# 17 | 消息队列：V8是怎么实现回调函数的？

    你好，我是李兵。

我们在使用JavaScript时，经常要用到大量的回调函数，比如在浏览器中可以使用setTimeout来设置定时器，使用XMLHTTPRequest来异步下载资源文件，在Node中可以使用readFile来读取文件，这些操作都有一个共同的特点，那就是需要给调用API传入回调函数，然后浏览器或者Node会将执行处理的结果通过回调函数来触发。

从内部了解回调函数，可以帮助我们梳理清楚很多问题：

*   有助于我们理解浏览器中的Web API到底是怎么工作的；
*   有助于我们理解宏任务和微任务到底有哪些区别；
*   理解回调函数，是理解异步编程模型async/await的基础。

这些内容在我们实际的项目中都会频繁使用到，所以理解V8是怎么实现回调函数的就显得至关重要了。

## 什么是回调函数？

那究竟什么是回调函数呢？其实回调函数也是个函数，就像白马也是马一样。它具有函数的所有特征，它可以有参数和返回值。如果单独给出一个函数，你是看不出来它是不是回调函数的。回调函数区别于普通函数，在于它的调用方式。只有当某个函数被作为参数，传递给另外一个函数，或者传递给宿主环境，然后该函数在函数内部或者在宿主环境中被调用，我们才称为回调函数。

具体地讲，回调函数有两种不同的形式，同步回调和异步回调。通常，我们需要将回调函数传入给另外一个执行函数，那么同步回调和异步回调的最大区别在于**同步回调函数是在执行函数内部被执行的，而异步回调函数是在执行函数外部被执行的。**

我们先看一个同步回调的例子，你可以先看下面这段代码：

```
var myArray = ["water", "goods", "123", "like"];
function handlerArray(indexName,index){
    console.log(index + 1 + ". " + indexName); 
}
myArray.forEach(handlerArray)

```

在这段代码中，我们通过JavaScript自带的forEach方法来枚举数字中的每个项，这里的逻辑很简单：

*   调用forEach时，需要使用回调函数handlerArray作为其参数；
*   在forEach方法内部，会遍历myArray数组，每遍历一次都会调用一次回调函数handlerArray。

因为handlerArray是forEach的参数，而且handlerArray是在forEach函数内部执行，所以这是一个同步回调。

和同步回调函数不同的是，异步回调函数并不是在它的执行函数内部被执行的，而是在其他的位置和其他的时间点被执行的，比如下面这段setTimeout代码：

```
function foo() {
    alert("Hello");
}
setTimeout(foo, 3000)

```

在这段代码中，我们使用了setTimeout函数，setTimeout的第一个参数foo就是一个回调函数，V8执行setTimeout时，会立即返回，等待3000毫秒之后，foo函数才会被V8调用，foo函数并不是在setTimeout函数内部被执行的，所以这是一个异步回调。

对于同步回调函数的执行时机，我们理解起来比较简单，就是回调函数在执行函数内部被执行，那么异步回调函数在什么时机和什么位置被调用的呢？

要解释清楚这个问题，我们就需要了解V8在运行时的线程模型，因为这涉及到了消息队列，事件循环等概念，这些概念都和线程模型是直接相关的，所以接下来我们就先来分析下V8的线程架构模型。

## UI线程的宏观架构

早期浏览器的页面是运行在一个单独的UI线程中的，所以要在页面中引入JavaScript，那么JavaScript也必须要运行在和页面相同的线程上，这样才能方便使用JavaScript来操纵DOM，所以从一开始，JavaScript就被设计成了运行在UI线程中。

所谓UI线程，是指运行窗口的线程，当你运行一个窗口时，无论该页面是Windows上的窗口系统，还是Android或者iOS上的窗口系统，它们都需要处理各种事件，诸如有触发绘制页面的事件，有鼠标点击、拖拽、放大缩小的事件，有资源下载、文件读写的事件，等等。

在页面线程中，当一个事件被触发时，比如用户使用鼠标点击了页面，系统需要将该事件提交给UI线程来处理。

在大部分情况下，UI线程并不能立即响应和处理这些事件，比如在你在移动鼠标的过程中，每移动一个像素都会产生一个事件，所以鼠标移动的事件会频繁地被触发。在这种情况下，页面线程可能正在处理前一个事件，那么最新的事件就无法被立即执行。

针对这种情况，我们为UI线程提供一个消息队列，并将这些待执行的事件添加到消息队列中，然后UI线程会不断循环地从消息队列中取出事件、执行事件。**我们把UI线程每次从消息队列中取出事件，执行事件的过程称为一个任务。**整个流程大致如下所示：

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/b5/e1/b5c6a4cd613d262047a4339adb4eb8e1.jpg "通用UI线程架构")

我们可以用一段JavaScript代码来模拟下这个过程：

```
function UIMainThread() {
    while (queue.waitForMessage()) {
        Task task = queue.getNext()
        processNextMessage(task)
    }
}

```

在这段代码中，queue是消息队列，queue.waitForMessage()会同步地等待消息队列中的消息到达，如果当前没有任何消息等待被处理，则这个函数会将UI线程挂起。如果消息队列中有消息，则使用queue.getNext()取出下一个要执行的消息，并交由processNextMessage函数来处理消息。

这就是通用的UI线程的结构，有消息队列，通过鼠标、键盘、触控板等产生的消息都会被添加进消息队列，主线程会循环地从消息队列中取出消息并执行。

## 异步回调函数的调用时机

理解了UI线程的基础架构模型，下面我们就可以来解释下异步函数的执行时机了。

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/87/44/874d4d0f49645dc211899b224f146644.jpg)

比如在页面主线程中正在执行A任务，在执行A任务的过程中调用setTimeout(foo, 3000)，在执行setTimeout函数的过程中，宿主就会将foo函数封装成一个事件，并添加到消息队列中，然后setTimeout函数执行结束。

主线程会不间断地从消息队列中取出新的任务，执行新的任务，等到时机合适，便取出setTimeout设置的foo函数的回调的任务，然后就可以直接执行foo函数的调用了。

通过分析，相信你已经发现了，通过setTimeout的执行流程其实是比较简单的，在setTimeout函数内部封装回调消息，并将回调消息添加进消息队列，然后主线程从消息队列中取出回调事件，并执行。

还有一类比较复杂一点的流程，最典型的是通过XMLHttpRequest所触发的回调，它和setTimeout有一些区别。

因为XMLHttpRequest是用来下载网络资源的，但是实际的下载过程却并不适合在主线程上执行，因为下载任务会消耗比较久的时间，如果在UI线程上执行，那么会阻塞UI线程，这就会拖慢UI界面的交互和绘制的效果。所以当主线程从消息队列中取出来了这类下载任务之后，会将其分配给网络线程，让其在网络线程上执行下载过程，这样就不会影响到主线程的执行了。

那么下面我们就来分析下XMLHttpRequest是怎么触发回调函数的？具体流程你可以参看下图：

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/94/42/942abef74c09cb43c0ffc94d0e836142.jpg "处理下载事件")

结合上图，我们就可以来分析下通用的UI线程是如何处理下载事件的，大致可以分为以下几步：

1.  UI线程会从消息队列中取出一个任务，并分析该任务。
2.  分析过程中发现该任务是一个下载请求，那么主线程就会将该任务交给网络线程去执行。
3.  网络线程接到请求之后，便会和服务器端建立连接，并发出下载请求；
4.  网络线程不断地收到服务器端传过来的数据；
5.  网络线程每次接收到数据时，都会将设置的回调函数和返回的数据信息，如大小、返回了多少字节、返回的数据在内存中存放的位置等信息封装成一个新的事件，并将该事件放到消息队列中;
6.  UI线程继续循环地读取消息队列中的事件，如果是下载状态的事件，那么UI线程会执行回调函数，程序员便可以在回调函数内部编写更新下载进度的状态的代码；
7.  直到最后接收到下载结束事件，UI线程会显示该页面下载完成。

这就是XMLHttpRequest所触发的回调流程，除了下载以外，JavaScript中获取系统设备信息、文件读取等都是采用了类似的方式来实现的，因此，理解了XMLHttpRequest的执行流程，你也就理解了这一类异步API的执行流程了。

## 总结

今天我们介绍了V8是如何执行回调函数的。回调函数有两种类型：同步回调和异步回调，同步回调函数是在执行函数内部被执行的，而异步回调函数是在执行函数外部被执行的。

那么，搞清楚异步回调函数在什么时机被执行就非常关键了。为了理清楚这个问题，我们分析了通用UI线程宏观架构。UI线程提供一个消息队列，并将待执行的事件添加到消息队列中，然后UI线程会不断循环地从消息队列中取出事件、执行事件。

关于异步回调，这里也有两种不同的类型，其典型代表是setTimeout和XMLHttpRequest。

setTimeout的执行流程其实是比较简单的，在setTimeout函数内部封装回调消息，并将回调消息添加进消息队列，然后主线程从消息队列中取出回调事件，并执行回调函数。

XMLHttpRequest稍微复杂一点，因为下载过程需要放到单独的一个线程中去执行，所以执行XMLHttpRequest.send的时候，宿主会将实际请求转发给网络线程，然后send函数退出，主线程继续执行下面的任务。网络线程在执行下载的过程中，会将一些中间信息和回调函数封装成新的消息，并将其添加进消息队列中，然后主线程从消息队列中取出回调事件，并执行回调函数。

## 思考题

分析Node中的readFileSync和readFile函数，其中一个是同步读文件操作，另外一个是异步读文件操作，这两段代码如下所示：

```
var fs = require('fs')
var data = fs.readFileSync('test.js')

```

```
fs.readFile('test.txt', function(err, data){
    data.toString()  
})

```

那么请你分别分析下它们的执行流程。欢迎你在留言区与我分享讨论。

感谢你的阅读，如果你觉得这一讲的内容对你有所启发，也欢迎把它分享给你的朋友。