写一个 JavaScript 框架：比 setTimeout 更棒的定时执行

这个系列是关于一个开源的客户端框架，叫做 NX。在这个系列里，我主要解释一下写该框架不得不克服的主要困难。如果你对 NX 感兴趣可以参观我们的 主页。

这个系列包含以下几个章节：

1. 项目结构
2. 定时执行 (当前章节)
3. 沙箱代码评估
4. 数据绑定介绍
5. 数据绑定与 ES6 代理
6. 自定义元素
7. 客户端路由

异步代码执行

你可能比较熟悉 Promise、process.nextTick()、setTimeout()，或许还有requestAnimationFrame() 这些异步执行代码的方式。它们内部都使用了事件循环，但是它们在精确计时方面有一些不同。

在这一章里，我将解释它们之间的不同，然后给大家演示怎样在一个类似 NX 这样的先进框架里面实现一个定时系统。不用我们重新做一个，我们将使用原生的事件循环来达到我们的目的。

事件循环

事件循环甚至没有在 ES6 规范里提到。JavaScript 自身只有任务（Job）和任务队列（job queue）。更加复杂的事件循环是在 NodeJS 和 HTML5 规范里分别定义的，因为这篇是针对前端的，我会在详细说明后者。

事件循环可以被看做某个条件的循环。它不停的寻找新的任务来运行。这个循环中的一次迭代叫做一个滴答（tick）。在一次滴答期间执行的代码称为一次任务（task）。

1. while (eventLoop.waitForTask()) {
2. eventLoop.processNextTask()
3. }

任务是同步代码，它可以在循环中调度其它任务。一个简单的调用新任务的方式是setTimeout(taskFn)。不管怎样， 任务可能有很多来源，比如用户事件、网络或者 DOM 操作。

任务队列

更复杂一些的是，事件循环可以有多个任务队列。这里有两个约束条件，相同任务源的事件必须在相同的队列，以及任务必须按插入的顺序进行处理。除此之外，浏览器可以做任何它想做的事情。例如，它可以决定接下来处理哪个任务队列。

1. while (eventLoop.waitForTask()) {
2. const taskQueue = eventLoop.selectTaskQueue()
3. if (taskQueue.hasNextTask()) {
4. taskQueue.processNextTask()
5. }
6. }

用这个模型，我们不能精确的控制定时。如果用 setTimeout()浏览器可能决定先运行完其它几个队列才运行我们的队列。

微任务队列

幸运的是，事件循环还提供了一个叫做微任务（microtask）队列的单一队列。当前任务结束的时候，微任务队列会清空每个滴答里的任务。

1. while (eventLoop.waitForTask()) {
2. const taskQueue = eventLoop.selectTaskQueue()
3. if (taskQueue.hasNextTask()) {
4. taskQueue.processNextTask()
5. }
7. const microtaskQueue = eventLoop.microTaskQueue
8. while (microtaskQueue.hasNextMicrotask()) {
9. microtaskQueue.processNextMicrotask()
10. }
11. }

最简单的调用微任务的方法是 Promise.resolve().then(microtaskFn)。微任务按照插入顺序进行处理，并且由于仅存在一个微任务队列，浏览器不会把时间弄乱了。

此外，微任务可以调度新的微任务，它将插入到同一个队列，并在同一个滴答内处理。

绘制Rendering

最后是绘制Rendering调度，不同于事件处理和分解，绘制并不是在单独的后台任务完成的。它是一个可以运行在每个循环滴答结束时的算法。

在这里浏览器又有了许多自由：它可能在每个任务以后绘制，但是它也可能在好几百个任务都执行了以后也不绘制。

幸运的是，我们有 requestAnimationFrame()，它在下一个绘制之前执行传递的函数。我们最终的事件模型像这样：

1. while (eventLoop.waitForTask()) {
2. const taskQueue = eventLoop.selectTaskQueue()
3. if (taskQueue.hasNextTask()) {
4. taskQueue.processNextTask()
5. }
7. const microtaskQueue = eventLoop.microTaskQueue
8. while (microtaskQueue.hasNextMicrotask()) {
9. microtaskQueue.processNextMicrotask()
10. }
12. if (shouldRender()) {
13. applyScrollResizeAndCSS()
14. runAnimationFrames()
15. render()
16. }
17. }

现在用我们所知道知识来创建定时系统！

利用事件循环

和大多数现代框架一样，NX 也是基于 DOM 操作和数据绑定的。批量操作和异步执行以取得更好的性能表现。基于以上理由我们用 Promises、 MutationObservers 和 requestAnimationFrame()。

我们所期望的定时器是这样的：

1. 代码来自于开发者
2. 数据绑定和 DOM 操作由 NX 来执行
3. 开发者定义事件钩子
4. 浏览器进行绘制

步骤 1

NX 寄存器对象基于 ES6 代理 以及 DOM 变动基于MutationObserver （变动观测器）同步运行（下一节详细介绍）。 它作为一个微任务延迟直到步骤 2 执行以后才做出反应。这个延迟已经在Promise.resolve().then(reaction) 进行了对象转换，并且它将通过变动观测器自动运行。

步骤 2

来自开发者的代码（任务）运行完成。微任务由 NX 开始执行所注册。 因为它们是微任务，所以按序执行。注意，我们仍然在同一个滴答循环中。

步骤 3

开发者通过 requestAnimationFrame(hook) 通知 NX 运行钩子。这可能在滴答循环后发生。重要的是，钩子运行在下一次绘制之前和所有数据操作之后，并且 DOM 和 CSS 改变都已经完成。

步骤 4

浏览器绘制下一个视图。这也有可能发生在滴答循环之后，但是绝对不会发生在一个滴答的步骤 3 之前。

牢记在心里的事情

我们在原生的事件循环之上实现了一个简单而有效的定时系统。理论上讲它运行的很好，但是还是很脆弱，一个轻微的错误可能会导致很严重的 BUG。

在一个复杂的系统当中，最重要的就是建立一定的规则并在以后保持它们。在 NX 中有以下规则：

1. 永远不用 setTimeout(fn, 0) 来进行内部操作
2. 用相同的方法来注册微任务
3. 微任务仅供内部操作
4. 不要干预开发者钩子运行时间

规则 1 和 2

数据反射和 DOM 操作将按照操作顺序执行。这样只要不混合就可以很好的延迟它们的执行。混合执行会出现莫名其妙的问题。

setTimeout(fn, 0) 的行为完全不可预测。使用不同的方法注册微任务也会发生混乱。例如，下面的例子中 microtask2 不会正确地在 microtask1 之前运行。

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

规则 3 和 4

分离开发者的代码执行和内部操作的时间窗口是非常重要的。混合这两种行为会导致不可预测的事情发生，并且它会需要开发者了解框架内部。我想很多前台开发者已经有过类似经历。