深入探讨 `Node.js` `Event Loop` (`libuv`) 的 `Phases` (阶段) 及其与浏览器 `Event Loop` 的区别。

各位观众老爷，今天咱们不聊风花雪月，来点硬核的——Node.js Event Loop！

各位知道，JavaScript这玩意儿，天生就是个单线程的命。单线程干活，那效率…嗯，就像我一个人搬家，累死累活的。但Node.js愣是靠着Event Loop，把单线程玩出了并发的感觉，这背后少不了libuv这位幕后英雄。

今天咱们就来扒一扒Node.js Event Loop的那些“爱恨情仇”，重点说说它的几个“阶段”（Phases），以及它和浏览器Event Loop之间的“恩怨情仇”。

一、 Event Loop 是个啥？

先给各位打个预防针，Event Loop 不是Node.js 特有的，它是一种通用的处理并发的机制。

简单来说，Event Loop 就是一个循环往复的过程，它不停地从任务队列（Task Queue 或 Callback Queue）里取出任务，然后执行。想象一下，你是一个餐厅服务员（单线程），厨房（Event Loop）不断给你上菜（任务），你不停地把菜端给客人（执行）。

二、 libuv：Node.js Event Loop 的基石

libuv 是一个跨平台的 C 库，Node.js 用它来处理异步 I/O 操作。它封装了各种操作系统底层的 I/O 模型，比如 epoll (Linux), kqueue (macOS), IOCP (Windows)。这样，Node.js 就可以在不同的操作系统上，以统一的方式处理异步操作了。

你可以把libuv 想象成一个超级管家，帮你处理各种脏活累活，比如文件读写、网络请求等等，让你专注于业务逻辑。

三、 Node.js Event Loop 的 “八大阶段” (严格来说是六个，但为了方便理解，咱们拆成八个)

Node.js Event Loop 的每个循环称为一个 tick。在一个 tick 里，Event Loop 会按照特定的顺序执行一系列的任务。这些任务被划分到不同的“阶段”（Phases）中。这些阶段的顺序非常重要，它们决定了任务的执行顺序。

以下是 Node.js Event Loop 的主要阶段：

1. Timers 阶段:

   • 这个阶段执行由 setTimeout() 和 setInterval() 调度的回调函数。
   • 注意：这里说的“执行”并不是指立刻执行，而是指在到达指定时间后，将回调函数加入到 Poll 阶段的 Callback Queue 中。
   • 可以理解为，这个阶段是用来“提醒” Event Loop，哪些定时器到时间了，需要执行了。

   setTimeout(() => {
     console.log('Timeout callback');
   }, 100);
   
   console.log('Before timeout');
   
   // 输出：
   // Before timeout
   // Timeout callback (在 100ms 后)

2. Pending Callbacks 阶段:

   • 这个阶段执行延迟到下一个循环迭代的 I/O 回调。
   • 简单来说，一些系统操作的回调函数，比如 TCP 连接错误，会在这个阶段执行。
   • 这个阶段主要处理一些“系统级别”的错误回调。

3. Idle, Prepare 阶段:

   • 这个阶段主要用于 Node.js 内部的一些操作，对我们开发者来说，基本不用关心。
   • 可以忽略。

4. Poll 阶段:

   • 这是 Event Loop 中最重要的阶段之一！

   • 这个阶段主要做两件事：

     • 从 Poll Queue 中取出回调函数并执行。 Poll Queue 中存放的是 I/O 操作的回调函数，比如文件读写完成、网络请求响应等等。
     • 如果没有 Poll Queue 为空，并且没有设置定时器，Event Loop 会阻塞（等待）在这里，等待新的 I/O 事件发生。
     • 如果 Poll Queue 为空，但是设置了定时器，Event Loop 会检查是否有定时器到期，如果有，则回到 Timers 阶段。

   • 可以理解为，这个阶段是 Event Loop 的“主战场”，大部分的 I/O 回调都在这里执行。

   • fs.readFile，http.get 等等的回调函数都会进入 Poll 阶段的 Callback Queue

   const fs = require('fs');
   
   fs.readFile('test.txt', (err, data) => {
     if (err) throw err;
     console.log('File content:', data.toString());
   });
   
   console.log('Reading file...');
   
   // 输出：
   // Reading file...
   // File content: (test.txt 的内容) (在文件读取完成后)

5. Check 阶段:

   • 这个阶段执行 setImmediate() 调度的回调函数。
   • setImmediate() 的回调函数会在 Poll 阶段完成后立即执行。
   • setImmediate() 主要是为了解决 I/O 操作完成后，立即执行一些任务的需求。

   setImmediate(() => {
     console.log('Immediate callback');
   });
   
   console.log('Before immediate');
   
   // 输出：
   // Before immediate
   // Immediate callback

6. Close Callbacks 阶段:

   • 这个阶段执行 close 事件的回调函数，比如 socket.on('close', ...)。
   • 当一个 socket 或文件流被关闭时，会触发 close 事件，这个事件的回调函数就在这个阶段执行。

   const net = require('net');
   
   const server = net.createServer((socket) => {
     socket.on('close', () => {
       console.log('Socket closed');
     });
     socket.end('Hello, client!n');
     socket.destroy(); // 关闭 socket
   });
   
   server.listen(3000, () => {
     console.log('Server listening on port 3000');
   });
   
   // (客户端连接并关闭后)
   // 输出：
   // Socket closed

7. Microtask Queue (并非libuv阶段，但很重要):

   • Microtask Queue (也称为 Job Queue) 是一个独立的队列，它与 Event Loop 的阶段并行运行。
   • Microtasks 通常由 Promises、MutationObserver (浏览器环境) 和 process.nextTick() (Node.js 环境) 创建。
   • 重点： 在 Event Loop 的每个阶段完成后，都会优先清空 Microtask Queue，然后再进入下一个阶段。
   • 这意味着，Microtasks 的优先级高于其他任何阶段的回调函数。
   • process.nextTick() 的回调函数会在当前操作结束之后，Event Loop 进入下一个阶段之前执行。 虽然看起来像“插队”，但它保证了回调函数在任何 I/O 事件之前执行。
   • Promise 的 then() 和 catch() 方法产生的回调函数也会被添加到 Microtask Queue 中。
   • 注意： 如果 Microtask Queue 中有大量的任务，可能会导致 Event Loop 阻塞，影响性能。因此，要避免创建过多的 Microtasks。

   console.log('start');
   
   Promise.resolve().then(() => {
     console.log('promise1');
   }).then(() => {
     console.log('promise2');
   });
   
   process.nextTick(() => {
     console.log('nextTick');
   });
   
   setTimeout(() => {
     console.log('setTimeout');
   }, 0);
   
   console.log('end');
   
   // 输出:
   // start
   // end
   // nextTick
   // promise1
   // promise2
   // setTimeout

8. 动画帧请求 (requestAnimationFrame) (仅浏览器环境):

   • 这个阶段只存在于浏览器环境中，用于优化动画性能。
   • requestAnimationFrame() 会在浏览器下一次重绘之前执行回调函数，通常每秒执行 60 次。
   • 这个阶段的回调函数主要用于更新动画相关的状态，比如元素的位置、大小等等。

用一张表格总结一下：

阶段	描述	任务来源
Timers	执行 setTimeout() 和 setInterval() 调度的回调函数。	setTimeout(), setInterval()
Pending Callbacks	执行延迟到下一个循环迭代的 I/O 回调。	系统操作的回调函数 (例如 TCP 连接错误)
Idle, Prepare	Node.js 内部操作，通常忽略。	Node.js 内部
Poll	从 Poll Queue 中取出回调函数并执行。如果没有 Poll Queue 为空，并且没有设置定时器，Event Loop 会阻塞（等待）在这里，等待新的 I/O 事件发生。 如果 Poll Queue 为空，但是设置了定时器，Event Loop 会检查是否有定时器到期，如果有，则回到 Timers 阶段。	I/O 操作的回调函数 (fs.readFile, http.get 等)
Check	执行 setImmediate() 调度的回调函数。	setImmediate()
Close Callbacks	执行 close 事件的回调函数。	socket.on('close', ...) 等
Microtask Queue	处理 Promise, process.nextTick() 的回调函数。在每个阶段完成后清空。	Promise, process.nextTick()
动画帧请求 (浏览器环境)	在浏览器下一次重绘之前执行回调函数。	requestAnimationFrame()

四、 Node.js Event Loop vs. 浏览器 Event Loop

虽然 Node.js 和浏览器都使用了 Event Loop 机制，但它们之间还是有一些区别的。

特性	Node.js Event Loop	浏览器 Event Loop
运行环境	服务器端	客户端
I/O 模型	基于 libuv 的异步 I/O	基于浏览器的 I/O API (例如 XMLHttpRequest, Fetch API)
特有 API	process.nextTick(), setImmediate()	requestAnimationFrame(), MutationObserver
Microtask Queue	包含 Promise 和 process.nextTick() 的回调函数。	包含 Promise 和 MutationObserver 的回调函数。
任务类型	处理文件读写、网络请求等服务器端任务。	处理用户交互、DOM 操作、网络请求等客户端任务。
应用场景	构建高性能的网络应用、API 服务器、命令行工具等等。	构建交互式的 Web 应用、单页面应用等等。
总结	Node.js Event Loop 侧重于处理服务器端的 I/O 操作，提供了 libuv 这样的底层库来支持异步 I/O。	浏览器 Event Loop 侧重于处理客户端的用户交互和 DOM 操作，提供了 requestAnimationFrame() 这样的 API 来优化动画性能。

一些重要的区别点：

1. requestAnimationFrame(): 这个 API 只存在于浏览器环境中，用于优化动画性能。Node.js 中没有这个 API。

2. MutationObserver: 这个 API 也主要用于浏览器环境，用于监听 DOM 树的变化。Node.js 中虽然也可以使用一些第三方库来模拟 MutationObserver，但并不是原生支持的。

3. process.nextTick() vs. queueMicrotask: Node.js 使用 process.nextTick() 将回调函数添加到 Microtask Queue 中，而浏览器推荐使用 queueMicrotask。

五、 举个栗子：深入理解 Event Loop 的执行顺序

console.log('start');

setTimeout(() => {
  console.log('setTimeout 0');
}, 0);

setTimeout(() => {
  console.log('setTimeout 20');
}, 20);

setImmediate(() => {
  console.log('setImmediate');
});

process.nextTick(() => {
  console.log('process.nextTick');
});

Promise.resolve().then(() => {
  console.log('promise');
});

console.log('end');

// 可能的输出顺序 (顺序可能因系统环境而异，但大体一致):
// start
// end
// process.nextTick
// promise
// setTimeout 0
// setImmediate
// setTimeout 20

解释：

1. console.log('start') 和 console.log('end'): 这两个语句是同步执行的，所以它们会首先输出。

2. process.nextTick() 和 Promise: 这两个的回调函数会被添加到 Microtask Queue 中。Microtask Queue 的优先级最高，所以在当前操作完成后，Event Loop 会优先清空 Microtask Queue，然后再进入下一个阶段。因此，process.nextTick 和 promise 会在 setTimeout 和 setImmediate 之前输出。process.nextTick 的执行顺序优先于 Promise，这是因为 process.nextTick 的回调函数会被直接添加到 Microtask Queue 的队首，而 Promise 的回调函数会被添加到队尾。

3. setTimeout(..., 0) 和 setImmediate(): 这两个的回调函数都会被添加到 Poll 阶段的 Callback Queue 中。但是，它们的执行顺序是不确定的，取决于 Event Loop 的具体实现和系统环境。理论上，setImmediate 应该在 setTimeout(..., 0) 之后执行，因为 setImmediate 是在 Poll 阶段完成后立即执行的。但是，实际上，由于 setTimeout(..., 0) 的时间间隔非常短，Event Loop 可能会在 Poll 阶段等待 I/O 事件的时候，先执行 setTimeout(..., 0) 的回调函数。

4. setTimeout(..., 20): 这个的回调函数会在 setTimeout(..., 0) 和 setImmediate 之后执行，因为它设置的时间间隔更长。

六、 总结

Node.js Event Loop 是一个非常重要的概念，理解它的工作原理对于编写高性能的 Node.js 应用至关重要。掌握 Event Loop 的各个阶段，以及它们之间的执行顺序，可以帮助我们更好地控制程序的执行流程，避免一些常见的性能问题。

希望今天的讲座能帮助各位老爷更深入地了解 Node.js Event Loop。记住，Event Loop 不是魔法，它只是一种机制，一种循环往复的机制。掌握了它，你就能更好地驾驭 Node.js，写出更高效、更稳定的代码。

祝各位编码愉快！