【javaScript】setTimeout、Promise、Async/Await 执行顺序（精）

注：本篇文章运行环境为当前最新版本的谷歌浏览器（72.0.3626.109）

最近看到这样一道有关事件循环的前端面试题：

//请写出输出内容
async function async1() {
    console.log('async1 start');
    await async2();
    console.log('async1 end');
}
async function async2() {
	console.log('async2');
}

console.log('script start');

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

async1();

new Promise(function(resolve) {
    console.log('promise1');
    resolve();
}).then(function() {
    console.log('promise2');
});
console.log('script end');

输出结果：

script start
async1 start
async2
promise1
script end
async1 end
promise2
setTimeout

这道题主要考察的是事件循环中函数执行顺序的问题，其中包括async ，await，setTimeout，Promise函数。下面来说一下本题中涉及到的知识点。

任务队列概念

首先我们需要明白以下几件事情：

• JS分为同步任务和异步任务
• 同步任务都在主线程上执行，形成一个执行栈
• 主线程之外，事件触发线程管理着一个任务队列，只要异步任务有了运行结果，就在任务队列之中放置一个事件
• 一旦执行栈中的所有同步任务执行完毕（此时JS引擎空闲），系统就会读取任务队列，将可运行的异步任务添加到可执行栈中，开始执行

根据规范，事件循环是通过任务队列的机制来进行协调的。一个 Event Loop 中，可以有一个或者多个任务队列(task queue)，一个任务队列便是一系列有序任务(task)的集合；每个任务都有一个任务源(task source)，源自同一个任务源的 task 必须放到同一个任务队列，从不同源来的则被添加到不同队列。 setTimeout/Promise 等API便是任务源，而进入任务队列的是他们指定的具体执行任务

事件循环（Event Loop）

概念：
JS主线程不断的循环往复的从任务队列中读取任务，执行任务，这中运行机制称为事件循环（event loop）。

注意：
每一个 event loop 都有一个 microtask queue
每个 event loop 会有一个或多个macrotaks queue ( 也可以称为task queue )
一个任务 task 可以放入 macrotask queue 也可以放入 microtask queue中
每一次event loop，会首先执行 microtask queue， 执行完成后，会提取 macrotask queue 的一个任务加入 microtask queue， 接着继续执行microtask queue，依次执行下去直至所有任务执行结束。

宏任务（macrotasks）

概念：
(macro)task（又称之为宏任务），可以理解是每次执行栈执行的代码就是一个宏任务（包括每次从事件队列中获取一个事件回调并放到执行栈中执行）

流程：
浏览器为了能够使得JS内部(macro)task与DOM任务能够有序的执行，会在一个(macro)task执行结束后，在下一个(macro)task 执行开始前，对页面进行重新渲染，流程如下：

(macro) task -> 渲染 -> (macro) task -> …

API：
(macro)task主要包含：script(整体代码)、setTimeout、setInterval、I/O、UI交互事件、postMessage、MessageChannel、setImmediate(Node.js 环境)

• macrotasks
  setTimeout
  setImmerdiate
  setInterval
  I/O
  UI 渲染

微任务（microtasks）

概念：
microtask（又称为微任务），可以理解是在当前 task 执行结束后立即执行的任务。也就是说，在当前task任务后，下一个task之前，在渲染之前。

流程：
所以它的响应速度相比setTimeout（setTimeout是task）会更快，因为无需等渲染。也就是说，在某一个macrotask执行完后，就会将在它执行期间产生的所有microtask都执行完毕（在渲染前）

(macro) task -> (micro) task -> 渲染 -> (macro) task -> …

API：
microtask主要包含：Promise.then、MutaionObserver、process.nextTick(Node.js 环境)

• microtasks
  process.nextTick
  promise
  Object.observe (废弃)
  MutationObserver

运行机制

在事件循环中，每进行一次循环操作称为 tick，每一次 tick 的任务处理模型是比较复杂的，但关键步骤如下：

• 执行一个宏任务（栈中没有就从事件队列中获取）
• 执行过程中如果遇到微任务，就将它添加到微任务的任务队列中
• 宏任务执行完毕后，立即执行当前微任务队列中的所有微任务（依次执行）
• 当前宏任务执行完毕，开始检查渲染，然后GUI线程接管渲染
• 渲染完毕后，JS线程继续接管，开始下一个宏任务（从事件队列中获取）

流程图如下：

Promise和async中的立即执行

我们知道Promise中的异步体现在then和catch中，所以写在Promise中的代码是被当做同步任务立即执行的。而在async/await中，在出现await出现之前，其中的代码也是立即执行的。那么出现了await时候发生了什么呢？

await做了什么

从字面意思上看await就是等待，await 等待的是一个表达式，这个表达式的返回值可以是一个promise对象也可以是其他值。

很多人以为await会一直等待之后的表达式执行完之后才会继续执行后面的代码，实际上await是一个让出线程的标志。await后面的表达式会先执行一遍，将await后面的代码加入到microtask中，然后就会跳出整个async函数来执行后面的代码

回顾：

由于因为async await 本身就是promise+generator的语法糖。所以await后面的代码是microtask。所以对于本题中的第一掉题中可以这样变形：

async function async1() {
	console.log('async1 start');
	await async2();
	console.log('async1 end');
}

等价于

async function async1() {
	console.log('async1 start');
	Promise.resolve(async2()).then(() => {
                console.log('async1 end');
        })
}

剖析本题

以上就本道题涉及到的所有相关知识点了，下面我们再回到这道题来一步一步看看怎么回事儿。

1. 首先，事件循环从宏任务(macrotask)队列开始，这个时候，宏任务队列中，只有一个script(整体代码)任务；当遇到任务源(task source)时，则会先分发任务到对应的任务队列中去。所以，上面例子的第一步执行如下图所示：
   

2. 然后我们看到首先定义了两个async函数，接着往下看，然后遇到了 console 语句，直接输出 script start。输出之后，script 任务继续往下执行，遇到 setTimeout，其作为一个宏任务源，则会先将其任务分发到对应的队列中：
   

3. script 任务继续往下执行，执行了async1()函数，前面讲过async函数中在await之前的代码是立即执行的，所以会立即输出async1 start。

   遇到了await时，会将await后面的表达式执行一遍，所以就紧接着输出async2，然后将await后面的代码也就是console.log('async1 end')加入到microtask中的Promise队列中，接着跳出async1函数来执行后面的代码：
   

4. script任务继续往下执行，遇到Promise实例。由于Promise中的函数是立即执行的，而后续的 .then 则会被分发到 microtask 的 Promise 队列中去。所以会先输出 promise1，然后执行 resolve，将 promise2 分配到对应队列：
   

5. script任务继续往下执行，最后只有一句输出了 script end，至此，全局任务就执行完毕了。

   根据上述，每次执行完一个宏任务之后，会去检查是否存在 Microtasks；如果有，则执行 Microtasks 直至清空 Microtask Queue。

   因而在script任务执行完毕之后，开始查找清空微任务队列。此时，微任务中， Promise 队列有的两个任务async1 end和promise2，因此按先后顺序输出 async1 end，promise2。当所有的 Microtasks 执行完毕之后，表示第一轮的循环就结束了。

6. 第二轮循环依旧从宏任务队列开始。此时宏任务中只有一个 setTimeout，取出直接输出即可，至此整个流程结束。

下面我会改变一下代码来加深印象。

变式一

在第一个变式中我将async2中的函数也变成了Promise函数，代码如下：

async function async1() {
    console.log('async1 start');
    await async2();
    console.log('async1 end');
}
async function async2() {
    //async2做出如下更改：
    new Promise(function(resolve) {
    console.log('promise1');
    resolve();
}).then(function() {
    console.log('promise2');
    });
}
console.log('script start');

setTimeout(function() {
    console.log('setTimeout');
}, 0)
async1();

new Promise(function(resolve) {
    console.log('promise3');
    resolve();
}).then(function() {
    console.log('promise4');
});

console.log('script end');

可以先自己看看输出顺序会是什么，下面来公布结果：

script start
async1 start
promise1
promise3
script end
promise2
async1 end
promise4
setTimeout

在第一次macrotask执行完之后，也就是输出script end之后，会去清理所有microtask。所以会相继输出promise2， async1 end ，promise4，其余不再多说

变式二（变形）

在第二个变式中，我将async1中await后面的代码和async2的代码都改为异步的，代码如下：

async function async1() {
    console.log('async1 start');
    await async2();
    //更改如下：
    setTimeout(function() {
        console.log('setTimeout1')
    },0)
}
async function async2() {
    //更改如下：
	setTimeout(function() {
		alert('setTimeout2')
	},0)
}
console.log('script start');

setTimeout(function() {
    console.log('setTimeout3');
}, 100)
async1();

new Promise(function(resolve) {
    console.log('promise1');
    resolve();
}).then(function() {
    console.log('promise2');
});
console.log('script end');

输出结构：

script start
async1 start
promise1
script end
promise2
(执行setTimeout2对应的逻辑，此时为阻断式，只有用户交互确认后再执行下面的定时器)
setTimeout1
setTimeout3

在输出为promise2之后，接下来会按照加入setTimeout队列的顺序来依次输出，通过代码我们一开始放入队列的顺序是setTimeout3 -> setTimeout2 -> setTimeout1，执行的时候也是按顺序执行，但是并不是等待上一个定时器执行完成在进行下一个定时器的执行，此时是看谁先执行就谁先输出，此时通过代码可以知道 setTimeout2 -> setTimeout1都是立即执行的，按照顺序先执行 setTimeout2，但这里的逻辑是阻断式的alert，所以只有交互结束，才会继续执行剩下的定时器，最后根据定时时间依次输出setTimeout1 -> setTimeout3

变式三

变式三是我在一篇面经中看到的原题，整体来说大同小异，代码如下：

async function a1 () {
    console.log('a1 start')
    await a2()
    console.log('a1 end')
}
async function a2 () {
    console.log('a2')
}

console.log('script start')

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

Promise.resolve().then(() => {
    console.log('promise1')
})

a1()

let promise2 = new Promise((resolve) => {
    resolve('promise2.then')
    console.log('promise2')
})

promise2.then((res) => {
    console.log(res)
    Promise.resolve().then(() => {
        console.log('promise3')
    })
})
console.log('script end')

无非是在微任务那块儿做点文章，前面的内容如果你都看懂了的话这道题一定没问题的，这里也可以在这里进行变形：

let promise2 = new Promise((resolve) => {
    resolve('promise2.then')
    console.log('promise2')
})

promise2.then((res) => {
    console.log(res)
    Promise.resolve().then(() => {
        console.log('promise3')
    })
})

等价于

new Promise((resolve) => {  
    console.log('promise2')
    resolve();
}).then(() => {
	Promise.resolve().then(() => {
        console.log('promise2.then')
    })
}).then(() => {
	Promise.resolve().then(() => {
        console.log('promise3')
    })
})

结果如下：

script start
a1 start
a2
promise2
script end
promise1
a1 end
promise2.then
promise3
setTimeout

参考文章

• 从一道题浅说 JavaScript 的事件循环
• 理解 JavaScript 的 async/await