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【前端基础】事件循环详解

ops 2025/7/27 8:37:00

文章目录

- 一、JavaScript 的单线程特性
- 二、事件循环的核心组成
- 三、事件循环的运作流程
- 四、宏任务 (Macrotask) vs 微任务 (Microtask)
- 五、代码示例解析
- 六、浏览器环境中的渲染时机
- 七、Node.js 环境中的事件循环
- 八、为什么理解事件循环很重要？

事件循环是 JavaScript 实现异步非阻塞 I/O 的核心机制，也是理解 JavaScript 代码执行顺序，特别是涉及 setTimeout, Promise, async/await 等异步操作时至关重要的概念。
在这里插入图片描述

一、JavaScript 的单线程特性

首先，我们需要明确 JavaScript 是一门单线程语言。这意味着在任意特定时刻，JavaScript 引擎只能执行一个任务。所有任务都需要排队，一个接一个地处理。

优点：

避免了多线程环境下复杂的并发控制问题（如竞态条件、死锁等）。
实现简单。

缺点：

如果一个任务执行时间过长（例如，复杂的计算或长时间的网络请求），后续的所有任务都必须等待，导致程序阻塞，用户界面卡顿甚至无响应。这就是所谓的“阻塞 (blocking)”。

为了解决单线程带来的阻塞问题，同时又能处理耗时的操作（如 I/O 操作、定时器、用户交互等），JavaScript 引入了异步编程模型和事件循环机制。

二、事件循环的核心组成

事件循环模型主要由以下几个关键部分组成，尤其是在浏览器环境中：

调用栈 (Call Stack / Execution Stack)：
- 一个后进先出 (LIFO) 的数据结构，用于存储所有正在执行的函数调用的上下文。
- 当一个函数被调用时，它的帧 (frame) 会被推入调用栈。
- 当函数执行完毕返回时，它的帧会从调用栈中弹出。
- 所有同步代码都在调用栈中执行。
堆 (Heap)：
- 一块内存区域，用于存储对象、数组等复杂数据类型。与事件循环的直接关系不大，但与 JavaScript 的内存管理相关。
宿主环境提供的 API (Web APIs / Node.js APIs)：
- 这些 API 由 JavaScript 的宿主环境（浏览器或 Node.js）提供，它们不是 JavaScript 引擎的一部分。
- 例如：
  - 浏览器环境：DOM API (如事件监听), setTimeout(), setInterval(), XMLHttpRequest, Workspace(), requestAnimationFrame() 等。
  - Node.js 环境：fs (文件系统), http (网络), child_process, timers 模块等。
- 这些 API 允许我们发起异步操作。当调用这些 API 时，操作会在宿主环境的后台线程中处理，而不会阻塞 JavaScript 主线程。
任务队列 (Task Queue / Callback Queue)：
事件循环中有两种主要的任务队列：
- 宏任务队列 (Macrotask Queue / Task Queue)：
  - 用于存放宏任务 (Macrotask) 的回调函数。
  - 常见的宏任务来源：
    - setTimeout(), setInterval() 的回调
    - setImmediate() (Node.js 环境)
    - I/O 操作的回调 (如文件读写、网络请求完成)
    - UI 交互事件的回调 (如点击、键盘输入、滚动等)
    - 脚本 (<script>) 本身的执行 (可以看作是一个初始的宏任务)
    - UI 渲染 (浏览器环境下，通常在处理完微任务后，在两次宏任务之间或特定时机进行)
- 微任务队列 (Microtask Queue)：
  - 用于存放微任务 (Microtask) 的回调函数。
  - 微任务通常具有更高的优先级，会在当前宏任务执行完毕后、下一个宏任务开始前立即执行。
  - 常见的微任务来源：
    - Promise.then(), Promise.catch(), Promise.finally() 的回调
    - async/await 中 await 关键字之后的代码 (实际上是 Promise 的封装)
    - MutationObserver 的回调
    - queueMicrotask() API
    - process.nextTick() (Node.js 环境，优先级甚至高于其他微任务)

三、事件循环的运作流程

事件循环是一个持续不断的过程，它的基本工作流程如下：

执行同步代码：
- 首先，JavaScript 引擎会执行全局的同步代码（通常是 <script> 标签中的代码，这可以看作是第一个宏任务）。
- 所有同步函数调用都会被压入调用栈并依次执行。
遇到异步 API 调用：
- 当遇到异步 API 调用（如 setTimeout, Workspace 或 Promise 的创建），JavaScript 引擎会将这些操作交给相应的宿主环境 API 处理。
- 宿主环境 API 会在后台处理这些异步任务。
- 当异步任务完成（例如定时器到期、数据获取成功/失败、Promise 状态改变），宿主环境会将相应的回调函数放入对应的任务队列中（宏任务队列或微任务队列）。
事件循环的监控：
- 事件循环会持续不断地检查调用栈是否为空。
处理微任务：
- 一旦调用栈为空（即当前宏任务中的所有同步代码执行完毕），事件循环会立即检查微任务队列。
- 如果微任务队列不为空，事件循环会按顺序执行队列中所有的微任务，直到微任务队列变空为止。
- 重要：如果在执行微任务的过程中，又产生了新的微任务，这些新的微任务也会被添加到微任务队列的末尾，并在当前轮次的微任务处理中被执行完毕。微任务队列必须在下一个宏任务开始前被完全清空。
处理宏任务：
- 当调用栈为空且微任务队列也为空之后，事件循环会检查宏任务队列。
- 如果宏任务队列不为空，事件循环会取出一个最早进入队列的宏任务，将其回调函数压入调用栈执行。
- 这个宏任务的执行过程与步骤 1 类似，它可能包含同步代码和新的异步 API 调用。
重复循环：
- 当这个新的宏任务执行完毕（调用栈再次变空），事件循环会再次执行步骤 4（检查并清空微任务队列），然后执行步骤 5（处理下一个宏任务），如此往复，形成一个持续的循环。

简单概括一轮事件循环 (Tick)：
一个宏任务 -> 执行该宏任务中的所有同步代码 -> 清空所有微任务 -> (可能会进行UI渲染) -> 下一个宏任务…

四、宏任务 (Macrotask) vs 微任务 (Microtask)

理解宏任务和微任务的区别是掌握事件循环的关键：

执行时机：
- 微任务在当前宏任务执行结束后、下一个宏任务开始前立即执行。
- 宏任务则需要等待前面的宏任务以及所有微任务都执行完毕后，才会按队列顺序执行。
优先级：微任务的优先级高于宏任务。
队列特性：
- 通常一次事件循环只会执行一个宏任务（从宏任务队列中取一个）。
- 但会执行所有当前可用的微任务，直到微任务队列为空。

一个形象的比喻：

宏任务队列：像是银行的排队叫号系统，一次处理一个客户（宏任务）。
微任务队列：像是银行的 VIP 通道或紧急业务窗口。当一个普通客户（宏任务）办理完业务后，银行会立即处理所有 VIP 通道和紧急业务窗口的客户（微任务），直到这些客户都处理完毕，才会叫下一个普通号。

五、代码示例解析

让我们通过一个经典的例子来理解事件循环：

console.log('Script start'); // 1. 同步代码setTimeout(function() { // 注册宏任务 M1console.log('setTimeout callback'); // M1.1
}, 0);Promise.resolve().then(function() { // 注册微任务 m1console.log('Promise.then callback 1'); // m1.1
}).then(function() { // 注册微任务 m2 (由 m1 返回的 Promise 产生)console.log('Promise.then callback 2'); // m2.1
});console.log('Script end'); // 2. 同步代码

执行顺序分析：

全局同步代码执行 (第一个宏任务的一部分)：
- console.log('Script start'); 输出: Script start
- 遇到 setTimeout，其回调函数被注册为一个宏任务 (M1)，放入宏任务队列。
- Promise.resolve() 创建一个已解决的 Promise，其第一个 .then() 的回调函数被注册为一个微任务 (m1)，放入微任务队列。
- console.log('Script end'); 输出: Script end
- 调用栈变空。
处理微任务队列：
- 事件循环检查微任务队列，发现不为空。
- 执行微任务 m1: console.log('Promise.then callback 1'); 输出: Promise.then callback 1
- m1 的 .then() 返回一个新的 Promise，其回调函数（打印 “Promise.then callback 2”）被注册为新的微任务 (m2)，放入微任务队列末尾。
- 微任务队列现在是 [m2]。事件循环继续处理微任务。
- 执行微任务 m2: console.log('Promise.then callback 2'); 输出: Promise.then callback 2
- 微任务队列变空。
处理宏任务队列 (下一轮事件循环)：
- 事件循环检查宏任务队列，发现 M1。
- 取出 M1，将其回调函数压入调用栈执行。
- 执行 M1 的回调: console.log('setTimeout callback'); 输出: setTimeout callback
- 调用栈变空。
- 再次检查微任务队列（此时为空）。

最终输出顺序：

Script start
Script end
Promise.then callback 1
Promise.then callback 2
setTimeout callback

六、浏览器环境中的渲染时机

在浏览器中，页面的渲染更新通常也作为事件循环的一部分。浏览器一般会尝试在每秒60帧（约16.7ms一次）的频率更新页面。

渲染操作通常被认为是宏任务（或者在宏任务之间进行）。
重要的是，所有微任务会在下一次渲染之前执行完毕。这意味着，如果微任务执行时间过长，或者不断有新的微任务被添加到队列中，可能会阻塞或延迟页面的渲染，导致用户感觉卡顿。
requestAnimationFrame() 是一个特殊的 API，它的回调会在浏览器下一次重绘之前执行，非常适合用来执行动画更新。它本身可以被看作是与渲染紧密相关的另一种类型的任务。

七、Node.js 环境中的事件循环

Node.js 的事件循环机制与浏览器类似，但也有其自身的特点和更复杂的阶段划分。Node.js 事件循环的主要阶段包括：

timers (定时器)：执行 setTimeout() 和 setInterval() 的回调。
pending callbacks (待定回调)：执行延迟到下一个循环迭代的 I/O 回调。
idle, prepare (仅内部使用)
poll (轮询)：检索新的 I/O 事件；执行与 I/O 相关的回调（除了关闭回调、定时器回调和 setImmediate()）。Node.js 在这里可能会阻塞，等待新的连接、数据等。
check (检查)：执行 setImmediate() 的回调。
close callbacks (关闭回调)：例如 socket.on('close', ...)。

在 Node.js 中，process.nextTick() 的回调并不完全属于上述阶段，它们会在当前操作完成后、事件循环继续到下一个阶段之前立即执行，优先级非常高，甚至高于其他微任务。Promise 的回调也是微任务，在每个阶段完成后、进入下一个阶段前，以及 process.nextTick() 队列清空后执行。

总的来说，Node.js 的事件循环更为复杂，但“宏任务-微任务”的基本处理逻辑（即每个宏任务阶段完成后清空微任务队列）是相似的。