模拟实现 JS 引擎：深入了解 JS机制 以及 Microtask and Macrotask

如果 JavaScript是单线程的 ，那么我们如何像在 Java 中那样创建和运行线程？

很简单，我们使用 events 或设定一段代码在给定时间执行，这种异步性在 JavaScript 中称为 event loop 。

在这篇文章中，主要想分析两个点：

• Javascript 中的 event loop 系统是如何工作；
• 实现自定义 Javascript 引擎来解释 event loop 系统的工作原理并演示其任务队列、执行周期。

JavaScript 中的 Event Loop 机制

JavaScript 是由 Stack 栈、 Heap 堆、 Task Queue 任务队列组成的：

• **Stack **：用来是一种类似于数组的结构，用于跟踪当前正在执行的函数；
• Heap ：用来分配 new 创建的对象；
• Task Queue ：是用来处理异步任务的，当该任务完成时，会指定对应回调进入队列。

运行以下同步任务时

console.log('script start');
console.log('script end');
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JavaScript 会依次执行代码，首先执行该脚本，具体分为以下几步

1. 获取该脚本、或输入文件的内容 ；

2. 将上述内容包裹在函数内；

3. 作为与程序关联的“start”或“launch”事件的事件处理程序；

4. 执行其他初始化；

5. 发出程序启动事件；

6. 事件被添加到事件队列中；

7. Javascript引擎将该事件从队列中拉出并执行注册的处理程序，然后运行！— “Asynchronous Programming in Javascript CSCI 5828: Foundations of Software Engineering Lectures 18–10/20/2016” by Kenneth M. Anderson

总结一下就是，Javascript 引擎会将脚本内容包裹在 Main 函数内，并将其关联为程序 start 或 launch 事件的对应处理程序，然后 Main 函数进入 Stack ，然后遇到 console.log('script start') ，将其入栈，输出 log('script start') ，待其运行完毕之后 出栈 ，直到所有代码运行完。

如果存在异步任务时

console.log('script start');
setTimeout(function callback() {
    console.log('setTimeout');
}, 0);
console.log('script end');
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第一步，同上图，运行 console.log('script start') ，然后遇到**WebAPIs **（ DOM ， ajax ， setTimeout ）

执行 setTimeout(function callback() {}) 得到结果是在得到一个 Timer ，继续执行 console.log('end') 。

此时 如果 timer 运行完成，会让其对应 callback 进入 Task Queue 。

然后当 Stack 中函数全部运行完成之后（也就是 Event Loop 的关键：如果 Stack 为空的话，按照先入先出的顺序读取 Task Queue 里面的任务），将 callback 推入 Stack 中执行。

所以上述代码的结果如下

console.log('script start');
setTimeout(function callback() {
	console.log('setTimeout');
}, 0);
console.log('script end');
// log script start
// log script end
// setTimeout
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以上是游览器利用 Event Loop 执行异步任务时的机制。

Microtask 和 Macrotask 以及实现 JS 引擎

Microtask以及 Macrotask 都属于异步任务，它们各自包括如下api：

• Microtask： process.nextTick ， Promises ， MutationObserver ；
• Macrotask： setTimeout ， setInterval ， setImmediate 等。

其中 Macrotask 队列就是任务队列，而 Microtasks 则通常安排在当前正在执行的同步任务之后执行，并且需要与当前队列中所有 Microtask 都在同一周期内处理，具体如下

for (macroTask of macroTaskQueue) {
    // 1. 处理 macroTask
    handleMacroTask();
      
    // 2. 处理当前 microTaskQueue 所有 microTask
    for (microTask of microTaskQueue) {
        handleMicroTask(microTask);
    }
}
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执行如下代码

// 1. 首先进入 Stack log "script start"
console.log("script start");
// 2. 执行webAPi，完成后 anonymous function 进入 task queue
setTimeout(function() { 
    console.log("setTimeout");
}, 0);
new Promise(function(resolve) {
    // 3. 立即执行 log "promise1"
    console.log("promise1");
    resolve();
}).then(function() {
    // 4. microTask 安排在当前正在执行的同步任务之后
    console.log("promise2");
}).then(function() {
    // 5. 同上 
    console.log("promise3");
});
// 6. log "script end"
console.log("script end");
/*
script start
promise1
script end
promise2
promise3
setTimeout
*/
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所以输出结果是 1 -> 3 -> 6 -> 4 -> 5 -> 2。

接下来，利用 Javascript模拟 JS Engine，这一部分可以优先查看 Microtask and Macrotask: A Hands-on Approach ，这篇文章，然后来给如下代码挑错。

首先在 JSEngine 内部维护宏任务、微任务两个队列 macroTaskQueue ， microTaskQueue 以及对应的 jsStack 执行栈，并定义相关操作。

class JsEngine {
      macroTaskQueue = [];
      microTaskQueue = [];
      jsStack = [];

      setMicro(task) {
        this.microTaskQueue.push(task);
      }
      setMacro(task) {
        this.macroTaskQueue.push(task);
      }
      setStack(task) {
        this.jsStack.push(task);
      }
	  setTimeout(task, milli) {
        this.macroTaskQueue.push(task);
      }
}
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接下来定义相关运行机制以及初始化操作

class JsEngine {
    ...
    // 与event-loop中的初始化对应
    constructor(tasks) {
        this.jsStack = tasks;
        this.runScript(this.runScriptHandler);
    }
    runScript(task) {
    	this.macroTaskQueue.push(task);
    }
	runScriptHandler = () => {
        let curTask = this.jsStack.shift();
        while (curTask) {
          	this.runTask(curTask);
          	curTask = this.jsStack.shift();
        }
    }
    runMacroTask() {
        const { microTaskQueue, macroTaskQueue } = this;
		// 根据上述规律，定义macroTaskQueue与microTaskQueue执行的先后顺序
        macroTaskQueue.forEach(macrotask => {
        	macrotask();
          	if (microTaskQueue.length) {
            	let curMicroTask = microTaskQueue.pop();
            	while (curMicroTask) {
              		this.runTask(microTaskQueue);
             		curMicroTask = microTaskQueue.pop();
            	}
        	}
        });
    }
	// 运行task
    runTask(task) {
    	new Function(task)();
    }
}
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利用上述 Js Engine 运行如下代码

const scriptTasks = [
      `console.log('start')`,
      `console.log("Hi, I'm running in a custom JS 	engine")`,
      `console.log('end')`
    ];
const customJsEngine = new JsEngine(scriptTasks);
customJsEngine.setTimeout(() => console.log("setTimeout"));
customJsEngine.setMicro(`console.log('Micro1')`);
customJsEngine.setMicro(`console.log('Micro2')`);
customJsEngine.runMacroTask();
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最终得到结果

start
Hi, I'm running in a custom JS engine
end
Micro1
setTimeout
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