JavaScript jest jednowątkowy: co to naprawdę oznacza

JavaScript ma pojedynczy wątek wykonania: w dowolnym momencie tylko jeden Wykonywana jest instrukcja JavaScript. Jest to fakt związany z czasem wykonania, a nie granica języka. Silnik JavaScript (V8 w Chrome/Node.js, SpiderMonkey w przeglądarce Firefox) uruchamia kod sekwencyjnie.

Jednak Node.js obsługuje dziesiątki tysięcy jednoczesnych żądań. Jak? Przez pętla zdarzeń: Mechanizm umożliwiający oczekiwanie na asynchroniczne operacje we/wy (sieć, system plików) bez blokowania wątku, delegując faktyczną pracę systemowi operacyjnemu przez libuv.

Składniki pętli zdarzeń

Pętla zdarzeń w Node.js (V8 + libuv) składa się z:

  • Zadzwoń do stosów: Stos wykonania synchronicznego kodu JavaScript. Kiedy wywoływana jest funkcja, która jest „wpychana” na stos; kiedy się skończy, jest „karmiony”. Jeśli stos nie jest pusty, wątek jest zajęty.
  • Interfejsy API sieci Web / interfejsy API węzłów: interfejsy dostarczane przez środowisko (przeglądarkę lub Node.js) dla asynchronicznych operacji we/wy: setTimeout, fetch, fs.readFile, WebSockets itp. Operacje te są delegowane do środowiska wykonawczego C++ (libuv) i NIE korzystają z wątku JS.
  • Kolejka wywołania zwrotnego (kolejka makrozadań): Kolejka wywołań zwrotnych do wykonania w następnej kolejności Zakończono operacje we/wy, przekroczono limit czasu, interwał Wykonywane PO pustym stosie wywołań i kolejka mikrozadań zostaje opróżniona.
  • Kolejka mikrozadań: Kolejka o wysokim priorytecie dla wywołań zwrotnych Promise (.then(), async/await) I queueMicrotask(). On nadchodzi całkowicie opróżniony PRZED każdym makrozadaniem.

Kolejność wykonania: zasada podstawowa

Najważniejsza zasada pętli zdarzeń:

  1. Uruchom cały kod synchroniczny na stosie wywołań
  2. Całkowicie wyczyść kolejkę mikrozadań (Promise, MutationObserver)
  3. Uruchom kolejne makrozadanie z kolejki wywołań zwrotnych (setTimeout, wywołanie zwrotne I/O)
  4. Wróć do punktu 2

To wyjaśnia zachowanie, które zaskakuje wielu programistów: 

console.log('1 - sincrono');

setTimeout(() => console.log('4 - macrotask'), 0);

Promise.resolve()
    .then(() => console.log('2 - microtask 1'))
    .then(() => console.log('3 - microtask 2'));

console.log('1b - sincrono');

// Output:
// 1 - sincrono
// 1b - sincrono
// 2 - microtask 1
// 3 - microtask 2
// 4 - macrotask

// Perché? Il setTimeout con delay=0 è comunque un macrotask.
// Le Promise sono microtask, eseguite PRIMA del prossimo macrotask.

Zobacz pętlę zdarzeń krok po kroku

// Esempio completo — traccia mentale dell'esecuzione
async function main() {
    console.log('A');                        // [1] push main, push log('A')

    setTimeout(() => console.log('B'), 0);   // [2] delega a Web APIs

    await Promise.resolve('resolved');       // [3] sospende main, schedula microtask

    console.log('C');                        // [6] riprende dopo microtask
}

console.log('D');                            // [4] esegue sincrono

main();                                      // [1] chiama main

console.log('E');                            // [5] esegue sincrono dopo main si sospende

// Esecuzione:
// [1] D (sincrono prima di main)
// [2] A (main inizia, prima console.log)
// [3] main si sospende su await
// [4] E (codice sincrono dopo main())
// [5] Stack vuoto, microtask queue: Promise.resolve callback
// [6] C (main riprende dopo await)
// [7] Stack vuoto, macrotask queue: setTimeout callback
// [8] B

// Output finale: D, A, E, C, B

Obietnica i asynchronizacja/czekanie: Pod maską

async/await to cukier syntaktyczny na szczycie Obietnic. Kompilator przekształca każdy await in un .then(). Zrozumienie transformacji pomaga zrozumieć kolejność wykonania: 

// Questa funzione async:
async function processUser(id) {
    const user = await fetchUser(id);         // await punto 1
    const orders = await fetchOrders(user);   // await punto 2
    return { user, orders };
}

// È equivalente a:
function processUserWithPromises(id) {
    return fetchUser(id)
        .then(user => {
            return fetchOrders(user)
                .then(orders => { return { user, orders }; });
        });
}

// La funzione si "sospende" a ogni await e
// riprende quando la Promise risolve (tramite microtask queue)

Głód mikrozadań: antywzorzec, którego należy unikać

Jeśli kolejka mikrozadań nigdy nie zostanie opróżniona, makrozadania (a tym samym wywołania zwrotne we/wy) nie zostaną nigdy nie wykonywany. To się nazywa głód mikrozadań: 

// ANTI-PATTERN: loop infinito di microtask — blocca tutto!
function recursiveMicrotask() {
    Promise.resolve().then(recursiveMicrotask);  // schedula infiniti microtask
}
recursiveMicrotask();
// setTimeout di seguito non verrà MAI eseguito!

// PATTERN CORRETTO: usa setImmediate (Node.js) o setTimeout per cedere il controllo
function processLargeDataset(data, index = 0) {
    if (index >= data.length) return;

    processItem(data[index]);

    // Cede il controllo all'event loop ogni 100 elementi
    if (index % 100 === 0) {
        setImmediate(() => processLargeDataset(data, index + 1));
    } else {
        processLargeDataset(data, index + 1);
    }
}

Pętla zdarzeń Node.js: fazy

Pętla zdarzeń Node.js ma określone etapy (libuv), które wykraczają poza przeglądarkę: 

// Le fasi del Node.js event loop (semplificato)
// 1. timers: esegue callback di setTimeout e setInterval
// 2. I/O callbacks: callback I/O differite (errori socket)
// 3. idle, prepare: uso interno Node.js
// 4. poll: recupera I/O events, esegue callback I/O
// 5. check: esegue callback di setImmediate()
// 6. close callbacks: es. socket.on('close', callback)

// setImmediate vs setTimeout(fn, 0): NON garantiti nell'ordine
// dipende dal momento di chiamata nel ciclo

setTimeout(() => console.log('timeout'), 0);
setImmediate(() => console.log('immediate'));

// Output non deterministico se eseguiti nel main module
// Ma dentro una callback I/O:
const fs = require('fs');
fs.readFile(__filename, () => {
    setTimeout(() => console.log('timeout'), 0);
    setImmediate(() => console.log('immediate'));
    // Qui 'immediate' è sempre PRIMA — siamo già nella fase poll
});

Blokowanie pętli zdarzeń: klasyczne błędy

Operacje blokujące pętlę zdarzeń

  • Synchroniczne obliczenia intensywnie obciążające procesor: pętla obliczająca bloki trwające 2 sekundy wszystkie inne żądania przez 2 sekundy. Użyj wątków roboczych do pracy związanej z procesorem.
  • JSON.parse() na ogromnych ładunkach: parsowanie 10MB JSON to synchroniczne i blokowe. Użyj strumieni JSON lub deleguj do wątku roboczego.
  • fs.readFileSync() w kodzie serwera: Synchronizuj wersje wszystkich interfejsów API Node.js blokują wątek. Zawsze używaj wersji asynchronicznych z wywołaniami zwrotnymi lub oczekuj.
  • Operacje kryptograficzne bez flag: Operacje kryptograficzne są powiązane z procesorem. crypto.scrypt() akceptować oddzwonienia; crypto.scryptSync() blok.

Wnioski

Pętla zdarzeń sprawia, że ​​JavaScript jest wydajny pomimo tego, że jest jednowątkowy. Klucze do zapamiętania: kolejka mikrozadań ma pierwszeństwo przed kolejką makrozadań; await nie blokuje wątku, ale zawiesza bieżącą funkcję; Bloki operacji synchronicznych związanych z procesorem całą pętlę zdarzeń.

W następnym artykule omówimy goroutines i kanały Go: modelka zupełnie inna platforma współbieżności, oparta na CSP i zaprojektowana z myślą o skalowaniu do milionów zadań konkurentów.

Poprzedni artykuł ← Modele konkurencji
Następny w serii Goroutine i kanał w Go →