如何理解Node.js的事件循环

作者：陈峻 来源：51CTO

【51CTO.com快译】由于JavaScript是单线程的，那么在浏览器中，为了在等待动作完成时不会阻塞主线程的异步代码处理，JavaScript使用事件循环在调用堆栈、Web API和回调队列之间，持续协调代码的执行。不过，由Node.js自行实现的Node.js事件循环，虽然与之有着许多相同的模式，但是由于Node.js不与DOM交互，且可以处理各种输入和输出(I/O)，因此它在工作方式上却有所不同。

在本文中，我们将先了解Node.js事件循环背后的理论，再探究几个使用setTimeout、setImmediate和process.nextTick的示例。最后，我们将部分工作代码部署到Heroku(这一种快速部署应用的简便方法，请参阅--https://www.heroku.com/)中，以查看其运行情况。

Node.js的事件循环

总的说来，Node.js事件循环可以协调计时器、回调、以及I/O事件等操作与执行。这便是Node.js在单线程的情况下，处理异步行为的方式。如下事件循环图，很好地展示了其执行的顺序。

如您所见，Node.js事件循环共有六个主要阶段，它们分别是：

• 计时器(Timers)：那些由setTimeout和setInterval安排的回调，会在此阶段被执行。
• 待处理的回调(Pending callbacks)：那些被推迟到下一个循环迭代的I/O回调，会在此阶段被执行。
• 空闲，准备(Idle, prepare)：此阶段仅由Node.js内部所使用。
• 轮询(Poll)：此阶段用于检索新的I/O事件，并执行I/O回调(不过那些由计时器和setImmediate安排的回调，以及下面将提到的关闭回调除外，毕竟它们会在其他不同的阶段被处理)。
• 检查(Check)：由setImmediate安排的回调会在该阶段被执行。
• 关闭回调(Close callbacks)：此阶段主要执行诸如销毁套接字连接等回调。

您可能会好奇，为何process.nextTick并未在上述任何阶段被提到?其实，这是因为：作为一种特殊的方法，就技术而言，它并非Node.js事件循环的一部分。相反，无论process.nextTick方法在何时被调用，它都会将自己的回调放入队列之中，然后“无论事件循环当前处于哪个阶段，都会在完成当前操作后，处理排队中的各种回调”(源自：Node.js事件循环文档)。

事件循环的场景示例

也许您觉得上文针对Node.js事件循环的每个阶段的解释，过于抽象了。那么，我在Heroku上创建了一个包含了各种可运行代码段示例的演示应用，请参见--https://nodejs-event-loop-demo.herokuapp.com/。在该应用中，单击任何示例按钮，都会向服务器端发送一个API请求。而Node.js会在后端执行所选示例的代码片段，然后通过API将相应的响应返回给前端。您可以从GitHub的链接处，查看到完整的代码。

让我们通过如下示例，来更好地理解Node.js事件循环的调用顺序。

示例1

让我们从如下简单的示例开始(如下图所示)：

在此，我们有三个功能函数。由于它们是同步的，因此代码会从上至下顺次执行。也就是说，如果三个函数的调用顺序为：first、second、third，它们的代码也会以相同的顺序去执行：first、second、third。

示例2

接下来，我们会在第二个示例中引入setTimeout的概念(如下图所示)：

在此，我们先调用first函数，然后在延迟0毫秒后计划调用带有setTimeout的second函数，最后调用third函数。那么，这些函数的执行顺序就变成了：first、third、second。您一定会好奇：为什么second函数会被最后执行呢?

下面让我们来理解两个重要的原则。首先，使用带有延迟值的setTimeout方法，并不意味着应用将在指定毫秒数后，立即执行回调函数。实际上，该值表示的是：执行回调之前，需要经过的最短时间。其次，使用setTimeout来为回调设定的后期执行时间，会在事件循环的每一次迭代期间中始终执行该规则。因此，在事件循环的第一次迭代中，first函数被执行，second函数被“安排”(scheduled)，third函数再被执行。然而，在事件循环的第二次迭代期间中，0毫秒的最小延迟已被满足，因此second函数便会在第二次迭代的“计时器”阶段被执行。

示例3

然后，我们会在第三个示例中引入setImmediate的概念(如下图所示)：

在该示例中，我们执行first函数，使用setTimeout来为second函数延迟0毫秒，然后使用setImmediate来“安排”third函数。那么，在代码执行的过程中，就会出现一个问题：到底是哪种类型的安排优先?setTimeout还是setImmediate?

鉴于前面已经讨论过setTimeout的工作机制，我们来简单介绍一下setImmediate方法。该方法在事件循环的下一次迭代的“检查”阶段，会去执行其回调函数。因此，如果setImmediate在事件循环的第一次迭代期间被调用，那么它的回调方法会被“安排”上，并在事件循环的第二次迭代期间，执行该回调方法。

正如你在输出中所看到的那样，在我们的示例中，由于被setImmediate安排的回调先于被setTimeout安排的回调执行，因此该示例函数的执行顺序为：first、third、second。

当然，由setImmediate和setTimeout安排的执行到底谁先谁后，实际上取决于被调用方法的上下文。当从Node.js脚本中的主模块，直接调用这两种方法时，其时间取决于进程的性能，因此在每次运行脚本时，回调都可以按照不同的顺序被执行。不过，在I/O周期内调用这些方法时，setImmediate回调总是发生在setTimeout回调之前。在我们上述示例中，由于这些方法是作为响应API端点的某个部分被调用的，因此setImmediate回调会始终在setTimeout回调之前被执行。

示例4

为了实现快速的健全性检查，我们使用setImmediate和setTimeout来构建另一个示例(如下图所示)。

在此示例中，我们使用setImmediate来安排first函数，接着直接执行second函数，然后使用setTimeout的0毫秒延迟来安排third函数。您恐怕已经猜到了，上述函数的执行顺序为：second、first、third。而在事件循环的第二次迭代中，second函数被setImmediate安排在该I/O周期内被执行，然后third函数在延迟0毫秒时间后也被执行了。

示例5

下面，我们将process.nextTick方法引入最后一个示例(如下图所示)。

在该示例中，我们使用setImmediate来安排first函数，并使用process.nextTick来安排second函数，再使用带有0毫秒延迟的setTimeout来安排third函数，最后执行fourth函数。那么，在代码运行后，整体的调用顺序为：fourth、second、first、third。

有了前面的基础，我们很容易理解fourth函数为何被首先执行了。毕竟它是被直接调用的，而无需通过任何其他方法来进行安排。process.nextTick方法安排了second函数在第二个被执行，first函数紧接其后。最后被执行的是third函数，其原因在于，在同一个I/O周期内，由setImmediate安排的回调会先于setTimeout安排的回调去执行。

那么，为什么由process.nextTick安排的second函数会先于由setImmediate安排的first函数被执行呢?请不要被这两种方法的名称所误导，并非setImmediate就代表着回调一定会被立即执行，而process.nextTick就一定要等到事件循环的下一轮再执行回调。在此，我们并不展开讨论，如果您有兴趣的话，请参见https://nodejs.org/en/docs/guides/event-loop-timers-and-nexttick/#process-nexttick-vs-setimmediate。您只需注意的是：process.nextTick是在安排的同一阶段中，立即执行回调的;而setImmediate的回调则是在事件循环的下一次迭代、或计时期间中被执行的。

小结

通过上述示例，您应该对Node.js的事件循环，以及诸如setTimeout、setImmediate和process.nextTick等方法有所了解了。当然，您不必深究Node.js的内部结构，以及处理命令的相关操作。我们完全可以将Node.js视为一个黑匣子，轻松地用好Node.js事件循环的各项调用顺序即可。为了进一步了解上面提到的各种示例，您可以通过链接—https://nodejs-event-loop-demo.herokuapp.com/来查看其demo应用，或者通过链接—https://github.com/thawkin3/nodejs-event-loop-demo查看它们在GitHub上的代码。您甚至可以通过参考--https://heroku.com/deploy?template=https://github.com/thawkin3/nodejs-event-loop-demo，将代码部署到Heroku处。

原文标题：Understanding the Node.js Event Loop，作者: Tyler Hawkins

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