JavaScript：同步、異步和事件循環
一. 單線程
我們常說“JavaScript是單線程的”。
所謂單線程，是指在JS引擎中負責解釋和執行JavaScript代碼的線程只有一個。不妨叫它主線程。
但是實際上還存在其他的線程。例如：處理AJAX請求的線程、處理DOM事件的線程、定時器線程、讀寫文件的線程(例如在Node.js中)等等。這些線程可能存在于JS引擎之內，也可能存在于JS引擎之外，在此我們不做區分。不妨叫它們工作線程。
二. 同步和異步
假設存在一個函數A：
A(args...);
同步：如果在函數A返回的時候，調用者就能夠得到預期結果(即拿到了預期的返回值或者看到了預期的效果)，那么這個函數就是同步的。
例如：
Math.sqrt(2);
console.log('Hi'); -
第一個函數返回時，就拿到了預期的返回值：2的平方根。
-
第二個函數返回時，就看到了預期的效果：在控制臺打印了一個字符串。
所以這兩個函數都是同步的。
異步：如果在函數A返回的時候，調用者還不能夠得到預期結果，而是需要在將來通過一定的手段得到，那么這個函數就是異步的。
例如：
fs.readFile('foo.txt', 'utf8', function(err, data) {
console.log(data);
}); 在上面的代碼中，我們希望通過fs.readFile函數讀取文件foo.txt中的內容，并打印出來。
但是在fs.readFile函數返回時，我們期望的結果并不會發生，而是要等到文件全部讀取完成之后。如果文件很大的話可能要很長時間。
下面以AJAX請求為例，來看一下同步和異步的區別：
>> 異步AJAX：
主線程：“你好，AJAX線程。請你幫我發個HTTP請求吧，我把請求地址和參數都給你了。”
AJAX線程：“好的，主線程。我馬上去發，但可能要花點兒時間呢，你可以先去忙別的。”
主線程：：“謝謝，你拿到響應后告訴我一聲啊。”
(接著，主線程做其他事情去了。一頓飯的時間后，它收到了響應到達的通知。)
>> 同步AJAX：
主線程 ：“你好，AJAX線程。請你幫我發個HTTP請求吧，我把請求地址和參數都給你了。”
AJAX線程：“......”
主線程：：“喂，AJAX線程，你怎么不說話？”
AJAX線程：“......”
主線程：“喂！喂喂喂！”
AJAX線程：“......”
(一炷香的時間后)
主線程：：“喂！求你說句話吧！”
AJAX線程：“主線程，不好意思，我在工作的時候不能說話。你的請求已經發完了，拿到響應數據了，給你。”
正是由于JavaScript是單線程的，而異步容易實現非阻塞，所以在JavaScript中對于耗時的操作或者時間不確定的操作，使用異步就成了必然的選擇。異步是這篇文章關注的重點。
三. 異步過程的構成要素
從上文可以看出， 異步函數 實際上很快就調用完成了。但是后面還有工作線程執行異步任務、通知主線程、主線程調用回調函數等很多步驟。我們把整個過程叫做 異步過程 。異步函數的調用在整個異步過程中，只是一小部分。
總結一下，一個異步過程通常是這樣的：
主線程發起一個異步請求，相應的工作線程接收請求并告知主線程已收到(異步函數返回)；主線程可以繼續執行后面的代碼，同時工作線程執行異步任務；工作線程完成工作后，通知主線程；主線程收到通知后，執行一定的動作(調用回調函數)。
異步函數通常具有以下的形式：
A(args..., callbackFn)
它可以叫做異步過程的發起函數，或者叫做異步任務注冊函數。 args 是這個函數需要的參數。 callbackFn 也是這個函數的參數，但是它比較特殊所以單獨列出來。
所以，從主線程的角度看，一個異步過程包括下面兩個要素：
-
發起函數(或叫注冊函數)A
-
回調函數 callbackFn
它們都是在主線程上調用的，其中注冊函數用來發起異步過程，回調函數用來處理結果。
舉個具體的例子：
setTimeout(fn, 1000);
其中的 setTimeout 就是異步過程的發起函數， fn 是回調函數。
注意：前面說的形式 A(args..., callbackFn) 只是一種抽象的表示，并不代表回調函數一定要作為發起函數的參數，例如：
var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.onreadystatechange = xxx; // 添加回調函數
xhr.open('GET', url);
xhr.send(); // 發起函數 發起函數和回調函數就是分離的。
四. 消息隊列和事件循環
上文講到，異步過程中，工作線程在異步操作完成后需要通知主線程。那么這個通知機制是怎樣實現的呢？答案是利用消息隊列和事件循環。
用一句話概括：
工作線程將消息放到消息隊列，主線程通過事件循環過程去取消息。
-
消息隊列：消息隊列是一個先進先出的隊列，它里面存放著各種消息。
-
事件循環：事件循環是指主線程重復從消息隊列中取消息、執行的過程。
實際上，主線程只會做一件事情，就是從消息隊列里面取消息、執行消息，再取消息、再執行。當消息隊列為空時，就會等待直到消息隊列變成非空。而且主線程只有在將當前的消息執行完成后，才會去取下一個消息。這種機制就叫做事件循環機制，取一個消息并執行的過程叫做一次循環。
事件循環用代碼表示大概是這樣的：
while(true) {
var message = queue.get();
execute(message);
} 那么，消息隊列中放的消息具體是什么東西？消息的具體結構當然跟具體的實現有關，但是為了簡單起見，我們可以認為：
消息就是注冊異步任務時添加的回調函數。
再次以異步AJAX為例，假設存在如下的代碼：
$.ajax('http://segmentfault.com', function(resp) {
console.log('我是響應：', resp);
});
// 其他代碼
...
...
... 主線程在發起AJAX請求后，會繼續執行其他代碼。AJAX線程負責請求segmentfault.com，拿到響應后，它會把響應封裝成一個JavaScript對象，然后構造一條消息：
// 消息隊列中的消息就長這個樣子
var message = function () {
callbackFn(response);
} 其中的 callbackFn 就是前面代碼中得到成功響應時的回調函數。
主線程在執行完當前循環中的所有代碼后，就會到消息隊列取出這條消息(也就是 message 函數)，并執行它。到此為止，就完成了工作線程對主線程的 通知 ，回調函數也就得到了執行。如果一開始主線程就沒有提供回調函數，AJAX線程在收到HTTP響應后，也就沒必要通知主線程，從而也沒必要往消息隊列放消息。
用圖表示這個過程就是：
從上文中我們也可以得到這樣一個明顯的結論，就是：
異步過程的回調函數，一定不在當前這一輪事件循環中執行。
五. 異步與事件
上文中說的“事件循環”，為什么里面有個 事件 呢？那是因為：
消息隊列中的每條消息實際上都對應著一個事件。
上文中一直沒有提到一類很重要的異步過程：DOM事件。
舉例來說：
var button = document.getElement('#btn');
button.addEventListener('click', function(e) {
console.log();
}); 從事件的角度來看，上述代碼表示：在按鈕上添加了一個鼠標單擊事件的事件監聽器；當用戶點擊按鈕時，鼠標單擊事件觸發，事件監聽器函數被調用。
從異步過程的角度看， addEventListener 函數就是異步過程的發起函數，事件監聽器函數就是異步過程的回調函數。事件觸發時，表示異步任務完成，會將事件監聽器函數封裝成一條消息放到消息隊列中，等待主線程執行。
事件的概念實際上并不是必須的，事件機制實際上就是異步過程的通知機制。我覺得它的存在是為了編程接口對開發者更友好。
另一方面，所有的異步過程也都可以用事件來描述。例如： setTimeout 可以看成對應一個 時間到了 的事件。前文的 setTimeout(fn, 1000 ); 可以看成：
timer.addEventListener('timeout', 1000, fn); 六. 生產者與消費者
從生產者與消費者的角度看，異步過程是這樣的：
工作線程是生產者，主線程是消費者(只有一個消費者)。工作線程執行異步任務，執行完成后把對應的回調函數封裝成一條消息放到消息隊列中；主線程不斷地從消息隊列中取消息并執行，當消息隊列空時主線程阻塞，直到消息隊列再次非空。
PS：ECMAScript 262規范中，并沒有對異步、事件隊列等概念及其實現的描述。這些都是具體的JavaScript運行時環境使用的機制。本文重點是描述異步過程的原理，為了便于理解做了很多簡化。所以文中的某些術語的使用可能是不準確的，具體細節也未必是正確的，例如消息隊列中消息的結構。請讀者注意。