學習JavaScript的時候了解到JavaScript是單線程的，剛開始很疑惑，單線程怎么處理網絡請求、文件讀寫等耗時操作呢？效率豈不是會很低？隨著對這方面內容的了解和深入，知道了其中的奧秘。本篇文章就主要講解一下JavaScript怎么處理異步問題。

一、同步與異步

在介紹JavaScript的異步機制之前，首先介紹一下：什么是同步？什么是異步？

同步

如果在函數返回的時候，調用者就能夠得到預期結果(即拿到了預期的返回值或者看到了預期的效果)，那么這個函數就是同步的。
如下所示：

//在函數返回時，獲得了預期值，即2的平方根
Math.sqrt(2);
//在函數返回時，獲得了預期的效果，即在控制臺上打印了'hello'
console.log('hello');

上面兩個函數就是同步的。

如果函數是同步的，即使調用函數執行的任務比較耗時，也會一直等待直到得到預期結果。

異步

如果在函數返回的時候，調用者還不能夠得到預期結果，而是需要在將來通過一定的手段得到，那么這個函數就是異步的。
如下所示：

//讀取文件
fs.readFile('hello.txt', 'utf8', function(err, data) {
    console.log(data);
});
//網絡請求
var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.onreadystatechange = xxx; // 添加回調函數
xhr.open('GET', url);
xhr.send(); // 發起函數

上述示例中讀取文件函數 readFile和網絡請求的發起函數 send都將執行耗時操作，雖然函數會立即返回，但是不能立刻獲取預期的結果，因為耗時操作交給其他線程執行，暫時獲取不到預期結果（后面介紹）。而在JavaScript中通過回調函數 function(err, data) { console.log(data); }和 onreadystatechange ，在耗時操作執行完成后把相應的結果信息傳遞給回調函數，通知執行JavaScript代碼的線程執行回調。

如果函數是異步的，發出調用之后，馬上返回，但是不會馬上返回預期結果。調用者不必主動等待，當被調用者得到結果之后會通過回調函數主動通知調用者。

二、單線程與多線程

在上面介紹異步的過程中就可能會納悶：既然JavaScript是單線程，怎么還存在異步，那些耗時操作到底交給誰去執行了？

JavaScript其實就是一門語言，說是單線程還是多線程得結合具體運行環境。JS的運行通常是在瀏覽器中進行的，具體由JS引擎去解析和運行。下面我們來具體了解一下瀏覽器。

瀏覽器

目前最為流行的瀏覽器為：Chrome，IE，Safari，FireFox，Opera。瀏覽器的內核是多線程的。

一個瀏覽器通常由以下幾個常駐的線程：

• 渲染引擎線程：顧名思義，該線程負責頁面的渲染
• JS引擎線程：負責JS的解析和執行
• 定時觸發器線程：處理定時事件，比如setTimeout, setInterval
• 事件觸發線程：處理DOM事件
• 異步http請求線程：處理http請求

需要注意的是，渲染線程和JS引擎線程是不能同時進行的。渲染線程在執行任務的時候，JS引擎線程會被掛起。因為JS可以操作DOM，若在渲染中JS處理了DOM，瀏覽器可能就不知所措了。

JS引擎

通常講到瀏覽器的時候，我們會說到兩個引擎：渲染引擎和JS引擎。渲染引擎就是如何渲染頁面，Chrome／Safari／Opera用的是Webkit引擎，IE用的是Trident引擎，FireFox用的是Gecko引擎。不同的引擎對同一個樣式的實現不一致，就導致了經常被人詬病的瀏覽器樣式兼容性問題。這里我們不做具體討論。

JS引擎可以說是JS虛擬機，負責JS代碼的解析和執行。通常包括以下幾個步驟：

• 詞法分析：將源代碼分解為有意義的分詞
• 語法分析：用語法分析器將分詞解析成語法樹
• 代碼生成：生成機器能運行的代碼
• 代碼執行

不同瀏覽器的JS引擎也各不相同，Chrome用的是V8，FireFox用的是SpiderMonkey，Safari用的是JavaScriptCore，IE用的是Chakra。

之所以說JavaScript是單線程，就是因為瀏覽器在運行時只開啟了一個JS引擎線程來解析和執行JS。那為什么只有一個引擎呢？如果同時有兩個線程去操作DOM，瀏覽器是不是又要不知所措了。

所以，雖然JavaScript是單線程的，可是瀏覽器內部不是單線程的。一些I/O操作、定時器的計時和事件監聽（click, keydown...）等都是由瀏覽器提供的其他線程來完成的。

三、消息隊列與事件循環

通過以上了解，可以知道其實JavaScript也是通過JS引擎線程與瀏覽器中其他線程交互協作實現異步。但是回調函數具體何時加入到JS引擎線程中執行？執行順序是怎么樣的？

這一切的解釋就需要繼續了解消息隊列和事件循環。

如上圖所示，左邊的棧存儲的是同步任務，就是那些能立即執行、不耗時的任務，如變量和函數的初始化、事件的綁定等等那些不需要回調函數的操作都可歸為這一類。

右邊的堆用來存儲聲明的變量、對象。下面的隊列就是消息隊列，一旦某個異步任務有了響應就會被推入隊列中。如用戶的點擊事件、瀏覽器收到服務的響應和setTimeout中待執行的事件，每個異步任務都和回調函數相關聯。

JS引擎線程用來執行棧中的同步任務，當所有同步任務執行完畢后，棧被清空，然后讀取消息隊列中的一個待處理任務，并把相關回調函數壓入棧中，單線程開始執行新的同步任務。

JS引擎線程從消息隊列中讀取任務是不斷循環的，每次棧被清空后，都會在消息隊列中讀取新的任務，如果沒有新的任務，就會等待，直到有新的任務，這就叫事件循環。

上圖以AJAX異步請求為例，發起異步任務后，由AJAX線程執行耗時的異步操作，而JS引擎線程繼續執行堆中的其他同步任務，直到堆中的所有異步任務執行完畢。然后，從消息隊列中依次按照順序取出消息作為一個同步任務在JS引擎線程中執行，那么AJAX的回調函數就會在某一時刻被調用執行。

四、示例

引用一篇文章中提到的考察JavaScript異步機制的面試題來具體介紹。

執行下面這段代碼，執行后，在 5s 內點擊兩下，過一段時間（>5s）后，再點擊兩下，整個過程的輸出結果是什么？

setTimeout(function(){
    for(var i = 0; i < 100000000; i++){}
    console.log('timer a');
}, 0)

for(var j = 0; j < 5; j++){
    console.log(j);
}

setTimeout(function(){
    console.log('timer b');
}, 0)

function waitFiveSeconds(){
    var now = (new Date()).getTime();
    while(((new Date()).getTime() - now) < 5000){}
    console.log('finished waiting');
}

document.addEventListener('click', function(){
    console.log('click');
})

console.log('click begin');
waitFiveSeconds();

要想了解上述代碼的輸出結果，首先介紹下定時器。

setTimeout的作用是在間隔一定的時間后，將回調函數插入消息隊列中，等棧中的同步任務都執行完畢后，再執行。因為棧中的同步任務也會耗時，所以間隔的時間一般會大于等于指定的時間。

setTimeout(fn, 0)的意思是，將回調函數fn立刻插入消息隊列，等待執行，而不是立即執行。看一個例子：

setTimeout(function() {
    console.log("a")
}, 0)

for(let i=0; i<10000; i++) {}
console.log("b")

b  a

打印結果表明回調函數并沒有立刻執行，而是等待棧中的任務執行完畢后才執行的。棧中的任務執行多久，它就得等多久。

理解了定時器的作用，那么對于輸出結果就容易得出了。

首先，先執行同步任務。其中waitFiveSeconds是耗時操作，持續執行長達5s。

0
1
2
3
4
click begin
finished waiting

然后，在JS引擎線程執行的時候，'timer a'對應的定時器產生的回調、 'timer b'對應的定時器產生的回調和兩次 click 對應的回調被先后放入消息隊列。由于JS引擎線程空閑后，會先查看是否有事件可執行，接著再處理其他異步任務。因此會產生 下面的輸出順序。

click
click
timer a
timer b

最后，5s 后的兩次 click 事件被放入消息隊列，由于此時JS引擎線程空閑，便被立即執行了。

click
click

參考文章
JavaScript：徹底理解同步、異步和事件循環(Event Loop)
從setTimeout說事件循環模型
JavaScript單線程和異步機制
JavaScript的單線程機制
JavaScript單線程異步的背后——事件循環機制
JavaScript 運行機制詳解：再談Event Loop