JavaScript Promise 的 A+ 规范：内部 Job Queue 与 Microtask 调度器的关系 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位同仁，欢迎来到今天的讲座。我们将深入探讨JavaScript中Promise的A+规范，以及其核心机制——内部Job Queue（即Microtask调度器）如何协同工作，共同塑造了JavaScript异步编程的基石。理解这些底层机制，对于编写高效、可预测且易于维护的异步代码至关重要。

JavaScript异步编程的演进与Promise的崛起

JavaScript，作为一种单线程语言，在处理耗时操作（如网络请求、文件读写、大量计算）时面临着一个固有的挑战：如果这些操作阻塞了主线程，用户界面将冻结，用户体验将受到严重影响。为了解决这一问题，JavaScript生态系统发展出了一系列异步编程模式。

最初，我们依赖于回调函数（callbacks）。这种模式虽然解决了阻塞问题，但随着异步操作的嵌套，很快就导致了臭名昭著的“回调地狱”（Callback Hell）：代码难以阅读、难以维护，错误处理也变得异常复杂。

// 典型的回调地狱示例
getData(function(a) {
    processData(a, function(b) {
        transformData(b, function(c) {
            saveData(c, function(d) {
                console.log("Success:", d);
            }, function(err) {
                console.error("Save error:", err);
            });
        }, function(err) {
            console.error("Transform error:", err);
        });
    }, function(err) {
        console.error("Process error:", err);
    });
}, function(err) {
    console.error("Get data error:", err);
});

为了更好地管理异步操作，ES6（ECMAScript 2015）引入了原生的Promise。Promise提供了一种更结构化、更易于理解和组合异步操作的方式，显著改善了回调地狱的问题。随后，ES2017引入的async/await语法，更是建立在Promise之上，以同步代码的风格编写异步逻辑，进一步提升了可读性。

// 使用Promise链重构上述代码
getData()
    .then(a => processData(a))
    .then(b => transformData(b))
    .then(c => saveData(c))
    .then(d => console.log("Success:", d))
    .catch(err => console.error("An error occurred:", err));

// 使用async/await重构
async function performOperations() {
    try {
        const a = await getData();
        const b = await processData(a);
        const c = await transformData(b);
        const d = await saveData(c);
        console.log("Success:", d);
    } catch (err) {
        console.error("An error occurred:", err);
    }
}
performOperations();

Promise的成功并非偶然，它背后有一套严谨的规范支撑，这就是Promises/A+规范。这份规范定义了Promise的行为，确保了不同Promise实现之间的互操作性，也为我们理解Promise的内部调度机制提供了关键线索。

JavaScript的执行模型：事件循环与任务队列

要理解Promise如何工作，我们必须首先掌握JavaScript的运行时环境。JavaScript是单线程的，这意味着在任何给定时刻，只能执行一段代码。为了处理并发和异步操作，JavaScript运行时（如浏览器或Node.js）依赖于一个核心机制：事件循环（Event Loop）。

事件循环是一个永不停止的循环，它持续监控两个主要的队列：

Macrotask Queue (或 Task Queue)：用于存放宏任务。典型的宏任务包括：
- setTimeout() 和 setInterval() 的回调
- I/O 操作（例如网络请求完成、文件读写完成）
- UI 渲染事件（如点击、加载）
- requestAnimationFrame (有时被视为宏任务)
- MessageChannel
- 脚本的整体执行（initial script execution）
Microtask Queue (或 Job Queue)：用于存放微任务。典型的微任务包括：
- Promise 的回调（then, catch, finally）
- queueMicrotask() 的回调
- MutationObserver 的回调
- process.nextTick() (Node.js 特有)

事件循环的工作流程可以概括如下：

从Macrotask Queue中取出一个宏任务并执行。
宏任务执行完毕后，检查Microtask Queue。
执行Microtask Queue中的所有微任务，直到队列为空。
执行完所有微任务后，如果浏览器环境，可能会进行页面渲染。
回到第一步，继续从Macrotask Queue中取出下一个宏任务。

关键点在于：在一个宏任务执行完成之后，下一个宏任务开始之前，所有待处理的微任务都会被清空。这意味着微任务具有更高的优先级，它们会在当前执行栈清空后，但下一个宏任务开始前，立即执行。

Promises/A+规范：Promise行为的黄金准则

Promises/A+规范是一个开放且可互操作的JavaScript Promise实现标准。它定义了Promise对象必须遵守的一系列规则，以确保不同库和原生Promise之间的兼容性。理解这些规则是理解Promise内部机制的基础。

Promise的生命周期与状态

一个Promise对象在其生命周期中只能处于以下三种状态之一：

Pending (待定)：初始状态，既不是成功，也不是失败。
- 可以转换到Fulfilled状态。
- 可以转换到Rejected状态。
Fulfilled (已成功)：表示操作成功完成。
- 必须带有一个不可变的value。
- 不能再转换为其他状态。
Rejected (已失败)：表示操作失败。
- 必须带有一个不可变的reason。
- 不能再转换为其他状态。

一旦Promise从Pending状态转换到Fulfilled或Rejected，它就进入了Settled (已解决/已敲定) 状态，并且这个状态是不可逆的。

then 方法

then方法是Promise的核心，它允许我们注册回调函数来处理Promise的成功或失败。

promise.then(onFulfilled, onRejected)

onFulfilled：当promise状态变为Fulfilled时调用的函数。它接收promise的value作为参数。
onRejected：当promise状态变为Rejected时调用的函数。它接收promise的reason作为参数。

then方法必须返回一个新的Promise对象。这个新的Promise的状态和值/原因由onFulfilled或onRejected回调的返回值决定：

如果回调函数返回一个非Promise值，新的Promise将以该值Fulfilled。
如果回调函数返回一个Promise（称为x），新的Promise将“采用”x的状态。这意味着如果x成功，新的Promise也成功；如果x失败，新的Promise也失败，并带有相同的值/原因。
如果回调函数抛出错误，新的Promise将以该错误Rejected。

规范中的关键异步调度规则

Promises/A+规范中最关键的一条规则，直接关联到我们的主题：

2.2.4 onFulfilled 或 onRejected 必须在执行上下文栈只包含平台代码时才可被调用。

这条规则的含义是：Promise的回调函数（onFulfilled或onRejected）必须异步执行。它们不能在当前的同步代码块中立即执行。具体来说，它们会被调度到JavaScript运行时的“Job Queue”（即Microtask Queue）中，等待当前同步代码执行完毕后再执行。

这意味着即使一个Promise在创建时就已经被解决了（例如Promise.resolve('some value')），其.then()回调也不会立即执行，而是会被推入微任务队列，等待当前脚本执行完毕。

Promise的内部机制与Microtask调度器

现在，我们来揭示Promise如何利用Microtask Queue实现其异步调度。

当一个Promise被resolve或reject时，它的状态会从Pending变为Fulfilled或Rejected。如果此时已经有通过.then()方法注册的回调函数，这些回调函数并不会立即执行。相反，JavaScript引擎会将这些回调函数封装成一个“Promise Job”（微任务），并将其推入到Microtask Queue中。

在ECMAScript规范中，并没有直接使用“Microtask Queue”这个术语，而是使用了更抽象的“Job Queues”的概念。对于Promise而言，它涉及到PromiseJobs。规范中有一个抽象操作叫做HostEnqueuePromiseJob(job, realm)，它负责将一个Promise Job调度到宿主环境（浏览器或Node.js）的Job Queue中。在实际的浏览器和Node.js环境中，这个“Job Queue”就是我们所说的“Microtask Queue”。

我们可以将PromiseJob理解为微任务的一种特定类型。当一个Promise的状态从Pending变为Settled时，或者当一个.then()方法被调用时，如果Promise已经处于Settled状态，相关的回调函数就会被安排为PromiseJob。

Promise 构造函数与 executor

new Promise(executor) 中的executor函数是同步执行的。它包含初始化Promise的逻辑，并接收resolve和reject两个函数作为参数。

console.log('Start');

const myPromise = new Promise((resolve, reject) => {
    console.log('Executor function runs synchronously');
    // 假设这里执行了一些同步操作
    resolve('Success!'); // 改变Promise状态，并调度微任务
});

console.log('After Promise constructor');

myPromise.then(value => {
    console.log('Promise resolved with:', value); // 这是微任务
});

console.log('End');

/*
预期输出：
Start
Executor function runs synchronously
After Promise constructor
End
Promise resolved with: Success!
*/

从上面的例子可以看到：

Start 被同步打印。
Executor function runs synchronously 被同步打印，因为executor函数是立即执行的。
在executor中调用resolve('Success!')时，Promise的状态变为Fulfilled，并且其.then回调被安排为一个微任务。
After Promise constructor 被同步打印。
End 被同步打印。
此时，主线程上的同步代码已经执行完毕，执行上下文栈为空。事件循环检查Microtask Queue，发现有一个微任务 (myPromise.then(...))。
该微任务被执行，Promise resolved with: Success! 被打印。

这个顺序清晰地展示了executor的同步性和then回调的异步性（通过微任务调度）。

代码示例：深入理解调度顺序

通过一系列代码示例，我们将更具体地观察Microtask Queue在Promise调度中的作用。

示例1：基本Promise解析

console.log('Script Start');

Promise.resolve('Foo')
    .then(value => {
        console.log('Promise 1 Resolved:', value);
    });

console.log('Script End');

/*
输出顺序：
Script Start
Script End
Promise 1 Resolved: Foo
*/

解释：

console.log('Script Start') 同步执行。
Promise.resolve('Foo') 创建一个立即Fulfilled的Promise。其.then回调被封装成一个微任务，并推入Microtask Queue。
console.log('Script End') 同步执行。
当前宏任务（整个脚本的执行）完成。
事件循环检查Microtask Queue，发现其中的微任务。
执行微任务，console.log('Promise 1 Resolved:', 'Foo') 被打印。

这再次强调了Promise回调的微任务优先级高于下一个宏任务。

示例2：Promise链式调用

console.log('Start');

Promise.resolve(1)
    .then(value => {
        console.log('First then:', value); // value is 1
        return value + 1; // 返回一个非Promise值
    })
    .then(value => {
        console.log('Second then:', value); // value is 2
        return Promise.resolve(value + 1); // 返回一个Promise
    })
    .then(value => {
        console.log('Third then:', value); // value is 3
    })
    .then(value => {
        console.log('Fourth then:', value); // value is 3 (previous then did not return anything)
        // 注意：如果上一个then没有返回，或者返回undefined，下一个then会接收undefined
        // 实际上，如果上一个then返回了一个Promise，并且该Promise resolve了，
        // 那么下一个then会接收该Promise resolve的值。
        // 这里的Third then返回了3，所以Fourth then会接收3。
    });

console.log('End');

/*
输出顺序：
Start
End
First then: 1
Second then: 2
Third then: 3
Fourth then: 3
*/

解释：

Start 同步打印。
Promise.resolve(1) 创建一个已解决的Promise，其第一个.then回调被调度为微任务。
End 同步打印。
当前宏任务完成。事件循环开始处理微任务。
微任务 1 (First then): console.log('First then:', 1) 打印。返回 2。
- 因为返回的是非Promise值，所以下一个.then的回调被调度为新的微任务，并接收 2。
微任务 2 (Second then): console.log('Second then:', 2) 打印。返回 Promise.resolve(3)。
- 因为返回的是Promise，下一个.then的回调会等待这个Promise.resolve(3)解决，然后被调度为新的微任务，并接收 3。
微任务 3 (Third then): console.log('Third then:', 3) 打印。没有显式返回值，等同于返回 undefined。
- 下一个.then的回调被调度为新的微任务，并接收 undefined。
微任务 4 (Fourth then): console.log('Fourth then:', undefined) 打印。

更正第四个then的解释：
实际上，Third then返回的undefined会作为下一个Promise的解决值。所以Fourth then会接收undefined。

console.log('Start');

Promise.resolve(1)
    .then(value => {
        console.log('First then:', value); // 1
        return value + 1; // 返回 2
    })
    .then(value => {
        console.log('Second then:', value); // 2
        return Promise.resolve(value + 1); // 返回 resolved promise with 3
    })
    .then(value => {
        console.log('Third then:', value); // 3
        // 没有return语句，默认返回 undefined
    })
    .then(value => {
        console.log('Fourth then:', value); // undefined
    });

console.log('End');

/*
输出顺序：
Start
End
First then: 1
Second then: 2
Third then: 3
Fourth then: undefined
*/

这个修正后的例子更能说明Promise链中的值传递。每个.then的返回值都会影响下一个.then接收到的值。整个Promise链的执行，都是通过连续调度微任务来完成的。

示例3：宏任务与微任务的优先级对比

这是理解事件循环和Promise调度的核心示例。

console.log('Global Start');

setTimeout(() => {
    console.log('Timeout 1');
    Promise.resolve().then(() => {
        console.log('Promise inside Timeout 1');
    });
}, 0);

Promise.resolve().then(() => {
    console.log('Promise 1 (Global)');
});

setTimeout(() => {
    console.log('Timeout 2');
}, 0);

Promise.resolve().then(() => {
    console.log('Promise 2 (Global)');
});

console.log('Global End');

/*
输出顺序：
Global Start
Global End
Promise 1 (Global)
Promise 2 (Global)
Timeout 1
Promise inside Timeout 1
Timeout 2
*/

解释：

Global Start 同步打印。
setTimeout(() => { console.log('Timeout 1'); ... }, 0)：将一个宏任务推入Macrotask Queue。
Promise.resolve().then(() => { console.log('Promise 1 (Global)'); })：将一个微任务（Promise 1）推入Microtask Queue。
setTimeout(() => { console.log('Timeout 2'); }, 0)：将另一个宏任务推入Macrotask Queue。
Promise.resolve().then(() => { console.log('Promise 2 (Global)'); })：将另一个微任务（Promise 2）推入Microtask Queue。
Global End 同步打印。
当前宏任务（整个脚本的执行）完成。执行上下文栈为空。
事件循环检查Microtask Queue：
- 执行微任务 Promise 1 (Global)。
- 执行微任务 Promise 2 (Global)。
- Microtask Queue 为空。
事件循环检查Macrotask Queue：
- 取出第一个宏任务 (Timeout 1) 并执行。console.log('Timeout 1') 打印。
- 在 Timeout 1 宏任务内部，又创建了一个Promise，其.then回调（Promise inside Timeout 1）被推入Microtask Queue。
- Timeout 1 宏任务执行完毕。
- 在下一个宏任务开始之前，事件循环再次检查Microtask Queue。
- 执行微任务 Promise inside Timeout 1。
- Microtask Queue 为空。
事件循环再次检查Macrotask Queue：
- 取出第二个宏任务 (Timeout 2) 并执行。console.log('Timeout 2') 打印。
- Timeout 2 宏任务执行完毕。
- Microtask Queue 为空。
所有任务执行完毕。

这个例子完美地展示了：在一个宏任务执行完成后，事件循环会优先清空所有微任务，然后再进入下一个宏任务。这是Promise高优先级异步行为的关键。

示例4：async/await与Promise的联系

async/await是Promise的语法糖，它使得异步代码看起来像同步代码，但其底层仍然是基于Promise和微任务调度的。

console.log('Before async function call');

async function demoAsyncAwait() {
    console.log('Inside async function - before await');
    const result = await Promise.resolve('Await value'); // 暂停函数执行，并调度后续代码为微任务
    console.log('Inside async function - after await, result:', result);
    return 'Async function finished';
}

const asyncPromise = demoAsyncAwait();

console.log('After async function call');

asyncPromise.then(finalResult => {
    console.log('Promise from async function resolved with:', finalResult);
});

console.log('End of script');

/*
输出顺序：
Before async function call
Inside async function - before await
After async function call
End of script
Inside async function - after await, result: Await value
Promise from async function resolved with: Async function finished
*/

解释：

Before async function call 同步打印。
demoAsyncAwait() 函数被调用，它立即开始执行。
Inside async function - before await 同步打印。
遇到 await Promise.resolve('Await value')：
- Promise.resolve('Await value') 立即解决。
- await 表达式会暂停 demoAsyncAwait 函数的执行。
- await 会将 demoAsyncAwait 函数中 await 之后的代码（即 console.log('Inside async function - after await, result:', result); 及其后部分）封装成一个微任务，并将其推入Microtask Queue。
- demoAsyncAwait 函数立即返回一个处于Pending状态的Promise（asyncPromise）。
After async function call 同步打印。
asyncPromise.then(...)：将另一个微任务（处理asyncPromise解决后的回调）推入Microtask Queue。
End of script 同步打印。
当前宏任务（整个脚本的执行）完成。执行上下文栈为空。
事件循环检查Microtask Queue：
- 执行第一个微任务（demoAsyncAwait中await之后的代码）：console.log('Inside async function - after await, result:', 'Await value') 打印。
- demoAsyncAwait 函数执行完毕，返回 'Async function finished'。这会使得 asyncPromise 状态变为Fulfilled。
- Microtask Queue 此时可能仍有之前asyncPromise.then注册的微任务。
- 执行第二个微任务（asyncPromise.then(...)）：console.log('Promise from async function resolved with:', 'Async function finished') 打印。
- Microtask Queue 为空。
所有任务执行完毕。

这个例子清楚地说明了await并非真正意义上的“等待”或“阻塞”，而是将await后面的代码进行微任务调度。

示例5：错误处理与catch/finally

catch和finally方法也遵循Promise/A+规范，其回调同样被调度为微任务。

console.log('Start Error Handling Demo');

Promise.reject('Something went wrong!')
    .catch(error => {
        console.log('Caught error:', error);
        return 'Recovered value'; // 返回一个值，使得链式Promise变为Fulfilled
    })
    .finally(() => {
        console.log('Finally block 1 executed');
    })
    .then(value => {
        console.log('After recovery:', value);
    });

new Promise((resolve, reject) => {
    console.log('Executor with sync error');
    throw new Error('Immediate sync error in executor'); // 同步抛出错误
})
    .catch(err => {
        console.log('Caught immediate sync error:', err.message);
    })
    .finally(() => {
        console.log('Finally block 2 executed');
    });

console.log('End Error Handling Demo');

/*
输出顺序：
Start Error Handling Demo
Executor with sync error
End Error Handling Demo
Caught error: Something went wrong!
Finally block 1 executed
After recovery: Recovered value
Caught immediate sync error: Immediate sync error in executor
Finally block 2 executed
*/

解释：

Start Error Handling Demo 同步打印。
Promise.reject('Something went wrong!') 创建一个已拒绝的Promise。其.catch回调被调度为微任务。
第二个Promise的executor同步执行，Executor with sync error 打印。
throw new Error(...) 在executor中同步抛出错误。这个错误会立即拒绝第二个Promise。其.catch回调被调度为微任务。
End Error Handling Demo 同步打印。
当前宏任务完成。事件循环检查Microtask Queue：
- 执行第一个Promise链的catch回调：Caught error: Something went wrong! 打印。返回 'Recovered value'。这会使得finally和then回调被调度为微任务。
- 执行第一个Promise链的finally回调：Finally block 1 executed 打印。
- 执行第一个Promise链的then回调：After recovery: Recovered value 打印。
- 执行第二个Promise链的catch回调：Caught immediate sync error: Immediate sync error in executor 打印。
- 执行第二个Promise链的finally回调：Finally block 2 executed 打印。
- Microtask Queue 为空。

ECMAScript规范中的Job Queue与Microtask Queue的对应关系

为了更严谨地理解这些概念，我们需要明确ECMAScript规范的术语与宿主环境（浏览器、Node.js）常用术语之间的映射关系。

ECMAScript 规范术语	浏览器/Node.js 实现术语	描述
Job Queue	Microtask Queue	一种用于调度高优先级异步任务的队列。在ECMAScript规范中，可以有多个Job Queue，但最常见且与Promise相关的就是PromiseJobs Queue。
PromiseJobs	Microtasks	特指由Promise操作（如`.then()`, `.catch()`, `.finally()`, `Promise.resolve()`, `Promise.reject()`）调度到Job Queue中的任务。它们通常在当前正在执行的脚本或宏任务完成后，但在下一个宏任务开始前执行。
`HostEnqueuePromiseJob`	内部调度机制 / `queueMicrotask()`	ECMAScript规范定义的一个抽象操作，由宿主环境实现，用于将一个Promise Job（微任务）放入Job Queue中。在浏览器中，开发者可以通过 `queueMicrotask()` 手动调度微任务。
Task Queue	Macrotask Queue	一种用于调度低优先级异步任务的队列。这些任务通常涉及与外部系统（如网络、计时器、用户界面）的交互。
Task	Macrotask	放置在Task Queue中的任务，包括 `setTimeout` 回调、I/O 操作回调、UI 渲染事件等。每次事件循环迭代，通常只处理一个Macrotask，然后清空Microtask Queue，再处理下一个Macrotask。
Execution Context Stack	调用栈 (Call Stack)	存储当前正在执行的函数调用的数据结构。当栈中只包含平台代码（即非JavaScript代码，如事件循环本身或宿主API）时，意味着同步JavaScript代码执行完毕，此时可以安全地执行微任务。

通过这张表格，我们可以清晰地看到，当我们在浏览器或Node.js环境中谈论“Microtask Queue”时，它在ECMAScript规范层面，指的就是用于处理PromiseJobs的“Job Queue”。Promise/A+规范中关于“onFulfilled或onRejected必须在执行上下文栈只包含平台代码时才可被调用”的规则，正是通过将这些回调作为PromiseJobs推入Microtask Queue来实现的。

实际应用与最佳实践

理解Promise的调度机制，对于编写健壮、高性能的JavaScript代码至关重要。

避免微任务饥饿（Microtask Starvation）：虽然微任务优先级高，但如果在一个宏任务中创建了过多的、复杂的Promise链，可能会导致Microtask Queue长时间不空，从而延迟页面渲染或下一个宏任务的执行。在极端情况下，这可能导致UI卡顿。
区分setTimeout(fn, 0)和Promise.resolve().then(fn)：
- setTimeout(fn, 0) 将fn调度为宏任务，它会在当前宏任务执行完毕，并且所有微任务清空后，才会被执行。
- Promise.resolve().then(fn) 将fn调度为微任务，它会在当前宏任务执行完毕后，但在任何新的宏任务开始之前，立即被执行。
  选择哪种方式取决于你希望任务在何时被执行，以及它是否需要阻塞下一轮渲染或下一个事件。
```
console.log('Start deferral');
```
setTimeout(() => {
console.log(‘Timeout callback (Macrotask)’);
}, 0);

Promise.resolve().then(() => {
console.log(‘Promise callback (Microtask)’);
});

console.log(‘End deferral’);

// Output:
// Start deferral
// End deferral
// Promise callback (Microtask)
// Timeout callback (Macrotask)
错误处理的及时性：由于Promise的catch回调也是微任务，这意味着即使一个Promise被立即拒绝，其错误处理也总是异步的。这有助于保持代码的一致性。
async/await的性能考量：虽然async/await极大地提升了代码可读性，但它并没有改变Promise的底层调度机制。每次await一个已解决的Promise时，await后的代码都会被调度为一个微任务。如果在一个循环中频繁地await已解决的Promise，可能会产生大量的微任务，这需要注意。

异步编程的同步底座

Promise/A+规范与Microtask调度器之间的关系，揭示了JavaScript异步编程的一个核心真理：看似并发的异步操作，实际上是在一个严格的、单线程的同步执行模型之上，通过精密的调度机制来模拟和管理并发。Microtask Queue作为事件循环的关键组成部分，赋予了Promise回调以高优先级和确定性的执行时机，从而保证了复杂的异步流程能够以可预测的方式运行。理解这一机制，是我们驾驭JavaScript异步编程能力，编写高性能、可维护代码的关键所在。

JavaScript异步编程的演进与Promise的崛起

JavaScript的执行模型：事件循环与任务队列

Promises/A+规范：Promise行为的黄金准则

Promise的内部机制与Microtask调度器

代码示例：深入理解调度顺序

ECMAScript规范中的Job Queue与Microtask Queue的对应关系

实际应用与最佳实践

异步编程的同步底座

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