmediate()，因為它更容易推理（并且它導(dǎo)致代碼與更廣泛的環(huán)境兼容终娃，如瀏覽器JS味廊。）

為什么要使用`process.nextTick()`？

有兩個主要原因：

允許用戶處理錯誤棠耕，清除任何不需要的資源余佛，或者在事件循環(huán)繼續(xù)之前再次嘗試請求。
有時需要允許回調(diào)在調(diào)用堆棧展開之后但在事件循環(huán)繼續(xù)之前運行窍荧。

一個例子是匹配用戶的期望辉巡。簡單的例子：

const server = net.createServer();
server.on('connection', (conn) => { });

server.listen(8080);
server.on('listening', () => { });

假設(shè)listen()在事件循環(huán)開始時運行，但是監(jiān)聽回調(diào)放在setImmediate()中蕊退。除非傳遞主機(jī)名郊楣，否則將立即綁定到端口。要使事件循環(huán)繼續(xù)瓤荔，它必須達(dá)到輪詢階段净蚤，這意味著可能已經(jīng)接收到連接的非零概率允許在偵聽事件之前觸發(fā)連接事件。

另一個例子是運行一個函數(shù)構(gòu)造函數(shù)输硝，比如繼承自EventEmitter今瀑，它想在構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用一個事件：

const EventEmitter = require('events');
const util = require('util');

function MyEmitter() {
  EventEmitter.call(this);
  this.emit('event');
}
util.inherits(MyEmitter, EventEmitter);

const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on('event', () => {
  console.log('an event occurred!');
});

您無法立即從構(gòu)造函數(shù)中發(fā)出事件，因為腳本將不會處理到用戶為該事件分配回調(diào)的位置点把。因此橘荠，在構(gòu)造函數(shù)本身中，您可以使用process.nextTick()來設(shè)置回調(diào)以在構(gòu)造函數(shù)完成后發(fā)出事件郎逃，從而提供預(yù)期的結(jié)果：

const EventEmitter = require('events');
const util = require('util');

function MyEmitter() {
  EventEmitter.call(this);

  // use nextTick to emit the event once a handler is assigned
  process.nextTick(() => {
    this.emit('event');
  });
}
util.inherits(MyEmitter, EventEmitter);

const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on('event', () => {
  console.log('an event occurred!');
});