JS事件循环机制——消息队列和事件循环

2019-12-01

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每个渲染进程都有一个主线程，并且主线程非常繁忙，既要处理 DOM，又要计算样式，还要处理布局，同时还需要处理 JavaScript 任务以及各种输入事件。要让这么多不同类型的任务在主线程中有条不紊地执行，这就需要一个系统来统筹调度这些任务，这个统筹调度系统就是消息队列和事件循环系统。

使用单线程处理安排好的任务

我们先从最简单的场景讲起，比如有如下一系列的任务：

任务 1：1+2
任务 2：20/5
任务 3：7*8
任务 4：打印出任务 1、任务 2、任务 3 的运算结果

现在要在一个线程中去执行这些任务，通常我们会这样编写代码：

void MainThread() {
  int num1 = 1 + 2; // 任务 1
  int num2 = 20 / 5; // 任务 2
  int num3 = 7 * 8; // 任务 3
  print("最终计算的值为:%d,%d,%d", num, num2, num3)； // 任务 4
}

在上面的执行代码中，我们把所有任务代码按照顺序写进主线程里，等线程执行时，这些任务会按照顺序在线程中依次被执行；等所有任务执行完成之后，线程会自动退出。可以参考下图来直观地理解下其执行过程：

在线程运行过程中处理新任务

但并不是所有的任务都是在执行之前统一安排好的，大部分情况下，新的任务是在线程运行过程中产生的。比如在线程执行过程中，又接收到了一个新的任务要求计算10+2，那上面那种方式就无法处理这种情况了。

要想在线程运行过程中，能接收并执行新的任务，就需要采用事件循环机制。我们可以通过一个for循环语句来监听是否有新的任务，如下面的示例代码：

//GetInput
// 等待用户从键盘输入一个数字，并返回该输入的数字
int GetInput() {
  int input_number = 0;
  cout<<" 请输入一个数:";
  cin>>input_number;
  return input_number;
}
 
// 主线程 (Main Thread)
void MainThread() {
  for(;;){
    int first_num = GetInput()；
    int second_num = GetInput()；
    result_num = first_num + second_num;
    print(" 最终计算的值为:%d",result_num)；
  }
}

相较于第一版的线程，这一版的线程做了两点改进。

第一点引入了循环机制，具体实现方式是在线程语句最后添加了一个for循环语句，线程会一直循环执行。
第二点是引入了事件，可以在线程运行过程中，等待用户输入的数字，等待过程中线程处于暂停状态，一旦接收到用户输入的信息，那么线程会被激活，然后执行相加运算，最后输出结果。

通过引入事件循环机制，就可以让该线程“活”起来了，我们每次输入两个数字，都会打印出两数字相加的结果，你可以结合下图来参考下这个改进版的线程：

处理其他线程发送过来的任务

上面我们改进了线程的执行方式，引入了事件循环机制，可以让其在执行过程中接受新的任务。不过在第二版的线程模型中，所有的任务都是来自于线程内部的，如果另外一个线程想让主线程执行一个任务，利用第二版的线程模型是无法做到的。

那下面我们就来看看其他线程是如何发送消息给渲染主线程的，具体形式你可以参考下图：

从上图可以看出，渲染主线程会频繁接收到来自于 IO 线程的一些任务，接收到这些任务之后，渲染进程就需要着手处理，比如接收到资源加载完成的消息后，渲染进程就要着手进行 DOM 解析了；接收到鼠标点击的消息后，渲染主线程就要开始执行相应的 JavaScript 脚本来处理该点击事件。

那么如何设计好一个线程模型，能让其能够接收其他线程发送的消息呢？

一个通用模式是使用消息队列。

从图中可以看出，消息队列是一种数据结构，可以存放要执行的任务。它符合队列“先进先出”的特点，也就是说要添加任务的话，添加到队列的尾部；要取出任务的话，从队列头部去取。

有了队列之后，我们就可以继续改造线程模型了，改造方案如下图所示：

从上图可以看出，我们的改造可以分为下面三个步骤：

添加一个消息队列；
IO 线程中产生的新任务添加进消息队列尾部；
渲染主线程会循环地从消息队列头部中读取任务，执行任务。

有了这些步骤之后，那么接下来我们就可以按步骤使用代码来实现第三版的线程模型。

首先，构造一个队列。

class TaskQueue {
  public:
  Task takeTask(); // 取出队列头部的一个任务
  void pushTask(Task task); // 添加一个任务到队列尾部
};

接下来，改造主线程，让主线程从队列中读取任务：

TaskQueue task_queue；
void ProcessTask();
void MainThread() {
  for(;;){
    Task task = task_queue.takeTask();
    ProcessTask(task);
  }
}

在上面的代码中，我们添加了一个消息队列的对象，然后在主线程的for循环代码块中，从消息队列中读取一个任务，然后执行该任务，主线程就这样一直循环往下执行，因此只要消息队列中有任务，主线程就会去执行。

主线程的代码就这样改造完成了。这样改造后，主线程执行的任务都全部从消息队列中获取。所以如果有其他线程想要发送任务让主线程去执行，只需要将任务添加到该消息队列中就可以了，添加任务的代码如下：

1 2	Task clickTask; task_queue.pushTask(clickTask)

由于是多个线程操作同一个消息队列，所以在添加任务和取出任务时还会加上一个同步锁。

处理其他进程发送过来的任务

通过使用消息队列，我们实现了线程之间的消息通信。在 Chrome 中，跨进程之间的任务也是频繁发生的，那么如何处理其他进程发送过来的任务？你可以参考下图：

从图中可以看出，渲染进程专门有一个 IO 线程用来接收其他进程传进来的消息，接收到消息之后，会将这些消息组装成任务发送给渲染主线程，后续的步骤就和前面讲解的“处理其他线程发送的任务”一样了。

消息队列中的任务类型

现在你知道页面主线程是如何接收外部任务的了，那接下来我们再来看看消息队列中的任务类型有哪些。如输入事件（鼠标滚动、点击、移动）、微任务、文件读写、WebSocket、JavaScript 定时器等等。

除此之外，消息队列中还包含了很多与页面相关的事件，如 JavaScript 执行、解析 DOM、样式计算、布局计算、CSS 动画等。

以上这些事件都是在主线程中执行的，所以在编写 Web 应用时，你还需要衡量这些事件所占用的时长，并想办法解决单个任务占用主线程过久的问题。

如何安全退出

当页面主线程执行完成之后，又该如何保证页面主线程能够安全退出呢？Chrome 是这样解决的，确定要退出当前页面时，页面主线程会设置一个退出标志的变量，在每次执行完一个任务时，判断是否有设置退出标志。

如果设置了，那么就直接中断当前的所有任务，退出线程，你可以参考下面代码：

TaskQueue task_queue；
void ProcessTask();
bool keep_running = true;
void MainThread() {
  for(;;){
    Task task = task_queue.takeTask();
    ProcessTask(task);
    if(!keep_running) // 如果设置了退出标志，那么直接退出线程循环
      break; 
  }
}

页面使用单线程的缺点

页面线程所有执行的任务都来自于消息队列。消息队列是“先进先出”的属性，也就是说放入队列中的任务，需要等待前面的任务被执行完，才会被执行。鉴于这个属性，就有如下两个问题需要解决。

第一个问题是如何处理高优先级的任务。

比如一个典型的场景是监控 DOM 节点的变化情况（节点的插入、修改、删除等动态变化），然后根据这些变化来处理相应的业务逻辑。一个通用的设计的是，利用 JavaScript 设计一套监听接口，当变化发生时，渲染引擎同步调用这些接口，这是一个典型的观察者模式。

不过这个模式有个问题，因为 DOM 变化非常频繁，如果每次发生变化的时候，都直接调用相应的 JavaScript 接口，那么这个当前的任务执行时间会被拉长，从而导致执行效率的下降。

如果将这些 DOM 变化做成异步的消息事件，添加到消息队列的尾部，那么又会影响到监控的实时性，因为在添加到消息队列的过程中，可能前面就有很多任务在排队了。

这也就是说，如果 DOM 发生变化，采用同步通知的方式，会影响当前任务的执行效率；如果采用异步方式，又会影响到监控的实时性。

那该如何权衡效率和实时性呢？

针对这种情况，微任务就应用而生了，下面我们来看看微任务是如何权衡效率和实时性的。

通常我们把消息队列中的任务称为宏任务，每个宏任务中都包含了一个微任务队列，在执行宏任务的过程中，如果 DOM 有变化，那么就会将该变化添加到微任务列表中，这样就不会影响到宏任务的继续执行，因此也就解决了执行效率的问题。

等宏任务中的主要功能都直接完成之后，这时候，渲染引擎并不着急去执行下一个宏任务，而是执行当前宏任务中的微任务，因为 DOM 变化的事件都保存在这些微任务队列中，这样也就解决了实时性问题。

第二个是如何解决单个任务执行时长过久的问题。

因为所有的任务都是在单线程中执行的，所以每次只能执行一个任务，而其他任务就都处于等待状态。如果其中一个任务执行时间过久，那么下一个任务就要等待很长时间。

从图中你可以看到，如果在执行动画过程中，其中有个 JavaScript 任务因执行时间过久，占用了动画单帧的时间，这样会给用户制造了卡顿的感觉，这当然是极不好的用户体验。针对这种情况，JavaScript 可以通过回调功能来规避这种问题，也就是让要执行的 JavaScript 任务滞后执行。

实践：浏览器页面是如何运行的

你可以打开开发者工具，点击Performance标签，选择左上角的start porfiling and load page来记录整个页面加载过程中的事件执行情况，如下图所示：

从图中可以看出，我们点击展开了Main这个项目，其记录了主线程执行过程中的所有任务。图中灰色的就是一个个任务，每个任务下面还有子任务，其中的 Parse HTML 任务，是把 HTML 解析为 DOM 的任务。值得注意的是，在执行 Parse HTML 的时候，如果遇到 JavaScript 脚本，那么会暂停当前的 HTML 解析而去执行 JavaScript 脚本。

总结

如果有一些确定好的任务，可以使用一个单线程来按照顺序处理这些任务，这是第一版线程模型。
要在线程执行过程中接收并处理新的任务，就需要引入循环语句和事件系统，这是第二版线程模型。
如果要接收其他线程发送过来的任务，就需要引入消息队列，这是第三版线程模型。
如果其他进程想要发送任务给页面主线程，那么先通过 IPC 把任务发送给渲染进程的 IO 线程，IO 线程再把任务发送给页面主线程。
消息队列机制并不是太灵活，为了适应效率和实时性，引入了微任务。

基于消息队列的设计是目前使用最广的消息架构，无论是安卓还是 Chrome 都采用了类似的任务机制。

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