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Node.js 事件循环，定时器和process.nextTick()

热度：29   发布时间：2023-10-26 15:48:25.0

Node.js 事件循环，定时器和process.nextTick()

转至：https://nodejs.org/zh-cn/docs/guides/event-loop-timers-and-nexttick/

什么是事件轮询

事件循环是 Node.js 处理非阻塞 I/O 操作的机制——尽管 JavaScript 是单线程处理的——当有可能的时候，它们会把操作转移到系统内核中去。

既然目前大多数内核都是多线程的，它们可在后台处理多种操作。当其中的一个操作完成的时候，内核通知 Node.js 将适合的回调函数添加到 轮询 队列中等待时机执行。我们在本文后面会进行详细介绍。

事件轮询机制解析

当 Node.js 启动后，它会初始化事件轮询；处理已提供的输入脚本（或丢入 REPL，本文不涉及到），它可能会调用一些异步的 API 函数调用，安排任务处理事件，或者调用 process.nextTick()，然后开始处理事件循环。

下面的图表显示了事件循环的概述以及操作顺序。

  ┌───────────────────────────┐
┌─>│           timers          │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │     pending callbacks     │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
│  │       idle, prepare       │
│  └─────────────┬─────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌─────────────┴─────────────┐      │   incoming:   │
│  │           poll            │<─────┤  connections, │
│  └─────────────┬─────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌─────────────┴─────────────┐      └───────────────┘
│  │           check           │
│  └─────────────┬─────────────┘
│  ┌─────────────┴─────────────┐
└──┤      close callbacks      │└───────────────────────────┘

注意：每个框框里每一步都是事件循环机制的一个阶段。

每个阶段都有一个 FIFO 队列来执行回调。虽然每个阶段都是特殊的，但通常情况下，当事件循环进入给定的阶段时，它将执行特定于该阶段的任何操作，然后在该阶段的队列中执行回调，直到队列用尽或最大回调数已执行。当该队列已用尽或达到回调限制，事件循环将移动到下一阶段，等等。

由于这些操作中的任何一个都可能计划 更多的 操作，并且在 轮询 阶段处理的新事件由内核排队，因此在处理轮询事件时，轮询事件可以排队。因此，长时间运行回调可以允许轮询阶段运行大量长于计时器的阈值。有关详细信息，请参阅 计时器 和 轮询 部分。

注意： 在 Windows 和 Unix/Linux 实现之间存在细微的差异，但这对演示来说并不重要。最重要的部分在这里。实际上有七或八个步骤，但我们关心的是 Node.js 实际上使用以上的某些步骤。

阶段概述

  • 定时器：本阶段执行已经安排的 setTimeout() 和 setInterval() 的回调函数。
  • 待定回调：执行延迟到下一个循环迭代的 I/O 回调。
  • idle, prepare：仅系统内部使用。
  • 轮询：检索新的 I/O 事件;执行与 I/O 相关的回调（几乎所有情况下，除了关闭的回调函数，它们由计时器和 setImmediate() 排定的之外），其余情况 node 将在此处阻塞。
  • 检测：setImmediate() 回调函数在这里执行。
  • 关闭的回调函数：一些准备关闭的回调函数，如：socket.on('close', ...)。

在每次运行的事件循环之间，Node.js 检查它是否在等待任何异步 I/O 或计时器，如果没有的话，则关闭干净。

阶段的详细概述

定时器

计时器指定 可执行所提供回调 的 阈值，而不是用户希望其执行的确切时间。计时器回调将尽可能早地运行，因为它们可以在指定的时间间隔后进行调度。但是，操作系统调度或其它回调的运行可能会延迟它们。

注意：轮询 阶段 控制何时定时器执行。

例如，假设您计划在 100 毫秒后执行超时阈值，然后您的脚本开始异步读取文件，这需要 95 毫秒:

const fs = require('fs');
function someAsyncOperation(callback) {
    
// Assume this takes 95ms to complete
fs.readFile(’/path/to/file’, callback);
}const timeoutScheduled = Date.now();setTimeout(() => {
    
const delay = Date.now() - timeoutScheduled;console.log(</span><span class="token interpolation"><span class="token interpolation-punctuation punctuation">${
    </span>delay<span class="token interpolation-punctuation punctuation">}</span></span><span class="token string">ms have passed since I was scheduled);
}, 100);// do someAsyncOperation which takes 95 ms to complete
someAsyncOperation(() => {
    
const startCallback = Date.now();// do something that will take 10ms…
while (Date.now() - startCallback < 10) {
    
// do nothing
}
});

当事件循环进入 轮询 阶段时，它有一个空队列（此时 fs.readFile() 尚未完成），因此它将等待毫秒数，直到达到最快的计时器阈值为止。当它等待 95 毫秒通过时，fs.readFile() 完成读取文件，它需要 10 毫秒完成的回调将添加到 轮询 队列中并执行。当回调完成时，队列中不再有回调，因此事件循环将看到已达到最快计时器的阈值，然后将回滚到 计时器 阶段，以执行定时器的回调。在本示例中，您将看到计划中的计时器和执行的回调之间的总延迟将为 105 毫秒。

注意：为了防止 轮询 阶段饿死事件循环，libuv（实现 Node.js 事件循环和平台的所有异步行为的 C 函数库），在停止轮询以获得更多事件之前，还有一个最大的（系统依赖）。

挂起的回调函数

此阶段对某些系统操作（如 TCP 错误类型）执行回调。例如，如果 TCP 套接字在尝试连接时接收到 ECONNREFUSED，则某些 *nix 的系统希望等待报告错误。这将被排队以在 挂起的回调 阶段执行。

轮询

轮询 阶段有两个重要的功能：

  1. 计算应该阻塞和轮询 I/O 的时间。
  2. 然后，处理 轮询 队列里的事件。

当事件循环进入 轮询 阶段且 _没有计划计时器时_，将发生以下两种情况之一：

  • _如果 轮询 队列 不是空的_，事件循环将循环访问其回调队列并同步执行它们，直到队列已用尽，或者达到了与系统相关的硬限制。

  • _如果 轮询 队列 是空的_，还有两件事发生：

    • 如果脚本已按 setImmediate() 排定，则事件循环将结束 轮询 阶段，并继续 检查 阶段以执行这些计划脚本。

    • 如果脚本 尚未 按 setImmediate()排定，则事件循环将等待回调添加到队列中，然后立即执行。

一旦 轮询 队列为空，事件循环将检查 _已达到时间阈值的计时器_。如果一个或多个计时器已准备就绪，则事件循环将绕回计时器阶段以执行这些计时器的回调。

检查阶段

此阶段允许人员在轮询阶段完成后立即执行回调。如果轮询阶段变为空闲状态，并且脚本已排队使用 setImmediate()，则事件循环可能继续到 检查 阶段而不是等待。

setImmediate() 实际上是一个在事件循环的单独阶段运行的特殊计时器。它使用一个 libuv API 来安排回调在 轮询 阶段完成后执行。

通常，在执行代码时，事件循环最终会命中轮询阶段，等待传入连接、请求等。但是，如果回调已计划为 setImmediate()，并且轮询阶段变为空闲状态，则它将结束并继续到检查阶段而不是等待轮询事件。

关闭的回调函数

如果套接字或处理函数突然关闭（例如 socket.destroy()），则'close' 事件将在这个阶段发出。否则它将通过 process.nextTick() 发出。

setImmediate() 对比 setTimeout()

setImmediate() 和 setTimeout() 很类似，但何时调用行为完全不同。

  • setImmediate() 设计为在当前 轮询 阶段完成后执行脚本。
  • setTimeout() 计划在毫秒的最小阈值经过后运行的脚本。

执行计时器的顺序将根据调用它们的上下文而异。如果二者都从主模块内调用，则计时将受进程性能的约束（这可能会受到计算机上运行的其它应用程序的影响）。

例如，如果运行的是不属于 I/O 周期（即主模块）的以下脚本，则执行两个计时器的顺序是非确定性的，因为它受进程性能的约束： 

// timeout_vs_immediate.js
setTimeout(() => {
    console.log('timeout');
}, 0);
setImmediate(() => {
    
console.log(‘immediate’);
});

$ node timeout_vs_immediate.js
timeout
immediate$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

但是，如果你把这两个函数放入一个 I/O 循环内调用，setImmediate 总是被优先调用：

/ timeout_vs_immediate.js
const fs = require('fs');fs.readFile(__filename, () => {
    setTimeout(() => {
    console.log('timeout');}, 0);setImmediate(() => {
    console.log('immediate');});
});

$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout$ node timeout_vs_immediate.js
immediate
timeout

使用 setImmediate() 超过 setTimeout() 的主要优点是 setImmediate() 在任何计时器（如果在 I/O 周期内）都将始终执行，而不依赖于存在多少个计时器。

process.nextTick()

理解 process.nextTick()

您可能已经注意到 process.nextTick() 在关系图中没有显示，即使它是异步 API 的一部分。这是因为 process.nextTick() 在技术上不是事件循环的一部分。相反，无论事件循环的当前阶段如何，都将在当前操作完成后处理 nextTickQueue。这里的一个操作被视作为一个从 C++ 底层处理开始过渡，并且处理需要执行的 JavaScript 代码。

回顾我们的关系图，任何时候在给定的阶段中调用 process.nextTick()，所有传递到 process.nextTick() 的回调将在事件循环继续之前得到解决。这可能会造成一些糟糕的情况, 因为它允许您通过进行递归 process.nextTick() 来“饿死”您的 I/O 调用，阻止事件循环到达 轮询 阶段。

为什么会允许这样？

为什么这样的事情会包含在 Node.js 中？它的一部分是一个设计理念，其中 API 应该始终是异步的，即使它不必是。以此代码段为例： 

function apiCall(arg, callback) {
    if (typeof arg !== 'string')return process.nextTick(callback,new TypeError('argument should be string'));
}

代码段进行参数检查。如果不正确，则会将错误传递给回调函数。最近对 API 进行了更新，允许将参数传递给 process.nextTick()，允许它在回调后传递任何参数作为回调的参数传播，这样您就不必嵌套函数了。

我们正在做的是将错误传递给用户，但仅在我们允许用户的其余代码执行之后。通过使用process.nextTick()，我们保证 apiCall() 始终在用户代码的其余部分之后运行其回调函数，并在允许事件循环之前继续进行。为了实现这一点，JS 调用栈被允许展开，然后立即执行提供的回调，允许进行递归调用 process.nextTick()，而不达到 RangeError: 超过 v8 的最大调用堆栈大小。

这种哲学可能会导致一些潜在的问题。 以此代码段为例：

let bar;
// this has an asynchronous signature, but calls callback synchronously
function someAsyncApiCall(callback) {
     callback(); }// the callback is called before someAsyncApiCall completes.
someAsyncApiCall(() => {
    
// since someAsyncApiCall has completed, bar hasn’t been assigned any value
console.log(‘bar’, bar); // undefined
});bar = 1;

用户将 someAsyncApiCall() 定义为具有异步签名，但实际上它是同步运行的。当调用它时，提供给 someAsyncApiCall() 的回调在同一阶段调用事件循环，因为 someAsyncApiCall() 实际上并没有异步执行任何事情。因此，回调尝试引用 bar，即使它在范围内可能还没有该变量，因为脚本无法运行到完成。

通过将回调置于 process.nextTick() 中，脚本仍具有运行完成的能力，允许在调用回调之前初始化所有变量、函数等。它还具有不允许事件循环继续的优点。在允许事件循环继续之前，对用户发出错误警报可能很有用。下面是使用 process.nextTick() 的上一个示例： 

let bar;
function someAsyncApiCall(callback) {
    
process.nextTick(callback);
}someAsyncApiCall(() => {
    
console.log(‘bar’, bar); // 1
});bar = 1;

这又是另外一个真实的例子： 

const server = net.createServer(() => {
    }).listen(8080);
server.on(‘listening’, () => {
    });

只有端口通过时，端口才会立即被绑定。因此，可以立即调用 'listening' 回调。问题是 .on('listening') 回调将不会被设置的时间。

为了绕过此现象，'listening' 事件在 nextTick() 中排队，以允许脚本运行到完成阶段。这允许用户设置所需的任何事件处理程序。

process.nextTick() 对比 setImmediate()

就用户而言我们有两个类似的调用，但它们的名称令人费解。

  • process.nextTick() 在同一个阶段立即执行。
  • setImmediate() 在以下迭代或 ‘tick’ 上触发事件循环。

实质上，这两个名称应该交换，因为 process.nextTick() 比 setImmediate() 触发得更直接，但这是过去遗留问题，因此不太可能改变。如果贸然进行名称交换，将破坏 npm 上的大部分软件包。每天都有新的模块在不断增长，这意味着我们我们每等待一天，就有更多的潜在破损在发生。所以说尽管这些名称使人感到困惑，但它们的名字本身不会改变。

我们建议开发人员在所有情况下都使用 setImmediate()，因为它更容易被推理（并且它导致代码与更广泛的环境，如浏览器 JS 所兼容。）

为什么要使用 process.nextTick()?

主要有两个原因：

  1. 允许用户处理错误，清理任何不需要的资源，或者在事件循环继续之前重试请求。

  2. 有时在调用堆栈已解除但在事件循环继续之前，必须允许回调运行。

一个例子就是要符合用户的期望。简单示例： 

const server = net.createServer();
server.on('connection', (conn) => {
     });
server.listen(8080);
server.on(‘listening’, () => {
     });

假设 listen() 在事件循环开始时运行，但侦听回调被放置在 setImmediate() 中。除非通过主机名，否则将立即绑定到端口。为使事件循环继续进行，它必须命中 轮询 阶段，这意味着可能会收到连接，从而允许在侦听事件之前激发连接事件。

另一个示例运行的函数构造函数是从 EventEmitter 继承的，它想调用构造函数： 

const EventEmitter = require('events');
const util = require('util');
function MyEmitter() {
    
EventEmitter.call(this);
this.emit(‘event’);
}
util.inherits(MyEmitter, EventEmitter);const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on(‘event’, () => {
    
console.log(‘an event occurred!’);
});

不能立即从构造函数中发出事件。因为脚本不会处理到用户为该事件分配回调的点。因此，在构造函数本身中可以使用 process.nextTick() 来设置回调，以便在构造函数完成后发出该事件，从而提供预期的结果： 

const EventEmitter = require('events');
const util = require('util');
function MyEmitter() {
    
EventEmitter.call(this);// use nextTick to emit the event once a handler is assigned
process.nextTick(() => {
    
this.emit(‘event’);
});
}
util.inherits(MyEmitter, EventEmitter);const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on(‘event’, () => {
    
console.log(‘an event occurred!’);
});
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