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彻底搞懂nodejs事件循环 Event Loop

当Node.js启动时会初始化event loop, 每一个event loop都会包含按如下顺序六个循环阶段，

┌───────────────────────┐
┌─>│        timers         │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
│  │     I/O callbacks     │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
│  │     idle, prepare     │
│  └──────────┬────────────┘      ┌───────────────┐
│  ┌──────────┴────────────┐      │   incoming:   │
│  │         poll          │<─────┤  connections, │
│  └──────────┬────────────┘      │   data, etc.  │
│  ┌──────────┴────────────┐      └───────────────┘
│  │        check          │
│  └──────────┬────────────┘
│  ┌──────────┴────────────┐
└──┤    close callbacks    │
   └───────────────────────┘
  • timers 阶段: 这个阶段执行setTimeout(callback) and setInterval(callback)预定的callback;
  • I/O callbacks 阶段: This phase executes callbacks for some system operations such as types of TCP errors. For example if a TCP socket receives 

    ECONNREFUSED

      when attempting to connect, some *nix systems want to wait to report the error. This will be queued to execute in the I/O callbacks phase;
  • idle, prepare 阶段: 仅node内部使用;
  • poll 阶段: 获取新的I/O事件, 适当的条件下node将阻塞在这里;
  • check 阶段: 执行setImmediate() 设定的callbacks;
  • close callbacks 阶段: 比如socket.on(‘close’, callback)的callback会在这个阶段执行.

event loop按顺序执行上面的六个阶段，每一个阶段都有一个装有callbacks的fifo queue(队列)，当event loop运行到一个指定阶段时，node将执行该阶段的fifo queue(队列)，当队列callback执行完或者执行callbacks数量超过该阶段的上限时，event loop会转入下一下阶段.

那么我们平常的异步io是在哪个阶段执行的呢，答案是poll阶段。

poll阶段

在node.js里，除了上面几个特定阶段的callback之外，任何异步方法完成时，都会将其callback加到poll queue里。

当event loop到poll阶段时，且不存在timer，将会发生下面的情况

  • 如果poll queue不为空，event loop将同步的执行queue里的callback,直至queue为空，或执行的callback到达系统上限;
  • 如果poll queue为空，将会发生下面情况：
    • 如果代码已经被setImmediate()设定了callback 或者有满足close callbacks阶段的callback, event loop将结束poll阶段进入check阶段，并执行check阶段的queue (check阶段的queue是 setImmediate设定的)
    • 如果代码没有设定setImmediate(callback)或者没有满足close callbacks阶段的callback，event loop将阻塞在该阶段等待callbacks加入poll queue;

当event loop到poll阶段时，如果存在timer并且timer未到超时时间，将会发生下面情况：

  • 则会把最近的一个timer剩余超时时间作为参数传入io_poll()中，这样event loop 阻塞在poll阶段等待时，如果没有任何I/O事件触发，也会由timerout触发跳出等待的操作，结束本阶段，然后在close callbacks阶段结束之后会在进行一次timer超时判断

所以实际上，timer检查会发生在两个地方：timers阶段和close callbacks阶段结束之后。 贴一段别人注释的源代码

//deps/uv/src/unix/core.c
int uv_run(uv_loop_t *loop, uv_run_mode mode) {
	int timeout;
	int r;
	int ran_pending;
	//uv__loop_alive返回的是event loop中是否还有待处理的handle或者request
	//以及closing_handles是否为NULL,如果均没有,则返回0
	r = uv__loop_alive(loop);
	//更新当前event loop的时间戳,单位是ms
	if (!r)
    	uv__update_time(loop);
	while (r != 0 && loop->stop_flag == 0) {
    	//使用Linux下的高精度Timer hrtime更新loop->time,即event loop的时间戳
    	uv__update_time(loop);
    	//执行判断当前loop->time下有无到期的Timer,显然在同一个loop里面timer拥有最高的优先级
    	uv__run_timers(loop);
    	//判断当前的pending_queue是否有事件待处理,并且一次将&loop->pending_queue中的uv__io_t对应的cb全部拿出来执行
    	ran_pending = uv__run_pending(loop);
    	//实现在loop-watcher.c文件中,一次将&loop->idle_handles中的idle_cd全部执行完毕(如果存在的话)
    	uv__run_idle(loop);
    	//实现在loop-watcher.c文件中,一次将&loop->prepare_handles中的prepare_cb全部执行完毕(如果存在的话)
    	uv__run_prepare(loop);

    	timeout = 0;
    	//如果是UV_RUN_ONCE的模式,并且pending_queue队列为空,或者采用UV_RUN_DEFAULT(在一个loop中处理所有事件),则将timeout参数置为
    	//最近的一个定时器的超时时间,防止在uv_io_poll中阻塞住无法进入超时的timer中
    	if ((mode == UV_RUN_ONCE && !ran_pending) || mode == UV_RUN_DEFAULT)
        	timeout = uv_backend_timeout(loop);
    	//进入I/O处理的函数(重点分析的部分),此处挂载timeout是为了防止在uv_io_poll中陷入阻塞无法执行timers;并且对于mode为
    	//UV_RUN_NOWAIT类型的uv_run执行,timeout为0可以保证其立即跳出uv__io_poll,达到了非阻塞调用的效果
    	uv__io_poll(loop, timeout);
    	//实现在loop-watcher.c文件中,一次将&loop->check_handles中的check_cb全部执行完毕(如果存在的话)
    	uv__run_check(loop);
    	//执行结束时的资源释放,loop->closing_handles指针指向NULL
    	uv__run_closing_handles(loop);

    	if (mode == UV_RUN_ONCE) {
        	//如果是UV_RUN_ONCE模式,继续更新当前event loop的时间戳
        	uv__update_time(loop);
        	//执行timers,判断是否有已经到期的timer
        	uv__run_timers(loop);
    	}
    	r = uv__loop_alive(loop);
    	//在UV_RUN_ONCE和UV_RUN_NOWAIT模式中,跳出当前的循环
    	if (mode == UV_RUN_ONCE || mode == UV_RUN_NOWAIT)
        	break;
		}
		
	//标记当前的stop_flag为0,表示当前的loop执行完毕
	if (loop->stop_flag != 0)
    	loop->stop_flag = 0;
	//返回r的值
	return r;
}

setTimeout 和 setImmediate

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

setImmediate(function immediate () {
  console.log('immediate');
});

上述二者的执行顺序是不确定的。

因为在node中，setTimeout(cb, 0) === setTimeout(cb, 1);而setImmediately属于uv_run_check的部分确实每次loop进来，都是先检查uv_run_timer的，但是由于cpu工作耗费时间，比如第一次获取的hrtime为0那么setTimeout(cb, 1)，超时时间就是loop->time = 1(ms，node定时器精确到1ms，但是hrtime是精确到纳秒级别的)所以第一次loop进来的时候就有两种情况：

1.由于第一次loop前的准备耗时超过1ms，当前的loop->time >=1 ，则uv_run_timer生效，timeout先执行
2.由于第一次loop前的准备耗时小于1ms，当前的loop->time < 1，则本次loop中的第一次uv_run_timer不生效，那么io_poll后先执行uv_run_check，即immediate先执行，然后等close cb执行完后，继续执行uv_run_timer

但当二者在异步i/o callback内部调用时，总是先执行setImmediate，再执行setTimeout

var fs = require('fs')

fs.readFile(__filename, () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('timeout')
  }, 0)
  setImmediate(() => {
    console.log('immediate')
  })
})

因为fs.readFile callback执行完后，程序设定了timer 和 setImmediate，因此poll阶段不会被阻塞进而进入check阶段先执行setImmediate，最后close callbacks阶段结束后检查timer，执行timeout事件

Process.nexTick() process.nextTick()不在event loop的任何阶段执行，而是在各个阶段切换的中间执行,即从一个阶段切换到下个阶段前执行。

var fs = require('fs');

fs.readFile(__filename, () => {
  setTimeout(() => {
    console.log('setTimeout');
  }, 0);
  setImmediate(() => {
    console.log('setImmediate');
    process.nextTick(()=>{
      console.log('nextTick3');
    })
  });
  process.nextTick(()=>{
    console.log('nextTick1');
  })
  process.nextTick(()=>{
    console.log('nextTick2');
  })
});

执行结果：

nextTick1
nextTick2
setImmediate
nextTick3
setTimeout

从poll —> check阶段，先执行process.nextTick，nextTick1，nextTick2。然后进入check执行setImmediate，setImmediate执行完后，出check,进入close callback前，执行process.nextTick ，nextTick3。最后进入timer执行setTimeout

process.nextTick()是node早期版本无setImmediate时的产物，node作者推荐我们尽量使用setImmediate。

参考文章：

https://cnodejs.org/topic/57d68794cb6f605d360105bf

https://nodejs.org/en/docs/guides/event-loop-timers-and-nexttick/#i-o-callbacks

nodejs后端 setImmediate Event Loop node事件循环 process.nextTick
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