Node事件循环机制原理|原理篇

这篇文章不要按 API 清单来背。先用上面的 Mind Map 建立全局结构，再通过交互 DEMO 观察正常路径和边界路径如何改变状态；阅读正文时重点核对每一步的输入、负责执行的参与者、产生的中间状态以及最终可观察结果。遇到版本敏感结论，要把“历史实现”“当前行为”和“工程兼容策略”分开说明；遇到性能或架构取舍，则用实际指标、失败现象和验证手段支撑判断。

版本校准： Node.js 的事件循环阶段名称相对稳定，但定时器、微任务和底层 libuv 行为会随主版本变化。回答时必须先报运行版本，再用最小脚本验证顺序；不要把浏览器事件循环或某个旧版本输出当作所有 Node.js 版本的固定结论。

# Node.js 事件循环

事件循环通俗来说就是一个无限的 while 循环。现在假设你对这个 while 循环什么都不了解，你一定会有以下疑问。

1. 谁来启动这个循环过程，循环条件是什么？
2. 循环的是什么任务呢？
3. 循环的任务是否存在优先级概念？
4. 什么进程或者线程来执行这个循环？
5. 无限循环有没有终点？

带着这些问题，我们先来看看 Node.js 官网提供的事件循环原理图。

# Node.js 循环原理

图 为 Node.js 官网的事件循环原理的核心流程图。

可以看到，这一流程包含 6 个阶段，每个阶段代表的含义如下所示。

（1）timers：本阶段执行已经被 setTimeout() 和 setInterval() 调度的回调函数，简单理解就是由这两个函数启动的回调函数。

（2）pending callbacks：本阶段执行某些系统操作（如 TCP 错误类型）的回调函数。

（3）idle、prepare：仅系统内部使用，你只需要知道有这 2 个阶段就可以。

（4）poll：检索新的 I/O 事件，执行与 I/O 相关的回调，其他情况 Node.js 将在适当的时候在此阻塞。这也是最复杂的一个阶段，所有的事件循环以及回调处理都在这个阶段执行，接下来会详细分析这个过程。

（5）check：setImmediate() 回调函数在这里执行，setImmediate 并不是立马执行，而是当事件循环 poll 中没有新的事件处理时就执行该部分，如下代码所示：

const fs = require('fs');
setTimeout(() => { // 新的事件循环的起点
    console.log('1'); 
}, 0);
setImmediate( () => {
    console.log('setImmediate 1');
});
/// 将会在 poll 阶段执行
fs.readFile('./test.conf', {encoding: 'utf-8'}, (err, data) => {
    if (err) throw err;
    console.log('read file success');
});
/// 该部分将会在首次事件循环中执行
Promise.resolve().then(()=>{
    console.log('poll callback');
});
// 首次事件循环执行
console.log('2');

在这一代码中有一个非常奇特的地方，就是 setImmediate 会在 setTimeout 之后输出。有以下几点原因：

• setTimeout 如果不设置时间或者设置时间为 0，则会默认为 `1ms；``
• 主流程执行完成后，超过 1ms 时，会将 setTimeout 回调函数逻辑插入到待执行回调函数 poll 队列中；
• 由于当前 poll 队列中存在可执行回调函数，因此需要先执行完，待完全执行完成后，才会执行check：setImmediate。

先执行回调函数，再执行 setImmediate

（6）close callbacks：执行一些关闭的回调函数，如 socket.on('close', ...)

以上就是循环原理的 6 个过程，针对上面的点，我们再来解答上面提出的 5 个疑问。

# 运行起点

从图 1 中我们可以看出事件循环的起点是 timers，如下代码所示：

setTimeout(() => {
    console.log('1');
}, 0);
console.log('2')

在代码 setTimeout 中的回调函数就是新一轮事件循环的起点，看到这里有很多同学会提出非常合理的疑问：“为什么会先输出 2 然后输出 1，不是说 timer 的回调函数是运行起点吗？”

当 Node.js 启动后，会初始化事件循环，处理已提供的输入脚本，它可能会先调用一些异步的 API、调度定时器，或者 process.nextTick()，然后再开始处理事件循环。因此可以这样理解，Node.js 进程启动后，就发起了一个新的事件循环，也就是事件循环的起点。

总结来说，Node.js 事件循环的发起点有 4 个：

• Node.js 启动后；
• setTimeout 回调函数；
• setInterval 回调函数；
• 也可能是一次 I/O 后的回调函数。

# Node.js 事件循环

在了解谁发起的事件循环后，我们再来回答第 2 个问题，即循环的是什么任务。在上面的核心流程中真正需要关注循环执行的就是 poll 这个过程。在 poll 过程中，主要处理的是异步 I/O 的回调函数，以及其他几乎所有的回调函数，异步 I/O 又分为网络 I/O 和文件 I/O。这是我们常见的代码逻辑部分的异步回调逻辑。

事件循环的主要包含微任务和宏任务。具体是怎么进行循环的呢？如图

在解释上图之前，我们先来解释下两个概念，微任务和宏任务。

• 微任务：在 Node.js 中微任务包含 2 种——process.nextTick 和 Promise。微任务在事件循环中优先级是最高的，因此在同一个事件循环中有其他任务存在时，优先执行微任务队列。并且process.nextTick 和 Promise 也存在优先级，process.nextTick 高于 Promise
• 宏任务：在 Node.js 中宏任务包含 4 种——setTimeout、setInterval、setImmediate 和 I/O。宏任务在微任务执行之后执行，因此在同一个事件循环周期内，如果既存在微任务队列又存在宏任务队列，那么优先将微任务队列清空，再执行宏任务队列

我们可以看到有一个核心的主线程，它的执行阶段主要处理三个核心逻辑。

• 同步代码。
• 将异步任务插入到微任务队列或者宏任务队列中。
• 执行微任务或者宏任务的回调函数。在主线程处理回调函数的同时，也需要判断是否插入微任务和宏任务。根据优先级，先判断微任务队列是否存在任务，存在则先执行微任务，不存在则判断在宏任务队列是否有任务，有则执行。

const fs = require('fs');
// 首次事件循环执行
console.log('start');
/// 将会在新的事件循环中的阶段执行
fs.readFile('./test.conf', {encoding: 'utf-8'}, (err, data) => {
    if (err) throw err;
    console.log('read file success');
});
setTimeout(() => { // 新的事件循环的起点
    console.log('setTimeout'); 
}, 0);
/// 该部分将会在首次事件循环中执行
Promise.resolve().then(()=>{
    console.log('Promise callback');
});
/// 执行 process.nextTick
process.nextTick(() => {
    console.log('nextTick callback');
});
// 首次事件循环执行
console.log('end');

分析下上面代码的执行过程

• 第一个事件循环主线程发起，因此先执行同步代码，所以先输出 start，然后输出 end
• 第一个事件循环主线程发起，因此先执行同步代码，所以先输出 start，然后输出 end；
• 再从上往下分析，遇到微任务，插入微任务队列，遇到宏任务，插入宏任务队列，分析完成后，微任务队列包含：Promise.resolve 和 process.nextTick，宏任务队列包含：fs.readFile 和 setTimeout；
• 先执行微任务队列，但是根据优先级，先执行 process.nextTick 再执行 Promise.resolve，所以先输出 nextTick callback 再输出 Promise callback；
• 再执行宏任务队列，根据宏任务插入先后顺序执行 setTimeout 再执行 fs.readFile，这里需要注意，先执行 setTimeout 由于其回调时间较短，因此回调也先执行，并非是 setTimeout 先执行所以才先执行回调函数，但是它执行需要时间肯定大于 1ms，所以虽然 fs.readFile 先于 setTimeout 执行，但是 setTimeout 执行更快，所以先输出 setTimeout ，最后输出 read file success。

// 输出结果
start
end
nextTick callback
Promise callback
setTimeout
read file success

当微任务和宏任务又产生新的微任务和宏任务时，又应该如何处理呢？如下代码所示：