Node.js 的微任务处理（基于Node.js V17）

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前言：Node.js 的事件循环已经老生常谈，但是在 Node.js 的执行流程中，事件循环并不是全部，在事件循环之外，微任务的处理也是核心节点，比如 nextTick 和 Promise 任务的处理。本文介绍 Node.js 中微任务处理的相关内容。网上文章和很多面试题中有很多关于 Promise、nextTick、setTimeout 和 setImmediate 执行顺序的内容。通过本文，让你从原理上理解他们，碰到相关的问题就引刃而解，不再拘泥于背诵和记录。

1 事件循环

本文不打算详细地讲解事件循环，因为已经有很多相关文章，而且本身也不是很复杂的流程。事件循环本质上是一个消费者和生产者的模型，我们可以理解事件循环的每一个阶段都维护了一个任务队列，然后在事件循环的每一轮里就会去消费这些任务，那就是执行回调，然后在回调里又可以生产任务，从而驱动整个事件循环的运行。当事件循环里没有生产者的时候，系统就会退出。而有些生产者会 hold 住事件循环从而让整个系统不会退出，比如我们启动了一个 TCP 服务器。事件循环处理了 Node.js 中大部分的执行流程，但是并不是全部。

2 微任务

Node.js 中，典型的微任务包括 nexiTick 和 Promise。官网说 nextTick 任务会在继续事件循环之前被处理，描述得比较宏观，下面我们来看一下具体的实现细节。微任务的处理时机分为两个时间点。1. 定义 C++ InternalCallbackScope 对象，在对象析构时。2. 主动调 JS 函数 runNextTicks。

2.1 InternalCallbackScope

下面先看一下 InternalCallbackScope。通常在需要处理微任务的地方定义一个 InternalCallbackScope 对象，然后执行一些其他的代码，最后退出作用域。

{ 
    InternalCallbackScope scope 
    // some code 
 
} // 退出作用域，析构 

下面看一下 InternalCallbackScope 析构函数的逻辑。

InternalCallbackScope::~InternalCallbackScope() { 
  Close(); 
 
} 
 
void InternalCallbackScope::Close() { 
 
 tick_callback->Call(context, process, 0, nullptr); 
 
} 

在析构函数里会执行 tick_callback 函数。我们看看这个函数是什么。

static void SetTickCallback(const FunctionCallbackInfo<Value>& args) { 
  Environment* env = Environment::GetCurrent(args); 
  CHECK(args[0]->IsFunction()); 
  env->set_tick_callback_function(args[0].As<Function>()); 
 
} 

tick_callback 是由 SetTickCallback 设置的。

setTickCallback(processTicksAndRejections); 

我们可以看到通过 setTickCallback 设置的这个函数是 processTicksAndRejections。

function processTicksAndRejections() { 
  let tock; 
  do { 
    while (tock = queue.shift()) { 
      const callback = tock.callback; 
      callback(); 
    } 
    runMicrotasks(); 
  } while (!queue.isEmpty() || processPromiseRejections()); 
 
} 

processTicksAndRejections 正是处理微任务的函数，包括 tick 和 Promise 任务。现在我们已经了解了 InternalCallbackScope 对象的逻辑。那么下面我们来看一下哪里使用了这个对象。第一个地方是在 Node.js 初始化时，执行完用户 JS 后，进入事件循环前。看看相关代码。

我们看到在 Node.js 初始化时，执行用户 JS 后，进入事件循环前会处理一次微任务，所以我们在自己的初始化 JS 里调用了 nextTick 的话，就会在这时候被处理。第二个地方是每次从 C、C++ 层执行 JS 层回调时。

MaybeLocal<Value> AsyncWrap::MakeCallback(const Local<Function> cb, 
                                          int argc, 
                                          Local<Value>* argv) { 
  ProviderType provider = provider_type(); 
  async_context context { get_async_id(), get_trigger_async_id() }; 
  MaybeLocal<Value> ret = InternalMakeCallback( 
      env(), object(), object(), cb, argc, argv, context); 
  return ret; 
 
} 

MakeCallback 是 C、C++ 层回调 JS 层的函数，这个函数里又调用一个 InternalMakeCallback。

MaybeLocal<Value> InternalMakeCallback(Environment* env, 
                                       Local<Object> resource, 
                                       Local<Object> recv, 
                                       const Local<Function> callback, 
                                       int argc, 
                                       Local<Value> argv[], 
                                       async_context asyncContext) { 
 
  // 定义 InternalCallbackScope 
  InternalCallbackScope scope(env, resource, asyncContext, flags); 
  // 执行 JS 层回调 
  callback->Call(context, recv, argc, argv); 
  // 处理微任务 
  scope.Close(); 
 
} 

我们看到 InternalMakeCallback 里定义了一个 InternalCallbackScope，然后在回调完 JS 函数后会调用 InternalCallbackScope 对象的 Close 进行微任务的处理。

以上是典型的处理时机。另外在某些地方也会定义 InternalCallbackScope 对象，具体可在源码里搜索。

2.2 runNextTicks

刚才介绍了每次事件循环消费任务时，就会去遍历每一个阶段的任务队列，然后逐个执行任务节点对应的回调。执行回调的时候，就会从 C 到 C++ 层，然后再到 JS 层，执行完 JS 代码后，会再次回调 C++ 层，C++ 层会进行一次微任务的处理，处理完后再回到 C 层，继续执行下一个任务节点的回调，以此类推。这看起来覆盖了所有的情况，但是有两个地方比较特殊，那就是 setTimeout 和 setImmediate。其他的任务都是一个节点对应一个 C、C++ 和 JS 回调，所以如果在 JS 回调里产生的微任务，在回到 C++ 层的时候就会被处理。但是为了提高性能，Node.js 的定时器和 setImmediate 在实现上是一个底层节点管理多个 JS 回调。这里以定时器为例，Node.js 在底层使用了一个 Libuv 的定时器节点管理 JS 层的所有定时器，并在 JS 层里维护了所有的定时器节点，然后把 Libuv 定时节点的超时时间设置为 JS 层最快到期的节点的时间，这样就会带来一个问题。就是当有定时器超时，Libuv 从 C、C++ 回调 JS 层时，JS 层会直接处理所有的超时节点后再回到 C++ 层，这时候才有机会处理微任务。这会导致 setTimeout 里产生的微任务没有在宏任务(setTimeout 的回调)执行完后被处理。这就不符合规范了。所以这个地方还需要特殊处理一下。我们看看相关的代码。

function processTimers(now) { 
    nextExpiry = Infinity; 
    let list; 
    let ranAtLeastOneList = false; 
    while (list = timerListQueue.peek()) { 
      if (list.expiry > now) { 
        nextExpiry = list.expiry; 
        return refCount > 0 ? nextExpiry : -nextExpiry; 
      } 
      // 处理 listOnTimeout 最后一个回调里产生的微任务 
      if (ranAtLeastOneList) 
        runNextTicks(); 
      else 
        ranAtLeastOneList = true; 
      listOnTimeout(list, now); 
    } 
    return 0; 
} 
 
function listOnTimeout(list, now) { 
    let ranAtLeastOneTimer = false; 
    let timer; 
    while (timer = L.peek(list)) { 
      // 处理微任务 
      if (ranAtLeastOneTimer) 
        runNextTicks(); 
      else 
        ranAtLeastOneTimer = true; 
      // 执行 setTimeout 回调 
      timer._onTimeout(); 
    } 
 
} 

定时器的架构如下。

Node.js 在 JS 层维护了一个树，每个节点管理一个列表，处理超时事件时，就会遍历这棵树的每个节点，然后再遍历这个节点对应队列里的每个节点。而上面的代码就是保证在每次调用完一个 setTimeout 回调时，都会处理一次微任务。同样 setImmediate 任务也是类似的。

let ranAtLeastOneImmediate = false; 
 while (immediate !== null) { 
   if (ranAtLeastOneImmediate) 
     runNextTicks(); 
   else 
     ranAtLeastOneImmediate = true; 
 
  immediate._onImmediate(); 
  immediate = immediate._idleNext; 
 } 

以上的补偿处理就保证了宏任务和微任务的处理能符合预期。