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Node.js 事件循环,定时器和 process.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()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(`${delay}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()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()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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