[NodeJS] NodeJS事件循环

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setTimeout和setInterval，还有setImmediate和process.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：

解析执行同步任务；
发出异步请求；
注册定时器回调；
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。

timers：定时器阶段，执行setTimeout和setInterval的回调函数；
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；
idle, prepare：这个阶段只供libuv内部调用；
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。
check：执行setImmediate回调；
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.nextTick和Promise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nextTick和promise，还有MutationObserver和queueMicrotask。
nextTick属于特殊的高优先级微任务，而promise、MutationObserver和queueMicrotask的优先级一致。
MutationObserver是用来监听DOM的，是浏览器独有的；而nextTick是NodeJS独有的；
promise和queueMicrotask在两种环境下都有。

setTimeout和setImmediate

setTimeout在timers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1到2147483647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：

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；
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setTimeout，setImmediate和nextTick；
在到达check阶段之前的阶段之间，nextTick回调被再次执行，输出8；
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setTimeout，setImmediate，nextTick回调；
离开setImmediate，再次执行nextTick回调，输出4；
到达timers阶段，但是通常这时候还没到达100ms，于是跳过；
再次到达check阶段，输出队列中的7和3；
在下次循环的poll阶段等待，直到定时器完成，依次输出6和2。

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()