如何理解JS的多线程

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基础知识

首先我们回顾下操作系统的知识，即：

  • 为什么会出现进程和线程的概念，他们的出现是为了解决什么问题
  • 进程和线程的概念与定义
  • 线程的调度
  • 线程的同步与互斥
  • 死锁问题

进程与线程的由来

要解释这个问题，要从操作系统的分类和发展历程来讲，我们平时接触比较多的计算机都是基于时间片进行调度的分时系统，但其实操作系统还有其他很多种类型，分时操作系统并不是一开始就有的，同样进程和线程的概念也不是一开始就有的。
操作系统的大致发展历程如下，我们简单了解下就好：

  • 手工操作阶段（此阶段无操作系统）
  • 批处理操作系统
    • 单道批处理系统
    • 多道批处理系统
  • 分时操作系统
  • 实时操作系统
    • 硬实时操作系统
    • 软实时操作系统
  • 网络操作系统和分布式操作系统

上面不同的操作系统的资源调度算法都不尽相同，比如人硬实时系统就不是基于时间片调度的，他是基于优先级的。我们主要关注单道操作系统到多道操作系统的变换。

对于单道操作系统来讲，没必要出现进程和线程的概念，它就是按次序执行作业，不存在一段时间内多个作业并行的情况。

当然我们我们也能看出单道操作系统的问题，就是各种计算机资源利用效率很低，比如一个作业在等待I/O的时候，CPU是空闲的。

为了提高各种资源的利用效率，提出了多道批处理系统，这也是操作系统复杂度的一个很重要的来源：

  • 因为要并发，就存在程序的切换，切换之前要从备选项中选择一个进行运行，这个选择的过程就是调度，有多种不同的调度算法，比如FCFS，SJF，时间片等等。
  • 因为并发带来了异步性，各个程序的执行顺序是不确定的，所有可能会对临界资源产生争抢，为了避免这种争抢，我们提出了互斥锁；另一种情况是我们需要某些程序按一定的顺序执行，所以我们提出了同步的概念。
  • 因为互斥锁的提出，导致可能出现死锁的问题，比如A程序申请了P资源，等待Q资源，而B程序申请了Q资源但是在等待P资源，A和B之间就形成了循环依赖且二者都不愿意放弃到手资源，那么A和B程序之间就形成了死锁。

为了描述上面的调度，互斥，同步，死锁问题，我们需要引入一个新的概念描述程序执行过程中状态，并且在程序切换时保存当时执行的上下文，这个概念就是进程。

然后后面我们发现相比于其他资源，CPU资源的调度非常频繁，所以我们单独为CPU调度抽取出一个概念，叫做线程。

进程与线程的概念

到现在，我们有这么几个概念：

  • 作业：可以理解为我们硬盘上的一个个还没执行的程序
  • 进程：出了CPU之外的资源调度基本单位。当我们选择执行一个程序时，就是为该作业申请内存等资源，然后进程默认会启动一个线程，用于申请CPU资源
  • 线程：CPU调度的基本单位。同一个进程的线程共享同一套资源，比如同一个内存空间，也就是说同一个进程的线程之间的数据是可以直接修改的

线程又分为内核级线程（KLT）和用户级线程（ULT），内核级线程意思就是说，操作系统中真的存在多个线程，线程的切换需要用到操作系统的原语进行上下文的切换，寄存器等的保存与装载等等，我们确实切换了线程；而用户级线程的意思则是说，操作系统本身完全没有感知到线程切换，我们是在线程内部自己模拟了寄存器等的切换，二者各有各的好处，后者有时候也被称为协程，它的好处就是切换消耗少，不需要用到操作系统的中断处理来进行上下文切换，缺点就是并不能发挥多核处理器优势，因为不管你有多少个线程，在操作系统看起来都是一个。

线程的调度算法

  • FCFS，先来先服务算法，属于不可剥夺算法，不适用于分时系统和实时系统。表面上对所有作业是公平的，但是如果一个长作业先到了系统，就会是后面的短作业等待很长时间
  • SJF，短作业优先算法。对长作业不利，而且可能会导致长作业“饥饿”
  • 优先级调度算法，按照高优先级作业到达是否中断当前作业分为抢占式和非抢占式，按照优先级是否可以在运行时改变分为静态优先级和动态优先级
  • 高响应比优先算法。响应比=（等待时间+要求服务时间）/ 要求服务时间
  • 时间片轮转调度算法。
  • 多级队列调度算法。针对不同的CPU设置多个队列，每个队列采取不同的调度算法
  • 多级反馈队列调度算法

同步与互斥

同步是直接制约关系，比如A就是要比B先执行，而互斥是间接制约关系，比如A和B都要使用唯一的打印机资源，A占用了，B就只能阻塞。
临界区实现互斥的基本方法

软件方法

  1. 单标志法
  2. 双标志法
  3. 双标志后检查法
  4. Peterson’s Algorithm

硬件实现方法

  1. 中断屏蔽算法：关中断，因为CPU只有在中断时可以进行进程切换，关中断可以直接阻止一切的进程切换
  2. 硬件指令方法：TestAndSet

互斥锁（mutex lock）

一个进程在进入临界区时获得锁，在退出临界区时释放锁

信号量

信号量机制是一种功能较强的机制，可以用来解决互斥与同步问题，只能被两个标准的原语wait和signal访问，也可记录为P操作和V操作，分为两种：

  • 整型信号量
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wait(S) {
    while(S <=0);
    S = S - 1;
}

signal(S) {
    S = S + 1;
}
  • 记录型信号量
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wait(semaphore S) {
    S.value--;
    if (S.value < 0) {
        add this process to S.L;
        block(S.L)
    }
}

signal(semaphore S) {
    S.value++;
    if (S.value <= 0) {
        remove a process P from S.L;
        wakeup(P)
    }
}

四核八线程是什么意思

我们总是会提到一个计算机是四核八线程，这是个什么概念呢？

我们刚才说到的，无论是单道还是多道操作系统，它的并发都是基于只有一个CPU核心的基础上的，也就是说它在同一时刻，只能有一个程序在执行，只有一个程序计数器。

我们要实现真正意义上的多个程序在同一时刻执行，方法就是多几个CPU核心，也就是这里说的四核。

理论上四个核心就只能有四个线程并行，之所以出现四核八线程，其实还是一个核上模拟了两个核心，让上层操作系统以为它有八个核心而已，实际上还是4个核心。这是计算机虚拟技术的一种实现。

理解JS的多线程

Web Worker

理解了多线程的概念后，我们可以来说JS的多线程Web Workers 了。

HTML5引入了Web Workers，让JS支持线程。

JS的多线程是OS级别的 ，也就是说JS的多线程是真的多线程，也就是上面说的内核级线程 。

JS没有线程同步的概念

JS的多线程无法操作DOM，没有window对象，每个线程的数据都 是独立的。主线程传给子线程的数据是通过拷贝复制，同样的子线程 给主线程的数据也是通过拷贝复制，而不是共享同一块内存区域。

从这一点来看，JS的多线程并不属于同一个进程，或者说是内部有什么隔离机制

所以Web Workers基本上出不了什么错。

在主逻辑里面fun1和fun2的调用是连在一起的，它是一个执行单 元，要么还没执行，要么得一口气执行完。执行完之后，再执行 setTimout append到后面的。然后由于已经超过了setInterval定的20ms， 所以又马上执行setInterval的函数。这里可以看出setTimeout的计时是从 逻辑单元执行完了才开始计时，而setInterval是执行到这一行的时候就 开始计时了。

单线程里面的特例如异步回调，异步回调是Chrome自己的IO线程 处理的，每发一个请求必须要有一个线程跟着，Chrome限制了同一个 域最多同时只能发6个请求

Chrome的多线程模型

我们从click事件来看一下Chrome的线程模式是怎么样的

每开一个tab，Chrome就会创建一个进程，进程是线程的容器 ，同一个域名的Tab是同一个进程

首先用户单击了鼠标，浏览器的UI线程收到之后，把这个消息数 据封装成一个鼠标事件发送给IO线程，IO线程再分配给具体页面的渲 染线程。其中IO线程和UI线程是浏览器的线程，而渲染线程是每个页 面自己的线程。

如果在执行一段很耗时的JS代码，渲染线程里的render线程将会被 堵塞，而main线程继续接收IO线程发过来的消息并排队，等待render线 程处理。也就是说当页面卡住的时候，不断地单击鼠标，等页面空闲 了，单击的事件会再继续触发。