【Nodejs】731- Node.js 定时器详解
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2020-09-30 00:45
作者@阮一峰 | www.ruanyifeng.com/blog/2018/02/node-event-loop.html
JavaScript 是单线程运行，异步操作特别重要。
只要用到引擎之外的功能，就需要跟外部交互，从而形成异步操作。由于异步操作实在太多，JavaScript 不得不提供很多异步语法。这就好比，有些人老是受打击， 他的抗打击能力必须变得很强，否则他就完蛋了。
Node 的异步语法比浏览器更复杂，因为它可以跟内核对话，不得不搞了一个专门的库 libuv 做这件事。这个库负责各种回调函数的执行时间，毕竟异步任务最后还是要回到主线程，一个个排队执行。
为了协调异步任务，Node 居然提供了四个定时器，让任务可以在指定的时间运行。
setTimeout()
setInterval()
setImmediate()
process.nextTick()
前两个是语言的标准，后两个是 Node 独有的。它们的写法差不多，作用也差不多，不太容易区别。
你能说出下面代码的运行结果吗？
// test.js
setTimeout(() => console.log(1));
setImmediate(() => console.log(2));
process.nextTick(() => console.log(3));
Promise.resolve().then(() => console.log(4));
(() => console.log(5))();
运行结果如下。
$ node test.js
5
3
4
1
2
如果你能一口说对，可能就不需要再看下去了。本文详细解释，Node 怎么处理各种定时器，或者更广义地说，libuv 库怎么安排异步任务在主线程上执行。
一、同步任务和异步任务
首先，同步任务总是比异步任务更早执行。
前面的那段代码，只有最后一行是同步任务，因此最早执行。
(() => console.log(5))();
二、本轮循环和次轮循环
异步任务可以分成两种。
追加在本轮循环的异步任务
追加在次轮循环的异步任务
所谓"循环"，指的是事件循环（event loop）。这是 JavaScript 引擎处理异步任务的方式，后文会详细解释。这里只要理解，本轮循环一定早于次轮循环执行即可。
Node 规定，process.nextTick和Promise的回调函数，追加在本轮循环，即同步任务一旦执行完成，就开始执行它们。而setTimeout、setInterval、setImmediate的回调函数，追加在次轮循环。
这就是说，文首那段代码的第三行和第四行，一定比第一行和第二行更早执行。
// 下面两行，次轮循环执行
setTimeout(() => console.log(1));
setImmediate(() => console.log(2));
// 下面两行，本轮循环执行
process.nextTick(() => console.log(3));
Promise.resolve().then(() => console.log(4));
三、process.nextTick()
process.nextTick这个名字有点误导，它是在本轮循环执行的，而且是所有异步任务里面最快执行的。
Node 执行完所有同步任务，接下来就会执行process.nextTick的任务队列。所以，下面这行代码是第二个输出结果。
process.nextTick(() => console.log(3));
基本上，如果你希望异步任务尽可能快地执行，那就使用process.nextTick。
四、微任务
根据语言规格，Promise对象的回调函数，会进入异步任务里面的"微任务"（microtask）队列。
微任务队列追加在process.nextTick队列的后面，也属于本轮循环。所以，下面的代码总是先输出3，再输出4。
process.nextTick(() => console.log(3));
Promise.resolve().then(() => console.log(4));
// 3
// 4
注意，只有前一个队列全部清空以后，才会执行下一个队列。
process.nextTick(() => console.log(1));
Promise.resolve().then(() => console.log(2));
process.nextTick(() => console.log(3));
Promise.resolve().then(() => console.log(4));
// 1
// 3
// 2
// 4
上面代码中，全部process.nextTick的回调函数，执行都会早于Promise的。
至此，本轮循环的执行顺序就讲完了。
同步任务
process.nextTick()
微任务
五、事件循环的概念
下面开始介绍次轮循环的执行顺序，这就必须理解什么是事件循环（event loop）了。
Node 的官方文档是这样介绍的。
这段话很重要，需要仔细读。它表达了三层意思。
首先，有些人以为，除了主线程，还存在一个单独的事件循环线程。不是这样的，只有一个主线程，事件循环是在主线程上完成的。
其次，Node 开始执行脚本时，会先进行事件循环的初始化，但是这时事件循环还没有开始，会先完成下面的事情。
同步任务
发出异步请求
规划定时器生效的时间
执行process.nextTick()等等
最后，上面这些事情都干完了，事件循环就正式开始了。
六、事件循环的六个阶段
事件循环会无限次地执行，一轮又一轮。只有异步任务的回调函数队列清空了，才会停止执行。
每一轮的事件循环，分成六个阶段。这些阶段会依次执行。
timers
I/O callbacks
idle, prepare
poll
check
close callbacks
每个阶段都有一个先进先出的回调函数队列。只有一个阶段的回调函数队列清空了，该执行的回调函数都执行了，事件循环才会进入下一个阶段。
下面简单介绍一下每个阶段的含义，详细介绍可以看官方文档，也可以参考 libuv 的源码解读。
（1）timers
这个是定时器阶段，处理setTimeout()和setInterval()的回调函数。进入这个阶段后，主线程会检查一下当前时间，是否满足定时器的条件。如果满足就执行回调函数，否则就离开这个阶段。
（2）I/O callbacks
除了以下操作的回调函数，其他的回调函数都在这个阶段执行。
setTimeout()和setInterval()的回调函数
setImmediate()的回调函数
用于关闭请求的回调函数，比如socket.on('close', ...)
（3）idle, prepare
该阶段只供 libuv 内部调用，这里可以忽略。
（4）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。
（5）check
该阶段执行setImmediate()的回调函数。
（6）close callbacks
该阶段执行关闭请求的回调函数，比如socket.on('close', ...)。
七、事件循环的示例
下面是来自官方文档的一个示例。
const fs = require('fs');
const timeoutScheduled = Date.now();
// 异步任务一：100ms 后执行的定时器
setTimeout(() => {
const delay = Date.now() - timeoutScheduled;
console.log(`${delay}ms`);
}, 100);
// 异步任务二：至少需要 200ms 的文件读取
fs.readFile('test.js', () => {
const startCallback = Date.now();
while (Date.now() - startCallback < 200) {
// 什么也不做
}
});
上面代码有两个异步任务，一个是 100ms 后执行的定时器，一个是至少需要 200ms 的文件读取。请问运行结果是什么？
脚本进入第一轮事件循环以后，没有到期的定时器，也没有已经可以执行的 I/O 回调函数，所以会进入 Poll 阶段，等待内核返回文件读取的结果。由于读取小文件一般不会超过 100ms，所以在定时器到期之前，Poll 阶段就会得到结果，因此就会继续往下执行。
第二轮事件循环，依然没有到期的定时器，但是已经有了可以执行的 I/O 回调函数，所以会进入 I/O callbacks 阶段，执行fs.readFile的回调函数。这个回调函数需要 200ms，也就是说，在它执行到一半的时候，100ms 的定时器就会到期。但是，必须等到这个回调函数执行完，才会离开这个阶段。
第三轮事件循环，已经有了到期的定时器，所以会在 timers 阶段执行定时器。最后输出结果大概是200多毫秒。
八、setTimeout 和 setImmediate
由于setTimeout在 timers 阶段执行，而setImmediate在 check 阶段执行。所以，setTimeout会早于setImmediate完成。
setTimeout(() => console.log(1));
setImmediate(() => console.log(2));
上面代码应该先输出1，再输出2，但是实际执行的时候，结果却是不确定，有时还会先输出2，再输出1。
这是因为setTimeout的第二个参数默认为0。但是实际上，Node 做不到0毫秒，最少也需要1毫秒，根据官方文档，第二个参数的取值范围在1毫秒到2147483647毫秒之间。也就是说，setTimeout(f, 0)等同于setTimeout(f, 1)。
实际执行的时候，进入事件循环以后，有可能到了1毫秒，也可能还没到1毫秒，取决于系统当时的状况。如果没到1毫秒，那么 timers 阶段就会跳过，进入 check 阶段，先执行setImmediate的回调函数。
但是，下面的代码一定是先输出2，再输出1。
const fs = require('fs');
fs.readFile('test.js', () => {
setTimeout(() => console.log(1));
setImmediate(() => console.log(2));
});
上面代码会先进入 I/O callbacks 阶段，然后是 check 阶段，最后才是 timers 阶段。因此，setImmediate才会早于setTimeout执行。
九、参考链接
The Node.js Event Loop, Timers, and process.nextTick(), by Node.js
Handling IO -- NodeJS Event Loop, by Deepal Jayasekara
setImmediate() vs nextTick() vs setTimeout(fn,0) - in depth explanation, by Paul Shan
Node.js event loop workflow & lifecycle in low level, by Paul Shan
以上链接请阅读原文查看。
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