如何實(shí)現(xiàn)比 setTimeout 快 80 倍的定時(shí)器？

很多人都知道，setTimeout 是有最小延遲時(shí)間的，根據(jù) MDN 文檔 setTimeout：實(shí)際延時(shí)比設(shè)定值更久的原因：最小延遲時(shí)間^[1] 中所說(shuō)：

在瀏覽器中，setTimeout()/setInterval() 的每調(diào)用一次定時(shí)器的最小間隔是 4ms，這通常是由于函數(shù)嵌套導(dǎo)致（嵌套層級(jí)達(dá)到一定深度）。

在 HTML Standard^[2] 規(guī)范中也有提到更具體的：

Timers can be nested; after five such nested timers, however, the interval is forced to be at least four milliseconds.

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，5 層以上的定時(shí)器嵌套會(huì)導(dǎo)致至少 4ms 的延遲。

用如下代碼做個(gè)測(cè)試：

let a = performance.now();
setTimeout(() => {
  let b = performance.now();
  console.log(b - a);
  setTimeout(() => {
    let c = performance.now();
    console.log(c - b);
    setTimeout(() => {
      let d = performance.now();
      console.log(d - c);
      setTimeout(() => {
        let e = performance.now();
        console.log(e - d);
        setTimeout(() => {
          let f = performance.now();
          console.log(f - e);
          setTimeout(() => {
            let g = performance.now();
            console.log(g - f);
          }, 0);
        }, 0);
      }, 0);
    }, 0);
  }, 0);
}, 0);

在瀏覽器中的打印結(jié)果大概是這樣的，和規(guī)范一致，第五次執(zhí)行的時(shí)候延遲來(lái)到了 4ms 以上。

更詳細(xì)的原因，可以參考 為什么 setTimeout 有最小時(shí)延 4ms ?

探索

假設(shè)我們就需要一個(gè)「立刻執(zhí)行」的定時(shí)器呢？有什么辦法繞過(guò)這個(gè) 4ms 的延遲嗎，上面那篇 MDN 文檔的角落里有一些線索：

如果想在瀏覽器中實(shí)現(xiàn) 0ms 延時(shí)的定時(shí)器，你可以參考這里^[3]所說(shuō)的 window.postMessage()。

這篇文章里的作者給出了這樣一段代碼，用 postMessage 來(lái)實(shí)現(xiàn)真正 0 延遲的定時(shí)器：

(function () {
  var timeouts = [];
  var messageName = 'zero-timeout-message';

  // 保持 setTimeout 的形態(tài)，只接受單個(gè)函數(shù)的參數(shù)，延遲始終為 0。
  function setZeroTimeout(fn) {
    timeouts.push(fn);
    window.postMessage(messageName, '*');
  }

  function handleMessage(event) {
    if (event.source == window && event.data == messageName) {
      event.stopPropagation();
      if (timeouts.length > 0) {
        var fn = timeouts.shift();
        fn();
      }
    }
  }

  window.addEventListener('message', handleMessage, true);

  // 把 API 添加到 window 對(duì)象上
  window.setZeroTimeout = setZeroTimeout;
})();

由于 postMessage 的回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)機(jī)和 setTimeout 類(lèi)似，都屬于宏任務(wù)，所以可以簡(jiǎn)單利用 postMessage 和 addEventListener('message') 的消息通知組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬定時(shí)器的功能。

這樣，執(zhí)行時(shí)機(jī)類(lèi)似，但是延遲更小的定時(shí)器就完成了。

再利用上面的嵌套定時(shí)器的例子來(lái)跑一下測(cè)試：

全部在 0.1 ~ 0.3 毫秒級(jí)別，而且不會(huì)隨著嵌套層數(shù)的增多而增加延遲。

測(cè)試

從理論上來(lái)說(shuō)，由于 postMessage 的實(shí)現(xiàn)沒(méi)有被瀏覽器引擎限制速度，一定是比 setTimeout 要快的。但空口無(wú)憑，咱們用數(shù)據(jù)說(shuō)話。

作者設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方法，就是分別用 postMessage 版定時(shí)器和傳統(tǒng)定時(shí)器做一個(gè)遞歸執(zhí)行計(jì)數(shù)函數(shù)的操作，看看同樣計(jì)數(shù)到 100 分別需要花多少時(shí)間。讀者也可以在這里自己跑一下測(cè)試^[4]。

實(shí)驗(yàn)代碼：

function runtest() {
  var output = document.getElementById('output');
  var outputText = document.createTextNode('');
  output.appendChild(outputText);
  function printOutput(line) {
    outputText.data += line + '\n';
  }

  var i = 0;
  var startTime = Date.now();
  // 通過(guò)遞歸 setZeroTimeout 達(dá)到 100 計(jì)數(shù)
  // 達(dá)到 100 后切換成 setTimeout 來(lái)實(shí)驗(yàn)
  function test1() {
    if (++i == 100) {
      var endTime = Date.now();
      printOutput(
        '100 iterations of setZeroTimeout took ' +
          (endTime - startTime) +
          ' milliseconds.'
      );
      i = 0;
      startTime = Date.now();
      setTimeout(test2, 0);
    } else {
      setZeroTimeout(test1);
    }
  }

  setZeroTimeout(test1);

  // 通過(guò)遞歸 setTimeout 達(dá)到 100 計(jì)數(shù)
  function test2() {
    if (++i == 100) {
      var endTime = Date.now();
      printOutput(
        '100 iterations of setTimeout(0) took ' +
          (endTime - startTime) +
          ' milliseconds.'
      );
    } else {
      setTimeout(test2, 0);
    }
  }
}

實(shí)驗(yàn)代碼很簡(jiǎn)單，先通過(guò) setZeroTimeout 也就是 postMessage 版本來(lái)遞歸計(jì)數(shù)到 100，然后切換成 setTimeout 計(jì)數(shù)到 100。

直接放結(jié)論，這個(gè)差距不固定，在我的 mac 上用無(wú)痕模式排除插件等因素的干擾后，以計(jì)數(shù)到 100 為例，大概有 80 ~ 100 倍的時(shí)間差距。在我硬件更好的臺(tái)式機(jī)上，甚至能到 200 倍以上。

Performance 面板

只是看冷冰冰的數(shù)字還不夠過(guò)癮，我們打開(kāi) Performance 面板，看看更直觀的可視化界面中，postMessage 版的定時(shí)器和 setTimeout 版的定時(shí)器是如何分布的。

這張分布圖非常直觀的體現(xiàn)出了我們上面所說(shuō)的所有現(xiàn)象，左邊的 postMessage 版本的定時(shí)器分布非常密集，大概在 5ms 以?xún)?nèi)就執(zhí)行完了所有的計(jì)數(shù)任務(wù)。

而右邊的 setTimeout 版本相比較下分布的就很稀疏了，而且通過(guò)上方的時(shí)間軸可以看出，前四次的執(zhí)行間隔大概在 1ms 左右，到了第五次就拉開(kāi)到 4ms 以上。

作用

也許有同學(xué)會(huì)問(wèn)，有什么場(chǎng)景需要無(wú)延遲的定時(shí)器？其實(shí)在 React 的源碼中，做時(shí)間切片的部分就用到了。

借用 React Scheduler 為什么使用 MessageChannel 實(shí)現(xiàn)^[5] 這篇文章中的一段偽代碼：

const channel = new MessageChannel();
const port = channel.port2;

// 每次 port.postMessage() 調(diào)用就會(huì)添加一個(gè)宏任務(wù)
// 該宏任務(wù)為調(diào)用 scheduler.scheduleTask 方法
channel.port1.onmessage = scheduler.scheduleTask;

const scheduler = {
  scheduleTask() {
    // 挑選一個(gè)任務(wù)并執(zhí)行
    const task = pickTask();
    const continuousTask = task();

    // 如果當(dāng)前任務(wù)未完成，則在下個(gè)宏任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行
    if (continuousTask) {
      port.postMessage(null);
    }
  },
};

React 把任務(wù)切分成很多片段，這樣就可以通過(guò)把任務(wù)交給 postMessage 的回調(diào)函數(shù)，來(lái)讓瀏覽器主線程拿回控制權(quán)，進(jìn)行一些更優(yōu)先的渲染任務(wù)（比如用戶(hù)輸入）。

為什么不用執(zhí)行時(shí)機(jī)更靠前的微任務(wù)呢？參考我的這篇對(duì) EventLoop 規(guī)范的解讀 深入解析 EventLoop 和瀏覽器渲染、幀動(dòng)畫(huà)、空閑回調(diào)的關(guān)系，關(guān)鍵的原因在于微任務(wù)會(huì)在渲染之前執(zhí)行，這樣就算瀏覽器有緊急的渲染任務(wù)，也得等微任務(wù)執(zhí)行完才能渲染。

總結(jié)

通過(guò)本文，你大概可以了解如下幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)：

1. setTimeout 的 4ms 延遲歷史原因，具體表現(xiàn)。
2. 如何通過(guò) postMessage 實(shí)現(xiàn)一個(gè)真正 0 延遲的定時(shí)器。
3. postMessage 定時(shí)器在 React 時(shí)間切片中的運(yùn)用。
4. 為什么時(shí)間切片需要用宏任務(wù)，而不是微任務(wù)。

參考資料