开发笔记:探秘JS的异步单线程

对于通常的developer（特别是那些具备并行计算/多线程背景知识的developer）来讲，js的异步处理着实称得上诡异。而这个诡异从结果上讲，是由js的“单线程”这个特性所导致的。

我曾尝试用“先定义后展开”的教科书方式去讲解这一块的内容，但发现极其痛苦。因为要理清楚这个东西背后的细节，并将其泛化、以更高的视角来看问题，着实涉及非常多的基础知识。等到我把这些知识讲清楚、讲完，无异于逼迫读者抱着操作系统、计算机网络这样的催眠书看上好个几章节，着实沉闷而乏味。

并且更关键的是，在走到那一步的时候，读者的精力早已消耗殆尽，完全没有心力再去关心这个最开始的问题——js的异步处理为何诡异。

所以，我决定反过来，让我们像一个初学者那样，从一无所知开始，

先使用“错误的理念”去开始我们的讨论，然后用代码去发现和理念相违背的地方。

再做出一些修正，再考察一些例子，想想是否还有不大满意和清楚的地方，再调整。如此往复，我们会像侦探那样，先从一个不大正确的假设开始，不断寻找证据，不断修正假设，一步步追寻下去，直到抵达最后完整的真相。

我想，这样的写作方式，更符合一个人真正的求知和研究过程，并能够为你带来更多关于“探索问题”的启发。我想，这样的思维方式和研究理念，比普通的知识更为重要。它能够让你成为知识的猎人，有能力独立地觅食，而不必被迫成为婴孩，只能坐等他人喂食。

好了，让我们先从一块js代码，开始我们的探索之旅。

console.log(‘No. 1‘);
setTimeout(function(){
console.log(‘setTimeout callback‘);
}, 5000);
console.log(‘No. 2‘);

输出结果是：

No. 1
No. 2
setTimeout callback

这块代码中几乎没什么复杂的东西，全是打印语句。唯一的特别是函数setTimeout，根据粗略的网上资料显示，它接受两个参数：

• 第一个参数是callback函数，就是让它执行完之后，回过头来调用的函数。


• 另一个是时间参数，用于指定多少微妙之后，执行callback函数。这里我们使用了5000微妙，也即是5秒钟。

另一个重点是，setTimeout是一个异步函数，意思是我的主程序不必去等待setTimeout执行完毕，将它的运行过程扔到别的地方执行，然后主程序继续往下走。也即是，主程序是一个步调、setTimeout是另一个步调，即是“异步”的方式跑代码。

如果你有一些并行计算或者多线程编程的背景知识，那么上面的语句就再熟悉不过了。如果在多线程环境，无非是另起一根线程去运行打印语句console.log(‘setTimeout callback‘)。然后主线程继续往下走，新线程去负责打印语句，清晰明了。

所以综合起来，这段代码的意思是，主线程执行到语句setTimeout时，就把它交给“其它地方”，让这个“其它地方”等待5秒钟之后运行。而主线程继续往下走，去执行“No. 2”的打印。所以，由于其它部分要等待5秒钟之后才运行，而主线程立刻往下运行了“No. 2”的打印，最终的输出结果才会是先打印“No. 2”，再打印“setTimeout callback”。

嗯，so far so good。一切看来都比较美好。

如果我们对上述程序做一点变动呢？例如，我可不可以让“setTimeout callback”这个信息先被打印出来呢？因为在并行计算中，我们经常遇到的问题便是，由于你不知道多个线程之间谁执行得快、谁执行得慢，所以我们无法判定最终的语句执行顺序。这里我们让“setTimeout callback”停留了5秒钟，时间太长了，要不短一点？

console.log(‘No. 1‘);
setTimeout(function(){
console.log(‘setTimeout callback‘);
}, 1);
console.log(‘No. 2‘);

我们将传递给setTimeout的参数改成了1毫秒。多次运行后会发现，结果竟然没有改变？！似乎有点反常，要不再改小一点？改成0？

console.log(‘No. 1‘);
setTimeout(function(){
console.log(‘setTimeout callback‘);
}, 0);
console.log(‘No. 2‘);

多次运行后，发现依旧无法改变。这其实是有点奇怪了。因为通常的并行计算、多线程编程中，通过多次运行，你其实是可以看到各种无法预期的结果的。在这里，竟然神奇地得到了相同的执行顺序结果。这就反常了。

但我们还无法完全下一个肯定的结论，可不可能因为是setTimeout的启动时间太长，而导致“No. 2”这条语句先被执行呢？为了做进一步的验证，我们可以在“No. 2”这条打印语句之前，加上一个for循环，给setTimeout充分的时间去启动。

console.log(‘No. 1‘);
setTimeout(function(){
console.log(‘setTimeout callback‘);
}, 0);
for (let i = 0; i <10e8; i++) {}
console.log(‘No. 2‘);

运行这段代码，我们发现，"No. 1"这条打印语句很快地显示到了浏览器命令行，等了一秒钟左右，接着输出了

No. 2
setTimeout callback

诶？！这不就更加奇怪了吗？！setTimeout不是等待0秒钟后立刻运行吗，就算启动再慢，也不至于等待一秒钟之后，还是无法正常显示吧？况且，在加入这个for循环之前，“setTimeout callback”这条输出不是立刻就显示了吗？

综合这些现象，我们有理由怀疑，似乎“setTimeout callback”一定是在“No. 2”后显示的，也即是：setTimeout的callback函数，一定是在console.log(‘No. 2‘)之后执行的。为了验证它，我们可以做一个危险一点的测试，将这个for循环，更改为无限while循环。

console.log(‘No. 1‘);
setTimeout(function(){
console.log(‘setTimeout callback‘);
}, 0);
while {} // dangerouse testing
console.log(‘No. 2‘);

如果setTimeout的callback函数是按照自己的步调做的运行，那么它就有可能在某个时刻打印出“setTimeout callback”。而如果真的是按照我们猜测的那样，“setTimeout callback”必须排在“No. 2”之后，那么浏览器命令行就永远不会出现“setTimeout callback”。

运行后发现，在浏览器近乎要临近崩溃、达到内存溢出的情形下，“setTimeout callback”依旧没有打印出来。这也就证明了我们的猜测！

这里，我们第一次出现了理念和现实的矛盾。按照通常并行计算的理念，被扔到“其它地方”的setTimeout callback函数，应该被同时运行。可事实却是，这个“其它地方”并没有和后一条打印“No. 2”的语句共同执行。这时候，我们就必须要回到基础，回到js这门语言底层的实现方式上去追查，以此来挖掘清楚这后面的猫腻。

js的特性之一是“单线程”，也即是从头到尾，js都在同一根线程下运行。或许这是一个值得调查深入的点。想来，如果是多线程，那么setTimeout也就该按照我们原有的理念做执行了，但事实却不是。而这两者的不同，便在于单线程和多线程上。

找到了这个不同点，我们就可以更深入去思考一些细节。细想起来，所谓“异步”，就是要开辟某个“别的地方”，让“别的地方”和你的主运行路线一起运行。可是，如果现在是单线程，也就意味着计算资源有且只有一份，请问，你如何做到“同时运行”呢？

这就好比是，如果你去某个办事大厅，去缴纳水费、电费、天然气。那么，我们可以粗略地将它们分为水费柜台、电费柜台、天然气柜台。那么，如果我们依次地“先在水费柜台办理业务，等到水费的明细打印完毕、缴纳完费用后；再跑去电费柜台打印明细、加纳费用；再跑去天然气柜台打印明细、加纳费用”，这就是一个同步过程，必须等待上一个步骤做完后，才能做下一步。

而异步呢，就是说我们不必在某个环节浪费时间瞎等待。比如，我们可以在“打印水费明细”的空闲时间，跑到电费和天然气柜台去办理业务，将“电费明细、天然气明细的打印”这两个任务提前启动起来。再回过头去缴纳水费、缴纳电费、缴纳天然气费用。其实，这就是华罗庚推广优选法的时候举的例子，烧水、倒茶叶、泡茶，如何安排他们的顺序为高效。

显然，异步地去做任务更高效。但这要有一个前提，就是你做任务的资源，也即是干活的人或者机器，得有多份才行。同样按照上面的例子来展开讨论，虽然有水费、电费、天然气这三个柜台，可如果这三个柜台背后的办事人员其实只有一个呢？比如你启动了办理水费的业务，然后想要在办理水费业务的等待期，去电费柜台办理电费业务。表面上，你去电费柜台下了申请单，请求办理电费业务，可却发现根本没有办事员去接收你的这个业务！为何？因为这有且只有一个的办事员，还正在办理你的水费业务啊！这时候，你的这个所谓的“异步”，有何意义？！

所以从这个角度来看，当计算资源只有一份的时候，你做“异步”其实是没什么意义的。因为干活的资源只有一份，就算在表面做了名义上的“异步”，可最终就像上面的多柜台单一办事员那样，到了执行任务层面，还是会一个接一个地完成任务，这就没有意义了。

那么，js的特性是”单线程“+”异步“，不就正是我们讨论的“没有意义”的情况吗？！那又为何要多次一举，干一些没有意义的事情呢？

嗯......事情变得越来越有趣了。

通常来讲，如果一个事件出现了神奇和怪异的地方，基本上都是因为我们忽略了某个细节，或者对某个细节存在误解或是错误理解。要想把问题解决，我们就必须不断地回顾已有材料，在不断地重复检验中，发现那几根我们忽略的猫腻。

让我们回顾一下关于js异步的宣传片。通常为了说明js异步的必要性，会举出浏览器的资源加载和页面渲染这个矛盾。

渲染，可以比较粗糙地理解为将“画面”画出来的过程。例如，浏览器要将页面上的按钮、图片显示出来，就必须有一个将“图片”在网页上画出来的动作。又或是，操作系统要将“桌面”这个图形界面显示在显示器上，就必须要把它相应的这个“画面”在显示器上画出来的动作。归结起来，这个“画出来”的过程，就被称之为“渲染”。

例如，你点击页面上的一个button，让浏览器去后端数据库将数据报表取出来，在网页上把数字显示出来。而如果js不支持异步的话，整个网页的就会停留，也即是“卡”，在鼠标点击按钮这一个动作上，页面无法完成后续的渲染工作。一直要等到后端把数据返回到了前端，程序流才能够继续跑下去。

所以这里，js的“异步”其实是为了让浏览器将“加载”这个任务分给“其它地方”，让“加载过程”和“渲染过程”同步进行下去。

等等，又是这个“其它地方”？！！

我擦，不是说js是单线程而么，计算资源不是只有一份么，怎么又可以“一边加载、一边渲染”了？！WTF，你这是在逗我玩儿么？！

艹，到底这里面哪句话是真的？！到底js是单线程是真的？还是说浏览器可以同时做“一边加载、一边渲染”这个事情是真的？！

如何才能解决这个疑惑？！很显然，我们必须要深入到浏览器的内部，去看一看它到底是怎么样被设计的。

在搜索引擎中，做一些关于浏览器和js的搜索，我们不难得到一些基本信息。js并不是浏览器的全部，浏览器要掌管的事情太多了，掌管js的只是浏览器的一个组件，叫做js引擎。而最出名的、并在Chrome中使用的，就是大名鼎鼎的V8引擎，它负责js的解析和运行。

另一方面我们还知道，使用js的一个很大原因，是因为它能够自由地去操控DOM元素、去执行Ajax异步请求、能够像我们最开始举的例子那样，使用setTimeout做异步任务分配。这些都是js优秀特性。

可令人惊讶的事情来了，当我们去探索这个掌管js一切的V8引擎的时候，我们却发现，它并不提供DOM的操控、Ajax的执行以及setTimeout的特性：

然后，让我们执行第一条语句console.log(‘Hi‘)，也即是将它压入到call stack中：

然后js引擎执行stack中最上层的这条语句。相应的，浏览器的控制台就会打印出信息“Hi”：

由于这条语句被执行了，所以它也从stack中消失：

再来压入第二条语句setTimeout：

执行setTimeout(function cb1() { console.log(‘cb1‘); }, 5000);：

注意，由于setTimout部分并没有被包含在js引擎中，所以它就直接被扔给了Web APIs的Timeout部分。这里，stack中的蓝色部分起到的作用，就是将相应的内容“timer、等候时间5秒、回调函数cb1”扔给Web APIs。然后这条语句就可以从stack中消失了：

继续压入下一条语句console.log(‘Bye‘)：

注意，此时在Web APIs的部分，正在并行于js引擎执行相应的语句，即：等候5秒钟。Okay，timer继续它的等待，而stack这边已经有语句了，所以需要把它执行掉：

相应的浏览器控制台，就会显示出“Bye”的信息。而stack中运行后的语句，就该消失：

此时，stack已经为空。Event loop检测到stack为空，自然就想要将callback queue中的语句压入到stack中。可此时，callback queue中也为空，于是Event loop只好继续循环检测。

另一方面，Web APIs这边的timer，并行地在5秒钟后开始了它的执行——什么也不做。然后，将它相应的回调函数cb1()，放到callback queue中：

Event loop由于一直在循环检测，此时，看到callback queue有了东西，就迅速将它从callback queue中取出，然后将其压入到stack里：

现在Stack里有了东西，就需要执行回调函数cb1()。而cb1()里面调用了 console.log(‘cb1‘)这条语句，所以需要将它压入stack中：

stack继续执行，现在它的最上层是 console.log(‘cb1‘)，所以需要先执行它。于是浏览器的控制它打印出相应的信息“cb1”：

将执行了的 console.log(‘cb1‘)语句弹出栈：

继续执行cb1()剩下的语句。此时，cb1()已经没有其它需要执行的语句了，也即是它被运行完毕，所以，将它也从stack中弹出：

整个过程结束！如果从头到尾看一遍的话，就是下面这个gif图了：

相当清晰直观，对吧！

如果你想进一步地把玩js的语句和call stack、callback queue的关系，推荐Philip Roberts的一个GitHub的开源项目：Loupe，里面有他online版本供你做多种尝试。

有了这些知识，现在我们回过头去看开头的那段让人产生疑惑的代码:

console.log(‘No. 1‘);
setTimeout(function(){
console.log(‘setTimeout callback‘);
}, 0);
console.log(‘No. 2‘);

按照上面的js处理语句的顺序，第一条语句console.log(‘No. 1‘)会被压入stack中，然后被执行的是setTimout。

根据我们上面的知识，它会被立刻扔进Web APIs中。可是，由于这个时候我们给它的等待时间是0，所以，它的callback函数console.log(‘setTimeout callback‘)会立刻被扔进“Callback Queue”里面。所以，那个传说中的“其它地方”指的就是callback queue。

那么，我们能够期望这一条console.log(‘setTimeout callback‘)先于“No. 2”被打印出来吗？

其实是不可能的！为什么？因为要让它被执行，首先它需要被压入到call stack中。可是，此时call stack还没有将程序的主分支上的语句执行完毕，即还有console.log(‘No. 2‘)这条语句。所以，event loop在stack还未为空的情况下，是不可能把callback queue的语句压入stack的。所以，最后一条“setTimeout callback”的信息，一定是会排在“No. 2”这条信息后面被打印出来的！

这完全符合我们之前加入无限while循环的结果。因为主分支一直被while循环占有，所以stack就一直不为空，进而，callback queue里的打印“setTimeout callback”的语句就更不可能被压入stack中被执行。

探索到这里，似乎该解决的问题也都解决了，好像就可以万事大吉，直接封笔走人了。可事实却是，这才是我们真正的泛化讨论的开始！

做研究和探索，如果停留于此，就无异于小时候自己交作业给老师，目的仅仅是完成老师布置的任务。在这里，这个老师布置的任务就是文章开头所提出的让人疑惑的代码。可是，解决这段代码并不是我们的终极目的。我们需要泛化我们的所学和所知，从更深层次的角度去探索，为什么我们会疑惑，为什么一开始无法发现这些潜藏在表面之下不同。我们要继续去挖掘，我们到底在哪些最根本的问题上出现了误解和错误认识，从而导致我们一路如此辛苦，无法在开头看到事情的真相。

回顾我们的历程，一开始让我们载跟斗的，其实就是对“异步”和“多线程”的固定假设。多线程了，就是异步，而异步了，一定是多线程吗？我们潜意识里是很想做肯定回答的。这是因为如果异步了，但却是单线程，整个异步就没有意义了（回忆那个多柜台、单一办事员的例子）。可js却巧妙地运用了：使用异步单线程去分配任务，而让真正做数据加载的Ajax、或者时间等待的setTimeout的工作，扔给浏览器的其它线程去做。所以，本质上js虽然是单线程的，可在做实际工作的时候，却利用了浏览器自身的多线程。这就好比是，虽然是多柜台、单一办事员，可办事员将缴纳电费、水费的任务，外包给其它公司去做，这样，虽然自己仍然是一个办事员，但却由于有了外包服务的支持，依旧可以一起并行来做。

另一方面，js的异步、单线程的特性，逼迫我们去把并行计算中的“同步/异步、阻塞/非阻塞”等概念理得更清楚。

“同步”的英文是synchronize，但在中文的语境下，却很容易和“同时”挂钩。于是，在潜意识里有可能会有这样一种联想，“同步”就是“同时”，所以，一个同步（synchronize）的任务就被理解为“可以一边做A，一边做B”。而这个潜意识的印象，其实完全是错误的（一般做A一边做B，其实是“异步”+“并行”的情况）。

但在各类百科词典上，确实有用“同时”来作为对“同步”的解释。这是为什么呢？其实这是对”同步“用作”同时“的一个混淆理解。如果仔细考虑”同时“的意思，细分起来，其实是有两种理解：

• 同一个时刻（at the same time），例如在9:00 a.m这个时间点，我们既在做A也在做B。


• 另一个是同一个时间参考系，也就是所谓的clock on the wall是同一个。

前者很容易理解，这里我重点解释一下后者。例如，我在中国大陆同美国的一个同学开微信语音聊天，我这边是22:00，他那边是9:00。我们做聊天这件事情的时候，是同一时刻（at the same time），但却不在同一个时间参考体系（clock on the wall）。而在计算机中讨论的同步，其实讨论的是后者的”同一参考系“，同步，就是让我们的参考系统一起来，放到同一个体系之下。

又比如，我们在生活中很容易说，同步你的电脑、同步你的手机通讯录、同步你的相册，说的是什么呢？就是让你的各个客户端：PC、手机，同server端服务器的内容都保持一致，也即是大家都被放到一个一致的参考系里面。不要说，你在PC里有照片A，而在手机里没有A却有B，这个时候，谈论PC里信息人与谈论手机里信息的人，就是在鸡同鸭讲。究其原因，就是没有把大家放到同一个参考系里面。

所以，同步synchronize所指的”同时“，是大家把墙上的时钟都调整到一致、调整为同一个步调，也即是同时、同一时间参考系的意思。而不是说，让事情在同一时刻并列发生。自然的，什么是异步（asynchronize）呢，异步就是大家的时间参考系是不同的，例如我在中国大陆、你在美国，我们的时间参考体系是不同的，这就是异步，不在同一个步调、频段上。

事实上，每一个独立的人、每一块独立的计算资源，它都代表了一个各自的参考体系。只要你将任务分发给了其他人或是其它计算资源，此时，就出现了两个参考体系：一个是原有主分支的参考体系，另一个是新的计算资源的参考体系。在并行计算中，有一个同步机制是使用语句barrier，目的是让所有的计算分支在这一个位置节点都完成了计算。为什么说它是一种同步机制？按照我们统一参考体系的理解，就是保证其他所有计算分支完成计算，也就保证了其它分支的消失，从而只剩下主分支这一个参考体系。于是大家可以谈论同样的东西，说同样的话，不会有误解。

另一方面，如果要更深入地理解js的设计，我认为还需要回到计算机历史的初期，例如那个只有单核的分时系统的时代。在那样一个时代，操作系统所受到的硬件上的限制，不亚于js引擎在浏览器中所受到的限制。在同样的限制下，曾经的操作系统会如何去巧妙运用那极为有限的计算资源，让整个操作系统给人以平滑、顺畅和功能强大的错觉？我想，js的这些设计必定和操作系统早期的设计紧密相关。所以在这个层面上，它将再一次回到操作系统这样的基础知识上。能否吃透现代的技术，其实很大层面上取决于你是否吃透了设计的历史，是否理解在那些资源枯竭的年代，各路大神是如何巧妙地逢山开路，遇水搭桥。无论现代的计算机硬件资源有多么丰富，它必定会因为目标的主次关系、业务的主次关系受到限制。而如何在限制中跳舞和创造，这是能够贯穿整个历史的共同性问题。

???

Reference:

• How Javascript works: Event loop and the rise of Async programming + 5 ways to better coding with async/await


• asynchronous vs non-blocking


• 非同步(Asynchronous)與同步(Synchronous)的差異


• Philip Roberts: What the heck is the event loop anyway? | JSConf EU

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