Node.js 事件循环，定时器和 `process.nextTick()`

什么是事件循环

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。

因为目前大多数内核都是多线程的，所以它们可以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。

事件循环机制解析

当 Node.js 启动后，它会初始化事件循环，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、调度定时器，或者调用 process.nextTick()，然后开始处理事件循环。

下面的图表展示了事件循环操作顺序的简化概览。

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

注意：每个框被称为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，然后执行该阶段队列中的回调，直到队列用尽或已经执行到最大的回调数。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，以此类推。

由于这些操作中的任何一个都可能调度 更多的 操作并且在 轮询（poll） 阶段被处理的新事件会被内核排列，并且在处理轮询中的事件时，轮询事件可以排队。因此，长时间运行的回调可以允许轮询阶段运行长于计时器的 阈值（threshold）。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：本阶段执行已经被 setTimeout() 和 setInterval() 的调度回调函数。
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，那些由计时器和 setImmediate() 调度的之外），其余情况 node 将在适当的时候在此阻塞。
检测：setImmediate() 回调函数在这里执行。
关闭的回调函数：一些关闭的回调函数，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，则完全关闭。

阶段的详细概述

定时器

计时器可以 在回调后面 指定阈值，而不是用户希望回调执行的确切时间。因为在经过指定的一段时间间隔后，计时器回调将被尽可能早地运行。但是，操作系统调度或其它正在运行的回调可能会延迟它们。

注意：轮询阶段控制何时定时器执行。

例如，您调度了一个在 100 毫秒后执行回调的定时器，并且您的脚本开始异步读取文件，这会耗费 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（poll） 阶段时，它有一个空队列（此时 fs.readFile() 尚未完成），因此它将等待剩下的毫秒数，直到达到最快的一个计时器阈值为止。当它等待 95 毫秒过后，fs.readFile() 完成读取文件，它的那个需要 10 毫秒才能完成的回调将被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，此时事件循环机制将发现计时器最快的阈值（100ms）的已经达到，然后将回到 计时器 阶段，以执行定时器的回调。在本示例中，您将看到调度计时器到它的回调被执行之间的总延迟将为 105 毫秒。

注意：为了防止轮询阶段事件循环陷入吃不饱的状态，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，还有一个硬性的最大值（依赖于系统）。

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：

计算应该阻塞和轮询 I/O 的时间。
然后，处理轮询队列里的事件。

当事件循环进入轮询阶段且 没有被调度的计时器时 ，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性限制。
如果轮询队列 是空的 ，还有两件事发生：
- 如果脚本被 setImmediate() 调度，则事件循环将结束轮询阶段，并继续检查阶段以执行那些被调度的脚本。
- 如果脚本未被 setImmediate()调度，则事件循环将等待回调被添加到队列中，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，并且脚本使用 setImmediate() 后被排列在队列中，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，事件循环最终会进入轮询阶段，在该阶段它将等待传入连接、请求等。但是，如果回调已使用 setImmediate()调度过，并且轮询阶段变为空闲状态，则它将结束此阶段，并继续到检查阶段而不是继续等待轮询事件。

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，但是基于被调用的时机，他们也有不同表现。

setImmediate() 设计为一旦在当前轮询阶段完成，就执行脚本。
setTimeout() 在最小阈值（ms 单位）过后运行脚本。

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，则时序将受进程性能的约束（这可能会受到计算机上其他正在运行应用程序的影响）。

例如，如果运行以下不在 I/O 周期（即主模块）内的脚本，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() 相对于setTimeout() 的主要优势是，如果setImmediate()是在 I/O 周期内被调度的，那它将会在其中任何的定时器之前执行，跟这里存在多少个定时器无关。

`process.nextTick()`

理解 `process.nextTick()`

您可能已经注意到 process.nextTick() 在图示中没有显示，即使它是异步 API 的一部分。这是因为 process.nextTick() 从技术上讲不是事件循环的一部分。相反，它都将在当前操作完成后处理 nextTickQueue，而不管事件循环的当前阶段如何。这里所谓的操作被定义为来自底层 C/C++ 处理器的转换，和需要处理的 JavaScript 代码的执行。

回顾我们的图示，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解析。这可能会造成一些糟糕的情况，因为它允许您通过递归 process.nextTick()调用来“饿死”您的 I/O，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？一部分因为它是一个设计理念，即尽管不是必需的情况下， API 应该始终是异步的。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。这个 API 最近进行了更新，允许传递参数给 process.nextTick()，这将允许它接受任何在回调函数位置之后的参数，并将参数传递给回调函数作为回调函数的参数，这样您就不必嵌套函数了。

我们正在做的是将错误传回给用户，但仅在执行用户的其余代码之后。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和在让事件循环继续进行之前执行其回调函数。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()，而不触碰 RangeError: 超过 V8 的最大调用堆栈大小 限制。

这种设计原理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() 的回调是在事件循环的同一阶段内被调用，因为 someAsyncApiCall() 实际上并没有异步执行任何事情。结果，回调函数在尝试引用 bar，但作用域中可能还没有该变量，因为脚本尚未运行完成。

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的变量、函数等。它还具有不让事件循环继续的优点，适用于让事件循环继续之前，警告用户发生错误的情况。下面是上一个使用 process.nextTick() 的示例：

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', () => {});

只有传递端口时，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') 的回调在那个时间点尚未被设置。

为了绕过这个问题，'listening' 事件被排在 nextTick() 中，以允许脚本运行完成。这让用户设置所想设置的任何事件处理器。

`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() 在事件循环的接下来的迭代或 'tick' 上触发。

实质上，这两个名称应该交换，因为 process.nextTick() 比 setImmediate() 触发得更快，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。每天都有更多新的模块在增加，这意味着我们要多等待每一天，则更多潜在破坏会发生。尽管这些名称使人感到困惑，但它们本身名字不会改变。

我们建议开发人员在所有情况下都使用 setImmediate()，因为它更容易理解。

为什么要使用 `process.nextTick()`?

有两个主要原因：

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。
有时有让回调在栈展开后，但在事件循环继续之前运行的必要。

以下是一个符合用户预期的简单示例：

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 listening 的回调被放置在 setImmediate() 中。除非传递过主机名，才会立即绑定到端口。为使事件循环继续进行，它必须命中轮询阶段，这意味着有可能已经接收了一个连接，并在侦听事件之前触发了连接事件。

另外一个示例直接扩展了 EventEmitter，并且在构造函数内部触发一个事件：

const EventEmitter = require('events');

class MyEmitter extends EventEmitter {
  constructor() {
    super();
    this.emit('event');
  }
}

const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on('event', () => {
  console.log('an event occurred!');
});

你不能立即从构造函数中触发事件，因为脚本尚未处理到用户为该事件分配回调函数的地方。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，这是预期的结果：

const EventEmitter = require('events');

class MyEmitter extends EventEmitter {
  constructor() {
    super();

    // use nextTick to emit the event once a handler is assigned
    process.nextTick(() => {
      this.emit('event');
    });
  }
}

const myEmitter = new MyEmitter();
myEmitter.on('event', () => {
  console.log('an event occurred!');
});

Node.js 事件循环，定时器和 process.nextTick()