這篇文章帶給大家的內容是關於JS中非同步單線程的解析（圖文），有一定的參考價值，有需要的朋友可以參考一下，希望對你有幫助。
對於通常的developer（特別是那些具備平行運算/多執行緒背景知識的developer）來講，js的非同步處理著實稱得上詭異。而這個詭異從結果上講，是由js的「單線程」這個特性所導致的。
我曾試著用「先定義後展開」的教科書方式去講解這一塊的內容，但發現極其痛苦。因為要理清楚這個東西背後的細節，並將其泛化、以更高的視角來看問題，著實涉及非常多的基礎知識。等到我把這些知識講清楚、講完，無異於逼迫讀者抱著操作系統、電腦網路這樣的催眠書看上好個幾章節，著實沉悶而乏味。
更關鍵的是，在走到那一步的時候，讀者的精力早已消耗殆盡，完全沒有心力再去關心這個最開始的問題——js的異步處理為何詭異。
所以，我決定反過來，讓我們像一個初學者一樣，從一無所知開始，
#先使用「錯誤的理念」去開始我們的討論，然後用程式碼去發現和理念相違背的地方。
再做出一些修正，再考察一些例子，想想是否還有不太滿意和清楚的地方，再調整。如此往復，我們會像偵探一樣，先從一個不大正確的假設開始，不斷尋找證據，不斷修正假設，一步步追尋下去，直到抵達最後完整的真相。
我想，這樣的寫作方式，更符合一個人真正的求知和研究過程，並且能夠為你帶來更多關於「探索問題」的啟發。我想，這樣的思考方式和研究理念，比普通的知識更為重要。它能夠讓你成為知識的獵人，有能力獨立覓食，而不必被迫成為嬰孩，只能坐等他人餵食。
好了，讓我們先從一塊js程式碼，開始我們的探索之旅。
console.log('No. 1');
setTimeout(function(){
console.log('setTimeout callback');
}, 5000);
console.log('No. 2');
輸出結果是：
No. 1 No. 2 setTimeout callback
這塊程式碼幾乎沒什麼複雜的東西，全是列印語句。唯一的特別是函數setTimeout，根據粗略的網路資料顯示，它接受兩個參數：
第一個參數是callback函數，就是讓它執行完之後，回過頭來呼叫的函數。
另一個是時間參數，用於指定多少微妙之後，執行callback函數。這裡我們使用了5000微妙，也即是5秒鐘。
另一個重點是，setTimeout是一個非同步函數，意思是我的主程式不必去等待setTimeout執行完畢，將它的運作過程丟到別的地方執行，然後主程式繼續往下走。也即是，主程式是一個步調、setTimeout是另一個步調，也就是「非同步」的方式跑程式碼。
如果你有一些平行運算或多執行緒程式設計的背景知識，那麼上面的語句就再熟悉不過了。如果在多執行緒環境，無非是另一個執行緒去執行列印語句console.log('setTimeout callback')。然後主線程繼續往下走，新線程去負責列印語句，清晰明了。
所以綜合起來，這段程式碼的意思是，主執行緒執行到語句setTimeout時，就把它交給“其它地方”，讓這個“其它地方”等待5秒鐘之後運行。而主線程繼續往下走，去執行「No. 2」的列印。所以，由於其它部分要等待5秒鐘之後才運行，而主線程立刻往下運行了“No. 2”的打印，最終的輸出結果才會是先打印“No. 2”，再打印“setTimeout callback 」。
嗯，so far so good。一切看來都比較美好。
如果我們對上述程式做一點變動呢？例如，我可不可以讓「setTimeout callback」這個資訊先被印出來呢？因為在平行計算中，我們常遇到的問題便是，由於你不知道多個執行緒之間誰執行得快、誰執行得慢，所以我們無法判定最終的語句執行順序。這裡我們讓「setTimeout callback」停留了5秒鐘，時間太長了，要不短一點？
console.log('No. 1');
setTimeout(function(){
console.log('setTimeout callback');
}, 1);
console.log('No. 2');
我們將傳遞給setTimeout的參數改成了1毫秒。多次運行後會發現，結果竟然沒有改變？ ！似乎有點反常，要不再改小一點？改成0？
console.log('No. 1');
setTimeout(function(){
console.log('setTimeout callback');
}, 0);
console.log('No. 2');
多次運行後，發現依舊無法改變。這其實是有點奇怪了。因為通常的平行計算、多執行緒程式設計中，透過多次運行，你其實是可以看到各種無法預期的結果的。在這裡，竟然神奇地得到了相同的執行順序結果。這就反常了。
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 <p>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</p><pre class="brush:php;toolbar:false">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。
那麼，js的特性是」單執行緒「 」非同步「，不就正是我們討論的「沒有意義」的情況嗎？ ！那為何要多次一舉，做一些沒有意義的事情呢？
嗯......事情變得越來越有趣了。
通常來講，如果一個事件出現了神奇和怪異的地方，基本上都是因為我們忽略了某個細節，或者對某個細節有誤解或是錯誤理解。要想把問題解決，我們就必須不斷回顧已有材料，在不斷重複檢驗中，發現那幾根我們忽略的貓膩。
讓我們回顧一下關於js非同步的宣傳影片。通常為了說明js異步的必要性，會舉出瀏覽器的資源載入和頁面渲染這個矛盾。
渲染，可以比較粗糙地理解為將「畫面」畫出來的過程。例如，瀏覽器要將頁面上的按鈕、圖片顯示出來，就必須有一個將「圖片」在網頁上畫出來的動作。又或是，作業系統要將「桌面」這個圖形介面顯示在顯示器上，就必須要把它對應的這個「畫面」在顯示器上畫出來的動作。歸結起來，這個「畫出來」的過程，就被稱之為「渲染」。
例如，你點擊頁面上的一個button，讓瀏覽器去後端資料庫將資料報表取出來，在網頁上把數字顯示出來。而如果js不支援異步的話，整個網頁的就會停留，也即是“卡”，在滑鼠點擊按鈕這一動作上，頁面無法完成後續的渲染工作。一直要等到後端把資料回到了前端，程式流程才能夠繼續跑下去。
所以這裡，js的“非同步”其實是為了讓瀏覽器將“載入”這個任務分給“其它地方”，讓“載入過程”和“渲染過程”同步進行下去。
等等，又是這個「其它地方」？ ！ ！
我擦，不是說js是單線程而麼，計算資源不是只有一份麼，怎麼又可以「一邊載入、一邊渲染」了？ ！ WTF，你這是在逗我玩兒麼？ ！
艹，這裡面哪一句話是真的？ ！到底js是單線是真的？還是說瀏覽器可以同時做「一邊載入、一邊渲染」這個事情是真的？ ！
如何才能解決這個疑惑？ ！很顯然，我們必須要深入瀏覽器的內部，去看它到底是怎麼樣被設計的。
在搜尋引擎中，做一些關於瀏覽器和js的搜索，我們不難得到一些基本資訊。 js並不是瀏覽器的全部，瀏覽器要掌管的事情太多了，掌管js的只是瀏覽器的一個元件，叫做js引擎。而最著名的、並在Chrome中使用的，就是大名鼎鼎的V8引擎，它負責js的解析與運作。
另一方面我們也知道，使用js的一個很大原因，是因為它能夠自由地去操控DOM元素、去執行Ajax異步請求、能夠像我們最開始舉的例子那樣，使用setTimeout做非同步任務分配。這些都是js優秀特性。
可令人驚訝的事情來了，當我們去探索這個掌管js一切的V8引擎的時候，我們卻發現，它並不提供DOM的操控、Ajax的執行以及setTimeout的特性：
上圖來自Alexander Zlatkov，它的結構是：
诶~等等，让我们再仔细看看上面这张图呢？！Ajax不在js引擎里，可是setTimeout也不在js引擎里面啊！！如果Web APIs这部分是在不同于js引擎的另外一根线程里，它们不就可以实现真正意义上的并行吗？！那为何我们开头的打印信息“setTimeout callback”，无法按照并行的方式，优先于“No. 2”打印出来呢？
嗯......真是interesting......事情果然没有那么简单。
显然，我们需要考察更多的细节，特别是，每一条语句在上图中，是按照什么顺序被移动、被执行的。
谈到语句的执行顺序，我们需要再一次将关注点放回到js引擎上。再次回看上面这幅结构图，JS引擎包含了两部分：一个是 memory heap，另一个是call stack。前者关于内存分配，我们可以暂时放下。后面即是函数栈，嗯，它就是要进一步理解执行顺序的东西。
函数栈（call stack）为什么要叫做“栈（stack）”呢？为什么不是叫做函数队列或者别的神马？这其实可以从函数的执行顺序上做一个推断。
函数最开始被引进，其实就是为了代码复用和模块化。我们期望一段本该出现的代码，被单独提出来，然后只需要用一个函数调用，就可以将这段代码的执行内容给插入进来。
所以，如果当我们执行一段代码时，如果遇到了函数调用，我们会期望先去将函数里面的内容执行了，再跳出来回到主程序流，继续往下执行。
所以，如果把一个函数看作函数节点的话，整个执行流程其实是关于函数节点的“深度优先”遍历，也即是从主函数开始运行的函数调用，整个呈深度优先遍历的方式做调用。而结合算法和数据结构的知识，我们知道，要实现“深度遍历”，要么使用递归、要么使用stack这种数据结构。而后者，无疑更为经济使用。
所以咯，既然期望函数调用呈深度优先遍历，而深度优先遍历又需要stack这种数据结构做支持，所以维护这个函数调用的结构就当然呈现为stack的形式。所以叫做函数栈（stack）。
当然，如果再发散思考一下，操作系统的底层涌来维护函数调用的部分也叫做函数栈。那为何不用递归的方式来实现维护呢？其实很简单，计算机这么个啥都不懂的东西，如何知道递归和返回？它只不过会一往无前的一直执行命令而已。所以，在没有任何辅助结构的情况下，能够一往无前地执行的方式，只能是stack，而不是更为复杂的递归概念的实现。
另一方面，回到我们最开头的问题，矛盾其实是出现在setTimeout的callback函数上。而上面的结构图里，还有一部分叫做“callback queue”。显然，这一部分也是我们需要了解的东西。
结合js的call stack和callback queue这两个关键词，我们不难搜索到一些资料，来展开讨论这两部分是如何同具体的语句执行相结合的。
先在整体上论述一下这个过程：
正常的语句执行，会一条接一条地压入call stack，执行，再根据执行的内容继续压入stack。
而如果遇到有Web APIs相关的语句，则会将相应的执行内容扔到Web APIs那边。
Web APIs这边，可以独立于js引擎，并行地分配给它的语句，如Ajax数据加载、setTimeout的内容。
Web APIs这边的callback function，会在在执行完相关语句后，被扔进“callback queue”。
Event loop会不断地监测“call stack”和“callback queue”。当“call stack”为空的时候，event loop会将“callback queue”里的语句压入到stack中，继续做执行。
如此循环往复。
以上内容比较抽象，让我们用一个具体的例子来说明。这个例子同样来自于Alexander Zlatkov。使用它的原因很简单，因为Zlatkov在blog中使用的说明图，实在是相当清晰明了。而目前我没有多余的时间去使用PS绘制相应的结构图，就直接拿来当作例子说明了。
让我们考察下面的代码片段：
console.log('Hi');
setTimeout(function cb1() {
console.log('cb1');
}, 5000);
console.log('Bye');
哈哈，其实和我们使用的代码差不多，只是打印的内容不同。此时，在运行之前，整个底层的结构是这样的：
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：
然後js引擎執行stack中最上層的這句話。對應的，瀏覽器的控制台就會列印出訊息「Hi」：
#由於這條語句被執行了，所以它也從stack中消失：
再來壓入第二條語句setTimeout：
執行setTimeout(function cb1() { console.log('cb1'); }, 5000);：
#注意，由於setTimout部分並沒有被包含在js引擎中，所以它就直接被丟給了Web APIs的Timeout部分。這裡，stack中的藍色部分起到的作用，就是將對應的內容「timer、等候時間5秒、回呼函數cb1」丟給Web APIs。然後這條語句就可以從stack中消失了：
#繼續壓入下一語句console.log('Bye') ：
注意，此時在Web APIs的部分，正在並行於js引擎執行對應的語句，即：等候5秒鐘。 Okay，timer繼續它的等待，而stack這邊已經有語句了，所以需要把它執行掉：
對應的瀏覽器控制台，就會顯示出「Bye」的訊息。而stack中運行後的語句，就該消失：
此時，stack已經為空。 Event loop偵測到stack為空，自然就想要將callback queue中的語句壓入到stack中。但此時，callback queue中也為空，於是Event loop只好繼續循環檢測。
另一方面，Web APIs這邊的timer，並行地在5秒鐘後開始了它的執行－什麼也不做。然後，將它對應的回呼函數cb1()，放到callback queue中：
cb1()。而cb1()裡面呼叫了 console.log('cb1')這語句，所以需要將它壓入stack中：
console.log('cb1')，所以需要先執行它。於是瀏覽器的控制它印出對應的訊息「cb1」：
console.log('cb1' )語句彈出堆疊：
cb1()剩下的語句。此時，cb1()已經沒有其它需要執行的語句了，也即是它被運行完畢，所以，將它也從stack中彈出：
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：
同一個時刻（at the same time），例如在9:00 a.m這個時間點，我們既在做A也在做B。
另一個是同一個時間參考系，也就是所謂的clock on the wall是同一個。
前者很容易理解，這裡我重點解釋一下後者。例如，我在中國大陸同美國的一個同學開微信語音聊天，我這邊是22:00，他那邊是9:00。我們做聊天這件事的時候，是同一時刻（at the same time），但卻不在同一個時間參考體系（clock on the wall）。而在計算機中討論的同步，其實討論的是後者的”同一參考系“，同步，就是讓我們的參考系統一起來，放到同一個體系之下。
又比如，我們在生活中很容易說，同步你的電腦、同步你的手機通訊錄、同步你的相冊，說的是什麼呢？就是讓你的各個客戶端：PC、手機，同server端伺服器的內容都保持一致，也即是大家都被放到一個一致的參考系裡面。不要說，你在PC裡有照片A，而在手機裡沒有A卻有B，這個時候，談論PC裡信息人與談論手機裡信息的人，就是在雞同鴨講。究其原因，就是沒有把大家放到同一個參考系裡面。
所以，同步synchronize所指的」同時「，是大家把牆上的時鐘都調整到一致、調整為同一個步調，也即是同時、同一時間參考系的意思。而不是說，讓事情在同一時刻並列發生。自然的，什麼是異步（asynchronize）呢，異步就是大家的時間參考係是不同的，例如我在中國大陸、你在美國，我們的時間參考體係是不同的，這就是異步，不在同一個步調、頻段上。
事實上，每一個獨立的人、每一塊獨立的運算資源，它都代表了一個各自的參考體系。只要你將任務分發給了其他人或其它計算資源，此時，就出現了兩個參考體系：一個是原有主分支的參考體系，另一個是新的計算資源的參考體系。在平行計算中，有一個同步機制是使用語句barrier，目的是讓所有的計算分支在這一個位置節點都完成了計算。為什麼說它是一種同步機制？依照我們統一參考體系的理解，就是保證其他所有計算分支完成計算，也就保證了其它分支的消失，從而只剩下主分支這一個參考體系。於是大家可以談論同樣的東西，說同樣的話，不會有誤解。
另一方面，如果要更深入地理解js的設計，我認為還需要回到電腦歷史的初期，例如那個只有單核心的分時系統的時代。在那樣一個時代，作業系統所受到的硬體上的限制，不亞於js引擎在瀏覽器中所受到的限制。在同樣的限制下，曾經的作業系統會如何去巧妙運用那極為有限的運算資源，讓整個作業系統給人以平滑、順暢和功能強大的錯覺？我想，js的這些設計必定和作業系統早期的設計緊密相關。所以在這個層面上，它將再一次回到作業系統這樣的基礎知識。能否吃透現代的技術，其實很大層面上取決於你是否吃透了設計的歷史，是否理解在那些資源枯竭的年代，各路大神是如何巧妙地逢山開路，遇水搭橋。無論現代的電腦硬體資源有多豐富，它必定會因為目標的主次關係、業務的主次關係而受到限制。而如何在限制中跳舞和創造，這是能夠貫穿整個歷史的共同性問題。
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