浏览器通过内置的JavaScript引擎,读取网页中的代码,对其处理后运行。
JavaScript代码嵌入网页的方法
在网页中嵌入JavaScript代码有多种方法。
直接添加代码块
通过script标签,可以直接将JavaScript代码嵌入网页。
1 <script> 2 // some JavaScript code 3 </script>
加载外部脚本
script标签也可以指定加载外部的脚本文件。
<script src="example.js"></script>
如果脚本文件使用了非英语字符,还应该注明编码。
<script charset="utf-8" src="example.js"></script>
加载外部脚本和直接添加代码块,这两种方法不能混用。下面代码的console.log语句直接被忽略。
<script charset="utf-8" src="example.js"> console.log(‘Hello World!‘); </script>
行内代码
除了上面两种方法,HTML语言允许在某些元素的事件属性和a元素的href属性中,直接写入JavaScript。
1 <div onclick="alert(‘Hello‘)"></div> 2 3 <a href="javascript:alert(‘Hello‘)"></a>
这种写法将HTML代码与JavaScript代码混写在一起,非常不利于代码管理,不建议使用。
外部脚本的加载
网页底部加载
加载外部脚本时,浏览器会暂停页面渲染,等待脚本下载并执行完成后,再继续页面渲染。这被称为“阻塞效应”。
这是因为JavaScript代码可能会修改页面,所以必须等它执行完才能接着渲染。由于这个原因,如果某段代码的下载或执行时间特别长,浏览器就会呈现“假死”状态,失去响应。为了避免这种情况,较好的做法是将script标签都放在页面底部,而不是头部。
将脚本文件都放在网页尾部加载,还有一个好处。在DOM结构生成之前就调用DOM,JavaScript会报错,如果脚本都在网页尾部加载,就不存在这个问题,因为这时DOM肯定已经生成了。
1 <head> 2 <script> 3 console.log(document.body.innerHTML); 4 </script> 5 </head>
上面代码执行时会报错,因为此时body元素还未生成。
一种解决方法是设定DOMContentLoaded事件的回调函数。
1 <head> 2 <script> 3 document.addEventListener("DOMContentLoaded", function(event) { 4 console.log(document.body.innerHTML); 5 }); 6 </script> 7 </head>
但是,如果将脚本放在页面底部,连回调函数也不用写了。
1 <body> 2 <!-- 其他代码 --> 3 <script> 4 console.log(document.body.innerHTML); 5 </script> 6 </body>
load事件
当script标签指定的外部脚本文件下载和解析完成,会触发一个load事件,可以为这个事件指定回调函数。
1 <script src="jquery.min.js" ></script>
多个脚本的加载
如果有多个script标签,比如下面这样:
<script src="1.js"></script> <script src="2.js"></script>
浏览器会同时平行下载1.js和2.js,但是执行时会保证先执行1.js,然后再执行2.js,即使后者先下载完成,也是如此。也就是说,脚本的执行顺序由它们在页面中的出现顺序决定,这是为了保证脚本之间的依赖关系不受到破坏。
当然,加载这两个脚本都会产生“阻塞效应”,必须等到它们都加载完成,浏览器才会继续页面渲染。
此外,对于来自同一个域名的资源,比如脚本文件、样式表文件、图片文件等,浏览器一般最多同时下载六个。如果是来自不同域名的资源,就没有这个限制。所以,通常把静态文件放在不同的域名之下,以加快下载速度。
defer属性
为了解决脚本文件下载阻塞网页渲染的问题,一个方法是加入defer属性。
<script src="1.js" defer></script> <script src="2.js" defer></script>
有了defer属性,浏览器下载脚本文件的时候,不会阻塞页面渲染。下载的脚本文件在DOMContentLoaded事件触发前执行(即刚刚读取完</html>标签),而且可以保证执行顺序就是它们在页面上出现的顺序。但是,浏览器对这个属性的支持不够理想,IE(<=9)还有一个bug,无法保证2.js一定在1.js之后执行。
对于内置而不是连接外部脚本的script标签,以及动态生成的script标签,defer属性不起作用。
async属性
解决“阻塞效应”的另一个方法是加入async属性。
<script src="1.js" async></script> <script src="2.js" async></script>
async属性可以保证脚本下载的同时,浏览器继续渲染。一旦渲染完成,再执行脚本文件,即“异步执行”。需要注意的是,一旦采用这个属性,就无法保证脚本的执行顺序。哪个脚本先下载结束,就先执行那个脚本。IE 10支持async属性,低于这个版本的IE都不支持。
如果同时使用async和defer属性,后者不起作用,浏览器行为由async属性决定。
脚本的动态嵌入
除了用静态的script标签,还可以动态嵌入script标签。
[‘1.js‘, ‘2.js‘].forEach(function(src) { var script = document.createElement(‘script‘); script.src = src; document.head.appendChild(script); });
这种方法的好处是,动态生成的script标签不会阻塞页面渲染,也就不会造成浏览器假死。但是问题在于,这种方法无法保证脚本的执行顺序,哪个脚本文件先下载完成,就先执行哪个。
如果想避免这个问题,可以设置async属性为false。
1 [‘1.js‘, ‘2.js‘].forEach(function(src) { 2 var script = document.createElement(‘script‘); 3 script.src = src; 4 script.async = false; 5 document.head.appendChild(script); 6 });
上面的代码依然不会阻塞页面渲染,而且可以保证2.js在1.js后面执行。不过需要注意的是,在这段代码后面加载的脚本文件,会因此都等待2.js执行完成后再执行。
此外,动态嵌入还有一个地方需要注意。动态嵌入必须等待CSS文件加载完成后,才会去下载外部脚本文件。静态加载就不存在这个问题,script标签指定的外部脚本文件,都是与CSS文件同时并发下载的。
加载使用的协议
如果不指定协议,浏览器默认采用HTTP协议下载。
<script src="example.js"></script>
上面的example.js默认就是采用http协议下载,如果要采用HTTPs协议下载,必需写明(假定服务器支持)。
<script src="https://example.js"></script>
但是有时我们会希望,根据页面本身的协议来决定加载协议,这时可以采用下面的写法。
<script src="//example.js"></script>
JavaScript虚拟机
JavaScript是一种解释型语言,也就是说,它不需要编译,可以由解释器实时运行。这样的好处是运行和修改都比较方便,刷新页面就可以重新解释;缺点是每次运行都要调用解释器,系统开销较大,运行速度慢于编译型语言。为了提高运行速度,目前的浏览器都将JavaScript进行一定程度的编译,生成类似字节码(bytecode)的中间代码,以提高运行速度。
早期,浏览器内部对JavaScript的处理过程如下:
- 读取代码,进行词法分析(Lexical analysis),将代码分解成词元(token)。
- 对词元进行语法分析(parsing),将代码整理成“语法树”(syntax tree)。
- 使用“翻译器”(translator),将代码转为字节码(bytecode)。
- 使用“字节码解释器”(bytecode interpreter),将字节码转为机器码。
逐行解释将字节码转为机器码,是很低效的。为了提高运行速度,现代浏览器改为采用“即时编译”(Just In Time compiler,缩写JIT),即字节码只在运行时编译,用到哪一行就编译哪一行,并且把编译结果缓存(inline cache)。通常,一个程序被经常用到的,只是其中一小部分代码,有了缓存的编译结果,整个程序的运行速度就会显著提升。
不同的浏览器有不同的编译策略。有的浏览器只编译最经常用到的部分,比如循环的部分;有的浏览器索性省略了字节码的翻译步骤,直接编译成机器码,比如chrome浏览器的V8引擎。
字节码不能直接运行,而是运行在一个虚拟机(Virtual Machine)之上,一般也把虚拟机称为JavaScript引擎。因为JavaScript运行时未必有字节码,所以JavaScript虚拟机并不完全基于字节码,而是部分基于源码,即只要有可能,就通过JIT(just in time)编译器直接把源码编译成机器码运行,省略字节码步骤。这一点与其他采用虚拟机(比如Java)的语言不尽相同。这样做的目的,是为了尽可能地优化代码、提高性能。下面是目前最常见的一些JavaScript虚拟机:
- [Chakra](http://en.wikipedia.org/wiki/Chakra_(JScript_engine\))(Microsoft Internet Explorer)
- Nitro/JavaScript Core (Safari)
- Carakan (Opera)
- SpiderMonkey (Firefox)
- [V8](http://en.wikipedia.org/wiki/V8_(JavaScript_engine\)) (Chrome, Chromium)
单线程模型
Event Loop
JavaScript采用单线程模型,也就是说,所有的任务都在一个线程里运行。这意味着,一次只能运行一个任务,其他任务都必须在后面排队等待。
JavaScript之所以采用单线程,而不是多线程,跟历史有关系。JavaScript从诞生起就是单线程。原因大概是不想让浏览器变得太复杂,因为多线程需要共享资源、且有可能修改彼此的运行结果,对于一种网页脚本语言来说,这就太复杂了。后来就约定俗成,JavaScript为一种单线程语言。(Worker API可以实现多线程,但是JavaScript本身始终是单线程的。)
单线程模型带来了一些问题,主要是新的任务被加在队列的尾部,只有前面的所有任务运行结束,才会轮到它执行。如果有一个任务特别耗时,后面的任务都会停在那里等待,造成浏览器失去响应,又称“假死”。为了避免“假死”,当某个操作在一定时间后仍无法结束,浏览器就会跳出提示框,询问用户是否要强行停止脚本运行。
为了解决这个问题,JavaScript采用了Event Loop机制。
想要理解Event Loop,就要从程序的运行模式讲起。运行以后的程序叫做"进程"(process),一般情况下,一个进程一次只能执行一个任务。如果有很多任务需要执行,不外乎三种解决方法。
- 排队。因为一个进程一次只能执行一个任务,只好等前面的任务执行完了,再执行后面的任务。
- 新建进程。使用fork命令,为每个任务新建一个进程。
- 新建线程。因为进程太耗费资源,所以如今的程序往往允许一个进程包含多个线程,由线程去完成任务。
如果某个任务很耗时,比如涉及很多I/O(输入/输出)操作,那么线程的运行大概是下面的样子。
上图的绿色部分是程序的运行时间,红色部分是等待时间。可以看到,由于I/O操作很慢,所以这个线程的大部分运行时间都在空等I/O操作的返回结果。这种运行方式称为"同步模式"(synchronous I/O)。
如果采用多线程,同时运行多个任务,那很可能就是下面这样。
上图表明,多线程不仅占用多倍的系统资源,也闲置多倍的资源,这显然不合理。
Event Loop就是为了解决这个问题而提出的。Wikipedia这样定义:
"Event Loop是一个程序结构,用于等待和发送消息和事件。(a programming construct that waits for and dispatches events or messages in a program.)"
简单说,就是在程序中设置两个线程:一个负责程序本身的运行,称为"主线程";另一个负责主线程与其他进程(主要是各种I/O操作)的通信,被称为"Event Loop线程"(可以译为"消息线程")。
上图主线程的绿色部分,还是表示运行时间,而橙色部分表示空闲时间。每当遇到I/O的时候,主线程就让Event Loop线程去通知相应的I/O程序,然后接着往后运行,所以不存在红色的等待时间。等到I/O程序完成操作,Event Loop线程再把结果返回主线程。主线程就调用事先设定的回调函数,完成整个任务。
可以看到,由于多出了橙色的空闲时间,所以主线程得以运行更多的任务,这就提高了效率。这种运行方式称为"异步模式"(asynchronous I/O)。
这正是JavaScript语言的运行方式。单线程模型虽然对JavaScript构成了很大的限制,但也因此使它具备了其他语言不具备的优势。如果部署得好,JavaScript程序是不会出现堵塞的,这就是为什么node.js平台可以用很少的资源,应付大流量访问的原因。
setTimeout方法
除了将等待I/O操作的时间移出主线程,JavaScript还提供了其他一些方法,避免“假死”。最常见的就是用 setTimeout 和 setInterval 方法,将耗时的任务移到任务队列(其实就是Event Loop)的尾部,在较晚的时间运行。
先来看setTimeout方法,它的作用是推迟某个任务的运行时间,从而改变JavaScript的正常执行顺序。
console.log(1);
console.log(2);
console.log(3);
正常情况下,上面三行语句按照顺序执行,输出1--2--3。现在,用setTimeout改变执行顺序。
console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},1000);
console.log(3);
上面代码的输出结果就是1--3--2,因为setTimeout方法指定第二行语句,在所有任务结束后,等待1000毫秒再执行。
setTimeout方法的前两个参数是必需的。第一个参数是回调函数,第二个参数是推迟执行的时间,单位为毫秒。除了这两个参数以外,其他参数都是可选的,将在回调函数运行时传入回调函数。
setTimeout(function(a,b){console.log(a+b);},1000,1,1);
上面代码表示,将在1000毫秒之后执行回调函数,输出1加1的和。
IE小于9.0的版本,只允许setTimeout有两个参数,不支持更多的参数。这时有三种解决方法,第一种是自定义setTimeout,使用apply方法将参数输入回调函数;第二种是在一个匿名函数里面,让回调函数带参数运行,再把匿名函数输入setTimeout;第三种使用bind方法,把多余的参数绑定在回调函数上面,生成一个新的函数输入setTimeout。
除了参数问题,setTimeout还有一个需要注意的地方:被setTimeout推迟执行的回调函数是在全局环境执行,这有可能不同于函数定义时的上下文环境。
1 var n = 1; 2 3 var o = { 4 n: 2, 5 m: function(){console.log(this.n);} 6 }; 7 8 var timeoutID = setTimeout(o.m,1000);
上面代码输出的是1,而不是2,这表示回调函数的运行环境已经变成了全局环境。
setInterval方法
setInterval方法的使用格式和需要注意的地方,与setTimeout完全一致,两者的区别仅仅在于setInterval指定某个任务每隔一段时间就执行一次。
1 setInterval(function(){console.log(2);},1000);
上面代码表示每隔1000毫秒就输出一个2。
除了前两个参数,setInterval 方法还可以接受更多的参数,它们会传入回调函数。
1 function f(){ 2 for (var i=0;i<arguments.length;i++){ 3 console.log(arguments[i]); 4 } 5 } 6 7 setInterval(f, 1000, "Hello World");
上面代码的运行结果如下:
Hello World
Hello World
Hello World
...
如果网页不在浏览器的当前窗口(或tab),许多浏览器限制setInteral指定的反复运行的任务最多每秒执行一次。
clearTimeout 和 clearInterval 方法,
setTimeout 和 setInterval 方法都返回一个表示计数器编号的整数值,将该整数传入clearTimeout 和 clearInterval 方法,就可以取消指定的操作。
1 var id1 = setTimeout(f,1000); 2 var id2 = setInterval(f,1000); 3 4 clearTimeout(id1); 5 clearInterval(id2);
下面是一个clearTimeout实际应用的例子。有些网站会实时将用户在文本框的输入,通过Ajax方法传回服务器,用jQuery表示就是下面的写法。
$(‘textarea‘).on(‘keydown‘, ajaxAction);
这样写有一个很大的缺点,就是如果用户连续击键,就会连续触发keydown事件,造成大量的Ajax通信。这是不必要的,而且很可能会发生性能问题。正确的做法应该是,设置一个门槛值,表示两次Ajax通信的最小间隔时间。如果在设定的时间内,发生新的keydown事件,则不触发Ajax通信,并且重新开始计时。如果过了指定时间,没有发生新的keydown事件,将进行Ajax通信将数据发送出去。
这种做法叫做debounce(防抖动)方法,用来返回一个新函数。只有当两次触发之间的时间间隔大于事先设定的值,这个新函数才会运行实际的任务。假定两次Ajax通信的间隔不小于2500毫秒,上面的代码可以改写成下面这样。
$(‘textarea‘).on(‘keydown‘, debounce(ajaxAction, 2500))
利用setTimeout和clearTimeout,可以实现debounce方法。
1 function debounce(fn, delay){ 2 var timer = null; // 声明计时器 3 return function(){ 4 var context = this, args = arguments; 5 clearTimeout(timer); 6 timer = setTimeout(function(){ 7 fn.apply(context, args); 8 }, delay); 9 }; 10 }
运行队列
本质上,setTimeout和setInterval都是把任务添加到“运行队列”的尾部,等到前面的任务都执行完,再开始执行。由于前面的任务到底需要多少时间执行完,是不确定的,所以没有办法保证,被推迟的任务一定会按照预定时间执行。
setTimeout(someTask,100);
veryLongTask();
上面代码的setTimeout,指定100毫秒以后运行一个任务。但是,如果后面立即运行的任务非常耗时,过了100毫秒还无法结束,那么被推迟运行的someTask就只有等着,等到前面的veryLongTask运行结束,才轮到它执行。
这一点对于setInterval影响尤其大。
setInterval(function(){console.log(2);},1000);
(function (){ sleeping(3000);})();
上面的第一行语句要求每隔1000毫秒,就输出一个2。但是,第二行语句需要3000毫秒才能完成,请问会发生什么结果?
结果就是等到第二行语句运行完成以后,立刻连续输出三个2,然后开始每隔1000毫秒,输出一个2。也就是说,setIntervel具有累积效应,如果某个操作特别耗时,超过了setInterval的时间间隔,排在后面的操作会被累积起来,然后在很短的时间内连续触发,这可能或造成性能问题(比如集中发出Ajax请求)。
为了进一步理解JavaScript的单线程模型,请看下面这段伪代码。
1 function init(){ 2 { 耗时5ms的某个操作 } 3 触发mouseClickEvent事件 4 { 耗时5ms的某个操作 } 5 setInterval(timerTask,10); 6 { 耗时5ms的某个操作 } 7 } 8 9 function handleMouseClick(){ 10 耗时8ms的某个操作 11 } 12 13 function timerTask(){ 14 耗时2ms的某个操作 15 }
请问调用init函数后,这段代码的运行顺序是怎样的?
- 0-15ms:运行init函数。
- 15-23ms:运行handleMouseClick函数。请注意,这个函数是在5ms时触发的,应该在那个时候就立即运行,但是由于单线程的关系,必须等到init函数完成之后再运行。
- 23-25ms:运行timerTask函数。这个函数是在10ms时触发的,规定每10ms运行一次,即在20ms、30ms、40ms等时候运行。由于20ms时,JavaScript线程还有任务在运行,因此必须延迟到前面任务完成时再运行。
- 30-32ms:运行timerTask函数。
- 40-42ms:运行timerTask函数。
由于setInterval无法保证每次操作之间的间隔,存在累积效应,为了避免这个问题,可以反复调用setTimeout,替代setInterval。
1 var recursive = function () { 2 console.log("It has been one second!"); 3 setTimeout(recursive,1000); 4 } 5 6 recursive();
上面这样的写法,就能保证两次recursive之间的运行间隔,一定是1000毫秒。
另一种方法是自己部署一个函数,模拟setInterval的效果。
1 function interval(func, wait){ 2 var interv = function(w){ 3 return function(){ 4 setTimeout(interv, w); 5 func.call(null); 6 } 7 }(wait); 8 9 setTimeout(interv, wait); 10 } 11 12 interval(function(){console.log(2);},1000);
上面代码部署了一个interval函数,用循环调用setTimeout模拟了setInterval。
推迟时间的极限和setTimeout(f,0)的作用
跟据HTML 5标准,setTimeOut推迟执行的时间,最少是4毫秒。但是,实际应用中,可以看到有推迟0秒的。
setTimeout(function (){console.log("你好!"), 0);
这种写法的含义是,当前任务队列一结束就运行setTimeout指定的回调函数。
1 console.log("任务队列开始"); 2 3 setTimeout(function() { console.log("任务队列结束后运行");}, 0); 4 5 function a(x) { 6 console.log("a() 开始运行"); 7 b(x); 8 console.log("a() 结束运行"); 9 } 10 11 function b(y) { 12 console.log("b() 开始运行"); 13 console.log("传入的值为" + y); 14 console.log("b() 结束运行"); 15 } 16 17 console.log("当前任务开始"); 18 a(42); 19 console.log("任务队列结束");
上面代码的运行结果如下:
任务队列开始
当前任务开始
a() 开始运行
b() 开始运行
传入的值为42
b() 结束运行
a() 结束运行
任务队列结束
任务队列结束后运行
可以看到,setTimeout(function, 0)将任务移到当前任务队列结束后运行。
浏览器内部使用32位带符号的整数,来储存推迟执行的时间。这意味着setTimeout最多只能推迟执行2147483647毫秒(24.8天),超过这个时间会发生溢出,导致回调函数将在当前任务队列结束后立即执行,即等同于setTimeout(f,0)的效果。
本质上,setTimeout(f, 0)这种写法反映了JavaScript单线程运行的特点。但是,现在的计算机CPU普遍是多核的,单线程就意味着只使用一核。这当然没有充分利用资源,所以HTML5提供了Web Worker,允许通过这个API实现多线程操作。