解读setTimeout, promise.then, process.nextTick, setImmediate的执行顺序

最近在看《Node.js调试指南》的时候遇到有意思的几道题，是关于setTimeout, promise.then, process.nextTick, setImmediate的执行顺序。今天抽空记录下这道题的分析过程及背后的原理与知识点。
题目如下：

// 题目一：
setTimeout(()=>{
    console.log('setTimeout')
},0)
setImmediate(()=>{
    console.log('setImmediate')
})
// 题目二：
const promise = Promise.resolve()
promise.then(()=>{
    console.log('promise')
})
process.nextTick(()=>{
    console.log('nextTick')
})
// 题目三：
setTimeout (() => { 
  console.log(1)
},0)
new Promise((resolve,reject) => { 
  console.log(2)
  for(let i = 0; i <10000; i++) {
      i === 9999 && resolve()
  }         
  console.log(3) 
}).then(() => { 
  console.log(4)
})
console.log(5)
// 题目四
setInterval(()=>{
    console.log('setInterval')
},100)
process.nextTick(function tick(){
    process.nextTick(tick)
})

在分析这几道题之前先有必要了解下node.js的事件循环

事件循环 Event Loop

我们可以简单理解Event Loop如下：

1. 所有任务都在主线程上执行，形成一个执行栈(Execution Context Stack)
2. 在主线程之外还存在一个任务队列(Task Queen),系统把异步任务放到任务队列中，然后主线程继续执行后续的任务
3. 一旦执行栈中所有的任务执行完毕，系统就会读取任务队列。如果这时异步任务已结束等待状态，就会从任务队列进入执行栈，恢复执行
4. 主线程不断重复上面的第三步
   上面第三步中的读取任务队列包括以下6个阶段
   

• timers:执行setTimeout()和setInterval()中到期的callback
• I/O callbacks:上一轮循环中有少数的I/O callback会被延迟到这一轮的这一阶段
• idle,prepare:仅内部调用
• poll:最重要的阶段，执行I/O callback,在某些条件下node会阻塞在这个阶段
• check:执行setImmediate()的callback
• close callbacks:执行close事件的callback,例如socket.on('close',func)

每个阶段都有一个FIFO的回调队列，当Event Loop执行到这个阶段时，就会从当前阶段的队列里拿出一个任务放到执行栈中执行，在队列任务清空或者执行的回调数量达到上限后，Event Loop就会进入下一个阶段

poll阶段

poll阶段主要有两个功能，如下所述：

1. 当timers的定时器到期后，执行定时器(setTimeout和setInterval)的callback
2. 执行poll队列里面的I/O callback
   如果Event Loop进入了poll阶段，且代码未设定timer,则可能发生以下的情况：

• 如果poll queue不为空，则Event Loop将同步执行queue里的callback,直至queue为空，或者执行的callback达到系统上限
• 如果poll queue为空，则可能发生以下情况：
  • 如果代码中使用了setImmediate(),则Event Loop将结束poll阶段并进入check阶段，执行check阶段的代码
  • 如果代码中没有使用setImmediate(),则Event Loop将阻塞在该阶段，等待callback加入poll queue，如果有callback进来则立即执行

一旦poll queue为空，则Event Loop将检查timers,如果有timer的时间到期，则Event Loop将回到timers阶段，然后执行timer queue

事件循环原理

1. node 的初始化
   1. 初始化 node 环境。
   2. 执行输入代码。
   3. 执行 process.nextTick 回调。
   4. 执行 microtasks。
2. 进入 event-loop

   1. 进入 timers 阶段

      • 检查 timer 队列是否有到期的 timer 回调，如果有，将到期的 timer 回调按照 timerId 升序执行。
      • 检查是否有 process.nextTick 任务，如果有，全部执行。
      • 检查是否有microtask，如果有，全部执行。
      • 退出该阶段。

   2. 进入IO callbacks阶段。

      • 检查是否有 pending 的 I/O 回调。如果有，执行回调。如果没有，退出该阶段。
      • 检查是否有 process.nextTick 任务，如果有，全部执行。
      • 检查是否有microtask，如果有，全部执行。
      • 退出该阶段。

   3. 进入 idle，prepare 阶段：

      • 这两个阶段与我们编程关系不大，暂且按下不表。

   4. 进入 poll 阶段

      • 首先检查是否存在尚未完成的回调，如果存在，那么分两种情况。
        • 第一种情况：
          • 如果有可用回调（可用回调包含到期的定时器还有一些IO事件等），执行所有可用回调。
          • 检查是否有 process.nextTick 回调，如果有，全部执行。
          • 检查是否有 microtaks，如果有，全部执行。
          • 退出该阶段。
        • 第二种情况：
          • 如果没有可用回调。
          • 检查是否有 immediate 回调，如果有，退出 poll 阶段。如果没有，阻塞在此阶段，等待新的事件通知。
      • 如果不存在尚未完成的回调，退出poll阶段。

   5. 进入 check 阶段。

      • 如果有immediate回调，则执行所有immediate回调。
      • 检查是否有 process.nextTick 回调，如果有，全部执行。
      • 检查是否有 microtaks，如果有，全部执行。
      • 退出 check 阶段

   6. 进入 closing 阶段。

      • 如果有immediate回调，则执行所有immediate回调。
      • 检查是否有 process.nextTick 回调，如果有，全部执行。
      • 检查是否有 microtaks，如果有，全部执行。
      • 退出 closing 阶段

   7. 检查是否有活跃的 handles（定时器、IO等事件句柄）。

      • 如果有，继续下一轮循环。
      • 如果没有，结束事件循环，退出程序。

通过上面的事件循环的介绍我们已经知道setTimeout setImmediate的执行机制，但是并没有介绍process.nextTick()和promise.then()。这里我们还需要知道宏任务与微任务的概念

宏任务 Macrotask

宏任务是指Event Loop在每个阶段执行的任务
宏任务包括 script (整体代码)，setTimeout, setInterval, setImmediate, I/O, UI renderin

微任务 Microtask

微任务是指Event Loop在每个阶段之间执行的任务
微任务包括 process.nextTick, Promise.then，Object.observe，MutationObserver

宏任务与微任务执行顺序图

图中绿色小块表示Event Loop的各个阶段，执行的是宏任务，粉色箭头表示执行的是微任务

了解到这里我们再来分析上面的几道题
题目一的执行结果是：

setTimeout
setImmediate
//或者
setImmediate
setTimeout

为什么结果不确定呢？我们知道setTimeout的回调函数在timer阶段执行，setImmediate的回调函数在check阶段执行。但是从事件循环开始到timer阶段会消耗一定的时间，所以会出现两种情况：

1. 若timer前的准备时间超过1ms，则执行timer阶段（setTimeout）的回调函数
2. 若timer前的准备时间少于1ms，则执行check阶段（setImmediate）的回调函数，下次event loop循环在执行timer阶段的函数

题目二的执行结果是

nextTick
promise

这里虽然和process.nextTick一样，promise.then也将回调函数注册到microtask,但process.nextTick的microtask queue总是优先于promise的microtask queue执行的
题目三的执行结果是

2
3
5
4
1

Promise构造函数是同步执行的，所以先打印2，3，在打印5，接下来事件循环执行微任务执行promise.then的回调，打印4，然后进入下一个事件循环执行timer阶段的回调打印1

题目四的执行结果是
永远不会打印setInterval

process.nextTick会无限循环，将event loop阻塞在microtask阶段，导致event loop上其他macrotask阶段的回调函数没有机会执行
解决方法通常是用setImmediate代替process.nextTick.
在setImmediate内执行setImmedaite时会将immediate注册到下一次event loop的check阶段，这样其他macrotask就有机会执行

至此终于将node.js事件循环宏任务与微任务分析清楚了