解密JavaScript的异步机制：打破单线程限制，提升性能与用户体验

news2025/1/12 12:23:31

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一、JavaScript的异步编步机制

二、事件循环（Event Loop）和任务队列（Task Queue）

三、宏任务和微任务

四、requestAnimationFrame

五、Promise的发展

一、JavaScript的异步编步机制

在了解JavaScript的异步机制之前，我们首先需要理解JavaScript是一种单线程语言。单线程就意味着所有的任务需要按照顺序一次执行，如果前一个任务没有完成，后一个任务就无法开始。这个特性在执行大量或耗时任务时可能会导致阻塞或者界面卡死，这显然是不可取的。

为了解决这个问题，JavaScript引入了异步编程的机制。简单地说，异步就是你现在发出了一个“命令”，但是并不等待这个“命令”完成，而是继续执行下一个“命令”。只有在“听到”之前的那个“命令”完成了的消息时，才会回过头来处理这个“命令”的结果。这就是所谓的异步编程。

二、事件循环（Event Loop）和任务队列（Task Queue）

这种异步的机制是如何实现的呢？关键在于事件循环（Event Loop）和任务队列（Task Queue）。

事件循环是 JavaScript 内部的一个处理过程，系统会在此处不断地循环等待，检查任务队列中是否有任务，如果有，就处理它。

而任务队列，就是一个存储待处理任务的队列，当我们使用 setTimeout、setInterval、ajax等API时，实际上是向任务队列中添加了一个任务。

当主线程空闲时（也就是同步任务都执行完毕），便会去看任务队列里有没有任务，如果有，便将其取出执行；没有的话，则继续等待。

这个模型可以简单地用下面的代码表示：

while (true) {
  let task = taskQueue.pop();
  execute(task);
}

三、宏任务和微任务

在任务队列中，任务被分为两类：宏任务（MacroTask）和微任务（MicroTask）。两者的区别在于，宏任务在下一轮事件循环开始时执行，微任务在本轮事件循环结束时执行。这意味着微任务的优先级高于宏任务。

常见的宏任务有：script全文（可以看作一种宏任务）、setTimeout、setInterval、setImmediate（Node.js 环境）、I/O、UI渲染。

常见的微任务有：Promise、process.nextTick（Node.js环境）、MutationObserver(html5新特性)。

事件循环的顺序，决定了 JavaScript 代码的执行顺序。过程如下：

执行同步代码，这属于宏任务
执行栈为空，查询是否有微任务需要执行
执行所有微任务
必要的话渲染UI
然后开始下一轮 Event loop，执行宏任务中的异步代码

代码示例如下：

console.log('script start');  // 宏任务

setTimeout(function() {
  console.log('setTimeout');  // 宏任务
}, 0);

Promise.resolve().then(function() {
  console.log('promise1');    // 微任务
}).then(function() {
  console.log('promise2');    // 微任务
});

console.log('script end');    // 宏任务

输出顺序为：script start -> script end -> promise1 -> promise2 -> setTimeout。这是因为JavaScript执行机制决定了微任务比宏任务优先执行。

四、requestAnimationFrame

requestAnimationFrame是一个优化动画效果的函数，也有它在事件循环中的位置。

requestAnimationFrame 的调用是有频率限制的，在大多数浏览器里，这个频率是60Hz，也就是说，每一次刷新间隔为1000/60≈16.7ms。requestAnimationFrame 的执行时机是在下一次重绘之前，而不是立即执行。

requestAnimationFrame 的优点是由系统来决定回调函数的执行时机。如果系统忙到一定程度，可能会两次“刷新”之间多次执行回调函数，这时就可以省略掉一些回调函数的执行。这种机制可以有效节省 CPU 开销，提高系统的性能。

requestAnimationFrame 的位置在事件循环中的具体位置是视浏览器的实现而定，但一般来说，它在宏任务执行完，渲染之前，这使得其可以获取到最新的布局和样式信息。

五、Promise的发展

Promise 对象代表一个异步操作的最终完成（或失败）及其结果值。一个 Promise 处于以下状态之一：

pending: 初始状态，既不是成功，也不是失败状态。
fulfilled: 意味着操作成功完成。
rejected: 意味着操作失败。

一个 promise 必须处于一种状态：fulfilled、rejected 或 pending。一个 promise 的状态在 settle 之后就不能再改变。

Promise起初是由社区提出并实现的，最早的版本是由 Kris Kowal 提出的 Q 库，后来被 ES6 正式接受，并成为了浏览器的原生对象。

Promise 主要解决了两类问题：

异步操作的一致性问题：无论异步操作是同步完成还是异步完成，使用 Promise 对象的 then 方法都可以以同样的方式进行处理。
回调地狱问题：回调地狱指的是多层嵌套的回调函数，导致代码难以维护和理解。Promise 可以通过链式调用的方式，解决回调地狱问题。

我们可以通过下面的代码示例来看一下 Promise 是如何工作的：

let promise = new Promise(function(resolve, reject) {
  // 异步处理
  // 处理结束后、调用resolve 或 reject
});

promise.then(function(value) {
  // success
}, function(error) {
  // failure
});

Promise 的状态一旦改变，就会一直保持那个状态，不会再次改变。这个特性可以让我们有序地处理异步操作的结果，避免出现复杂的状态判断。

以上是关于 JavaScript 中异步编程、事件循环、任务队列、宏任务、微任务，以及requestAnimationFrame在事件循环的位置，Promise 的发展和如何解决回调地狱的详细介绍。对于 JavaScript 的异步编程机制，我们应该有了全面深入的了解。

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