写一个 JavaScript 框架（二）

这是写一个 JavaScript 框架系列的第二篇。在这个章节中，我将会阐明多种在浏览器中执行异步代码的方式。你们将会了解到事件轮询，各种调度技巧的区别，比如 setTimeout 和 Promises。

这个系列是关于一个叫 NX 的开源客户端框架。在这个系列中，主要是阐明在开发框架过程中遇见的一些我已克服的难题。如果你对 NX 感兴趣，请阅览NX 主页。

这个系列包括以下几个章节：

项目结构
调度执行（当前章节）
沙箱求值
数据绑定简介
用 ES6 Proxy 实现数据绑定
自定义元素
客户端路由

可能大部分的人都熟悉用 Promise , process.nextTick(), setTimeout() 以及 requestAnimationFrame() 执行异步代码。它们都会在内部执行事件的轮询，但是在时间精度上表现出来的差异性十分明显。

这个章节里，我将会解释它们之间的区别，然后向你们展示 NX 是如何实现一个时间系统的。我们不会重新造一个轮子，我们将使用原生的事件轮询去达成我们的目标。

事件轮询

事件轮询不仅仅是在 ES6 标准提及，JavaScript 有它自己的任务和任务队列。更复杂的事件轮询在 NodeJS 和 HTML5 标准中有具体说明。由于这是另一个关于前端的系列，我会在后续的文章中提及。

事件轮询之所以叫轮询的原因是，它会不断地循环寻找新的任务去执行。轮询的一次迭代我们称为一个时刻，在这个时刻中执行的代码我们称为一次任务。

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while (eventLoop.waitForTask()) {
  eventLoop.processNextTask();
}

在轮询中，一次任务的代码是可以安排其他任务同步执行的。一种简单的手动编程方式去安排一个新的任务是使用 setTimeout(taskFn)。尽管如此，任务的来源是多种多样的，比如用户行为，网络请求或者 DOM 操作。

任务队列

事情更加复杂一点的话，事件轮询可以有多个任务队列。这里有两个限制，同一类的任务必须来自于同一个任务队列，并且任务在每个队列中必须是以插入顺序去执行。除去这些，用户可以自由的做他所想的事。比如，他可以决定下一次执行哪个任务队列。

while (eventLoop.waitForTask()) {
  const taskQueue = eventLoop.selectTaskQueue();
  if (taskQueue.hasNextTask()) {
    taskQueue.processNextTask();
  }
}

在这个模型中，我们放松了对时间精度的控制。在我们的任务使用 setTimeout() 之前，浏览器可能已经决定完全清空好几个其他的任务队列了。

微任务队列

幸运的是，事件轮询还拥有一种单独的队列叫微任务队列。它在每个时刻的任务执行完成之后会完全清空。

while (eventLoop.waitForTask()) {
  const taskQueue = eventLoop.selectTaskQueue();
  if (taskQueue.hasNextTask()) {
    taskQueue.processNextTask();
  }
  const microTaskQueue = eventLoop.microTaskQueue;
  while (microTaskQueue.hasNextMicroTask()) {
    microTaskQueue.processNextMicroTask();
  }
}

最简单的安排一次微任务的方式是 Promise.resolve().then(microtaskFn)。微任务是以插入顺序执行的，由于这里只有一个微队列，这个时候用户是不会混淆我们的。

此外，微任务可以安排新的微任务插入到同一个队列，并在同一个时刻处理。

渲染

最后一件被遗落的事情是渲染计划。不同于事件的处理和分析，渲染并不是由一个单独的后台任务完成的。它是一种可以运行在每一个轮询时刻最后面的算法。
用户因此又拥有许多自由：可以在每个任务之后渲染，也可以让许多任务不用去执行渲染。
幸运的是，我们有 requestAnimationFrame()，它在下一次渲染之前执行传递的函数。最终我们的事件模型看上去是这样的：

while (eventLoop.waitForTask()) {
  const taskQueue = eventLoop.selectTaskQueue();
  if (taskQueue.hasNextTask()) {
    taskQueue.processNextTask();
  }
  const microTaskQueue = eventLoop.microTaskQueue;
  if (microTaskQueue.hasNextTask()) {
    microTaskQueue.processNextMicroTask();
  }
  if (shouldRender()) {
    applyScrollResizeAndCSS();
    runAnimationFrames();
    render();
  }
}

现在让我们用所有的知识去建立一个调度系统。

使用事件轮询

和大部分现代框架一样，NX 在后台处理 DOM 操作和数据绑定。NX 分批处理这些操作，并且为了更好的性能，异步执行他们。为了能安排好处理这些操作，NX 依赖于 Promises, MutationObservers & requestAnimationFrame()。

预期的安排有如下：

来自开发者的业务代码；
NX 的数据绑定 & DOM 的回应操作；
用户定义的钩子函数；
客户端的渲染；

步骤一

NX 同步完成 ES6 Proxies 注册对象 & MutationObserver 完成 DOM 变化观察者(这些知识大部分都在下一个章节)。为了优化性能的反馈事件可以通过作为微任务延迟完成。为了观察对象变化的事件可以使用 Promise.resolve().then(reaction) 延迟实现，并且通过 MutationObserver (它在内部会调用微任务)自动执行。

步骤二

当用户的业务代码执行完成后，通过 NX 注册的响应微任务开始执行。因为它们是微任务，所以它们是按照顺序执行的。需要提醒的是，我们目前仍然是在同一个轮询的时刻里面。

步骤三

NX 用 requestAnimationFrame(hook) 运行用户传递进来的钩子事件。这个可能发生在下一个轮询的时刻。最重要的是，这些钩子事件运行于下一次渲染之前，所有数据、DOM & CSS 变化已经被处理之后。

步骤四

浏览器渲染下一个页面。这个仍然可能发生在下一个轮询时刻，但是它不能发生在上一个步骤的时刻之前。

需要牢记于心的事情

我们刚刚基于原生的轮询之上实现了一个简单但是高效的调度系统。理论上它是可以正常工作的，但是调度是非常容易出错的，一些轻微的误差可能造成严重的bug。

在一个复杂的系统中，设立一些调度规则，并且一直坚持是非常重要的。对于 NX，我有以下几个规则：

永远不要在内部操作中使用 setTimeout(Fn, 0);
用同一个方法注册微任务；
微任务只用于存储内部操作；
不要用任何事情去污染开发者的钩子函数执行。

规则 1 & 2

数据和 DOM 操作上的响应行为应该按照变化的顺序执行，为了不造成执行顺序混淆，即使延迟执行也是 👌 的。混淆执行顺序使事情变得难以把握并且难以究其原因。setTimeout(Fn, 0) 就是完全不可预测的。
通过不同的方式注册微任务也会造成执行顺序混淆，比如下面的案例：微任务2错误的在微任务1之前执行了。

1 2	Promise.resolve().then().then(microtask1) Promise.resolve().then(microtask2)

Rule 3 & 4

区分开发者的任务代码和系统内部操作是非常重要的。将这两个行为混淆在一起可能会导致一些意料之外的行为，而且它还可能会导致开发者不得不去了解框架内部的工作机制。我相信许多前端开发人员已经有过类似的体验了。

结论

如果你对 NX 框架感兴趣，可以参阅主页。热衷于探索的读者可以在GitHub Repo参阅源码。

我希望你能认为这一篇好的文章，下次将会讨论沙箱求值。