Modelo de Concorrência e Event Loop

O JavaScript possui um modelo de concorrência baseado em um event loop (laço de eventos, em português), responsável pela execução do código, coleta e processamento de eventos e execução de subtarefas enfileiradas. Este modelo é bem diferente de outras linguagens, como C ou Java, por exemplo.

Conceitos de runtime (tempo de execução)

Os próximos tópicos irão explicar teoricamente o modelo. Interpretadores modernos de JavaScript implementam e otimizam fortemente as semânticas descritas.

Representação visual

Stack, heap, queue

Pilha (Stack)

As chamadas de funções criam uma pilha de frames (quadros).

function foo(b) {
  var a = 10;
  return a + b + 11;
}

function bar(x) {
  var y = 3;
  return foo(x * y);
}

console.log(bar(7)); //retorna 42

Quando chamamos a função bar, o primeiro frame é criado contendo argumentos e variáveis locais de bar. Quando a função bar chama foo, o segundo frame é criado e é colocado no topo da pilha contendo os argumentos e a variáveis locais de foo. Quando foo retorna, o frame do topo é removido da pilha (deixando apenas o frame da chamada de bar). Quando bar retorna, a pilha fica vazia.

Heap

Os objetos são alocados em um heap (acervo), que é apenas um nome para denotar uma grande região não estruturada da memória.

Fila (Queue)

O runtime do JavaScript contém uma fila de mensagens, que é uma lista de mensagens a serem processadas. Para cada mensagem, é associada uma função que é chamada para manipular a mensagem.

Em algum ponto durante o event loop, o runtime começa a manipular as mensagens na fila, iniciando com a mais antiga. Para fazer isso, a mensagem é removida da fila e sua função correspondente é chamada junto com a mensagem. Como de costume, chamar uma função cria uma nova pilha de frame para o uso dessa função.

O processamento de funções continua até que a pilha fique novamente vazia, então o event loop processará a próxima mensagem na fila (se houver uma).

Event loop

Event loop tem esse nome por causa da forma que normalmente é implementado, geralmente é semelhante a:

while (queue.waitForMessage()) {
  queue.processNextMessage();
}

queue.waitForMessage aguarda, de maneira síncrona, receber uma mensagem, se não houver nenhuma atualmente.

"Run-to-completion"

Cada mensagem é processada completamente antes de outra mensagem ser processada. Isso oferece um bom fundamento ao pensar sobre o seu software, incluindo o fato de que, independente de quando uma função é executada, ela não pode ser interrompida, ela será executada por completo, antes que outro código execute (e modifique dados que a função manipule). Isso é diferente do C, por exemplo, no qual uma função que está sendo executada em uma thread, pode ser interrompida a qualquer momento para executar um outro código em outra thread.

O lado negativo deste modelo é que se uma mensagem levar muito tempo para ser finalizada, a aplicação web fica indisponível para processar as interações do usuário, como cliques ou rolagens. O navegador mitiga este problema através do aviso: "Um script desta página pode estar ocupado". Uma boa prática a seguir é fazer o processamento de mensagens curtas, e se possível, dividir uma mensagem em múltiplas mensagens.

Adicionando mensagens

Nos navegadores, as mensagens são adicionadas a qualquer momento que um evento é acionado, se este possuir um "listener". Caso não possua, o evento será ignorado. Assim, um clique em um elemento com um manipulador de eventos de clique adicionará uma mensagem, igualmente como qualquer outro evento.

A função setTimeout é chamada com 2 argumentos: uma mensagem para adicionar à fila (queue) e um valor em tempo (opcional, padrão é 0). O valor em tempo representa o intervalo (mínimo) com que a mensagem será realmente enviada a fila. Se não houver outra mensagem na fila, a mensagem será processada logo após o intervalo, no entanto, se houver mensagens, a mensagem setTimeout terá que esperar até que outras mensagens sejam finalizadas. Por esse motivo, o segundo argumento indica um tempo mínimo e não um tempo garantido.

Aqui está um exemplo que demonstra esse conceito (setTimeout não é executado imediatamente após o temporizador expirar):

const s = new Date().getSeconds();

setTimeout(function() {
  // imprime "2", o que significa que o callback não é chamado imediatamente após 500 milissegundos.
  console.log("Ran after " + (new Date().getSeconds() - s) + " seconds");
}, 500);

while(true) {
  if(new Date().getSeconds() - s >= 2) {
    console.log("Good, looped for 2 seconds");
    break;
  }
}

Intervalos de zero segundos

O intervalo zero não significa, necessariamente, que o callback será disparado após zero milissegundos. Chamar setTimeout com um intervalo de 0 (zero) milissegundos não executa a função do callback após dado intervalo.

A execução depende do número de mensagens em espera na fila. No exemplo abaixo, a mensagem ''this is just a message'' será escrita no console antes que a mensagem do callback seja processada, isso acontece porque o intervalo definido na função indica o tempo mínimo necessário para que a aplicação processe a requisição, mas não é um tempo garantido.

Basicamente, setTimeout precisa esperar que todo o código das mensagens enfileiradas seja concluído, mesmo que você tenha especificado um tempo limite específico para o seu setTimeout.

(function() {

  console.log('this is the start');

  setTimeout(function cb() {
    console.log('Callback 1: this is a msg from call back');
  }); // tem um valor de tempo padrão de 0

  console.log('this is just a message');

  setTimeout(function cb1() {
    console.log('Callback 2: this is a msg from call back');
  }, 0);

  console.log('this is the end');

})();

// "this is the start"
// "this is just a message"
// "this is the end"
// "Callback 1: this is a msg from call back"
// "Callback 2: this is a msg from call back"

Múltiplos runtimes comunicando-se em conjunto

Um web worker ou um iframe com uma diferente origem (cross-origin) tem as suas próprias pilhas, heaps e filas de messagens. Dois runtimes distintos só podem se comunicar por meio do envio de mensagens, via método postMessage. Este método adiciona uma mensagem ao outro runtime, se este escutar os eventos de message.

Sem bloqueio

Uma propriedade muito interessante do modelo "event loop", é que o JavaScript, ao contrário de muitas outras linguagens, nunca bloqueia. A manipulação de E/S é tipicamente realizada através de eventos e callbacks, portanto, quando uma aplicação está esperando por um retorno de uma consulta do IndexedDB ou o retorno de uma requisição XHR, este ainda pode processar outras coisas, como as ações do usuário.

Exceções de legado existem, como por exemplo, alert ou XHR síncrono, mas é considerado uma boa prática evitá-los. Tome cuidado, exceções a exceção existem (mas geralmente são, mais do que qualquer coisa, bugs de implementação).

Especificações

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HTML Living Standard
The definition of 'Event loops' in that specification.
Padrão em tempo real
Node.js Event Loop Living Standard