JavaScript的异步执行机制

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JavaScript语言定义的 callback, promise, await, asyc
JavaScript/NodeJS 引擎（libuv）
操作系统IO多路复用（epoll）.
了解 JavaScript 异步函数的运行和实现机制，方便阅读和调试JavaScript代码。

1. 简介

对于习惯了线程池/多进程/消息队列的程序员，使用JavaScript/NodeJS，有几个概念需要了解。

Callbacks, Promises, Async Await
IO多路复用和异步访问

2. Callbacks, Promises, Async Await

Youtube有个视频Async JS Crash Course - Callbacks, Promises, Async Await, 用24分钟把这几个概念演示的很清楚。

Callback是最基本的，但是Callback有一个问题，在写异步函数的时候，需要把callbank函数作为参数传进去。如果这个函数本身是个异步函数，它也有一个callback函数作为参数。如果层数很多，就产生了callback hell。函数可读性很差。

为了解决这个问题， Promise引入了一层封装，在定义异步函数时候不需要指明callback函数了。可以在Promise定义后再：

通过then来定义执行成功后的回调
通过catch定义执行异常情况下的回调

Async Await是对Promise的进一步封装。让异步函数看起来象同步函数（不再需要Promose里面的then来显式定义回调）。

下面抄自google官方文档

javascript

async function myFirstAsyncFunction() {
  try {
    const fulfilledValue = await promise;
  }
  catch (rejectedValue) {
    // …
  }
}

如果在函数定义之前使用了 async 关键字，就可以在函数内使用 await。当您 await 某个 Promise 时，函数暂停执行，直至该 Promise 产生结果，并且暂停并不会阻塞主线程。如果 Promise 执行，则会返回值。如果 Promise 拒绝，则会抛出拒绝的值。

JavaScript程序在执行时候，先逐行同步执行每一条语句。当碰到callback时候，把该callback放入队列中，继续执行下一条语句,所有语句执行完之后，再看队列里面有哪些callback具备执行条件了，一一执行。参见后面的NodeJS Event Loop。

javascript

doA(function() {

  doB();

  doC(function() {
    doD();
  });

  doE();
});

doF();

以上执行顺序是：A，F，B，C，E，D。以上ABCDEF都没有外部事件的依赖，当函数是某一个异步函数的callback时候，其是否执行还取决于该callback对应的事件是不是发生了。

例如：

html

<p id="content"> 请等三秒钟!</p>  
<script>  
setTimeout("changeState()",3000 );  
function changeState(){  
    let content=document.getElementById('content');  
    content.innerHTML="<div style='color:red'>我是三秒后显示的内容！</div>";  
}  
</script>

上面changeState在时间到了后才会执行。参见后面event loop中的Timers部分描述。

以上Callback是通过setTimeout函数来配置的。setTimeout是JS引擎本身的异步函数。调用它后会立即返回，但传入的callback会在特定事件发生时候被回调。

一个JS程序中会有各种各样的回调函数，通过JS提供的定时器或者网络/文件访问函数来生效。 JS内部的回调函数实现用到了IO多路复用和异步访问机制。

3. IO多路复用和异步访问

IO多路复用（事件驱动IO）不是JavaScript/NodeJS的独创，是一种通用的IO访问模式。高性能的web服务器大多数采用这种模式（例如nginx）。

JavaScript以IO异步访问出名，原因是它只支持这种IO方式。强迫程序员用这种不是那么友好，但在IO密集型应用中性能好的设计模式。

Python也支持异步IO方式，但由于历史原因，大多数应用采用多进程/多线程方式，在进程内部同步处理IO。

libevent，libev，libuv 都是开发IO多路复用应用的第三方库，其主要功能是屏蔽不同操作系统API的差异，给应用提供统一接口。

libevent/libev/libuv 等在网络服务器应用上，能支撑大的并发连接数。原因在于它可以在有限的内存消耗下，把对成千上万个IO的状态扫描工作交给操作系统完成。对于新的网络请求：

不需要新的进程/线程进行处理，减少资源消耗
不需要应用层增加异步轮询的处理时间，epoll_ctl 告诉OS就OK了。

浏览器中的JS和后端的NodeJS都有异步机制。其本质都是在操作系统的进程中（Chrome进程或者NodeJS进程）访问操作系统提供的异步IO API来实现。以下以NodeJS为主要分析对象。

NodeJS使用libuv来实现IO多路复用和异步IO。 libuv本来是NodeJS项目的产物，由于比较成功，也被其它项目使用了，例如Python生态环境的web framework Fastapi也使用了libuv。

备注
《UNP: Unix Network Programming》中把访问IO的方式分成了5种：
blocking I/O
nonblocking I/O
I/O multiplexing (select and poll)
signal driven I/O (SIGIO)
asynchronous I/O (the POSIX aio_ functions)
其中第三类，libuv用的epoll就是在select/poll基础上发展出来的增强版poll。
UNP中的第五类也叫异步IO，特指由操作系统负责IO数据读写，应用不关心读写，只关心读写完成事件（类似DMA）。
这点和JavaScript中的异步IO有区别。JavaScript中的异步IO更精确说是指的IO多路复用下的非阻塞IO。

3.1. NodeJS的event loop

timers: this phase executes callbacks scheduled by setTimeout() and setInterval().
pending callbacks: executes I/O callbacks deferred to the next loop iteration.
idle, prepare: only used internally.
poll: retrieve new I/O events; execute I/O related callbacks (almost all with the exception of close callbacks, the ones scheduled by timers, and setImmediate()); node will block here when appropriate.
check: setImmediate() callbacks are invoked here.
close callbacks: some close callbacks, e.g. socket.on('close', ...).

NodeJS官方文档中可以看到，event loop里面，主线程在不断的poll（在linux下就是通过libuv调用epoll_wait，来查看有哪些事件发生了。然后调用对应的用户注册的各种callback。

3.2. libuv

文档中对libuv有如下介绍：

Another important dependency is libuv, a C library that is used to abstract non-blocking I/O operations to a consistent interface across all supported platforms. It provides mechanisms to handle file system, DNS, network, child processes, pipes, signal handling, polling and streaming. It also includes a thread pool for offloading work for some things that can't be done asynchronously at the operating system level.

可见在libuv中：

网络IO：使用操作系统提供的异步IO实现。
文件读写等：使用线程池封装出异步事件接口。

3.3. 网络IO中的OS调用

对于网络数据收发， libuv针对不同操作系统做了封装。在linux下使用异步IO API epoll，epoll提供三个API：

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

应用程序通过epoll_ctl来配置需要听哪些事件，通过epoll_wait来查询当前时间有哪些感兴趣的事件已经发生了。

注意：
epoll_ctl 可配置的事件有文件描述符可读，可写等。
epoll_wait 不一定会阻塞，timeout参数可以使用一个很短的时间，达到查一下事件然后立即返回的目的。 NodeJS就是这样的。如果一直wait，event loop就转不起来了。

4. 总结

JavaScript使用异步方式访问IO，为了程序的可读性，在callback的基础上做了若干封装。 Async Await看起来已经和同步函数很相近了。

JavaScript的异步事件，是由操作系统底层支持的。事件的产生由操作系统底层触发，由JavaScript内部事件循环来读取事件，并调用相应的事件处理Callback。

JavaScript代码没办法自主生成事件。 JavaScript的异步函数是对引擎API中需要的callback的实现，以及对引擎API的进一步封装。

JavaScript的异步执行机制

1. 简介 ​

2. Callbacks, Promises, Async Await ​

3. IO多路复用和异步访问 ​

3.1. NodeJS的event loop ​

3.2. libuv ​

3.3. 网络IO中的OS调用 ​

4. 总结 ​