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。
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调度 更多的 操作和由内核排列在轮询阶段被处理的新事件， 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时间。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
计时器指定 可以执行所提供回调 的 阈值，而不是用户希望其执行的确切时间。在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，假设您调度了一个在 100 毫秒后超时的定时器，然后您的脚本开始异步读取会耗费 95 毫秒的文件:
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 毫秒过后时，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，因此事件循环机制将查看最快到达阈值的计时器，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，还有一个硬性最大值（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，事件循环最终会命中轮询阶段，在那等待传入连接、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，则计时器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。这里的一个操作被视作为一个从底层 C/C++ 处理器开始过渡，并且处理需要执行的 JavaScript 代码。
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？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!');
});
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');
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!');
});