Apprendre JS : Comprendre l'Exécution du JavaScript

JavaScript : synchrone par défaut

Par défaut, JavaScript est un langage monothread synchrone bloquant ; il ne fait qu’une chose à la fois. Ce comportement est dû au fonctionnement du moteur JavaScript utilisé pour son interprétation.

Moteur JavaScript

Le moteur JavaScript est en charge de l’exécution d’un programme JS.

Le moteur JavaScript le plus répandu est le moteur V8 de Google. Il est utilisé au sein de nombreux navigateurs modernes comme Chrome, Opera et Microsoft Edge, ainsi que dans le moteur d’exécution de Node.js. SpiderMonkey est quant à lui le moteur utilisé par Firefox.

Un moteur JavaScript est constitué de 2 composantes : le Heap et la Call Stack.

Heap

Le Heap (ou « tas » en français) est l’espace de mémoire stockant les objets créés lors de l’exécution d’un programme JavaScript.

Ces objets peuvent être :

• Des chaînes de caractères
• Des nombres
• Des booléens
• Des tableaux
• Des fonctions
• Des objets JS
• Etc.

Le Heap est géré automatiquement par le Garbage Collector (ramasse-miettes en français) du moteur JavaScript, qui supprime les objets qui ne sont plus utilisés afin de libérer de l’espace mémoire.

Call Stack

Comme vous le savez désormais, JavaScript est single-thread. Cela signifie qu’on ne peut par défaut faire qu’une chose à la fois. La Call Stack (ou “pile d’exécution” en français) est une structure de données qui enregistre où en est l’exécution du programme.

• Lorsque nous appelons une fonction, cette dernière est ajoutée en haut de la pile.
• Lorsqu’une fonction est terminée, elle est enlevée du haut de la pile (on dit qu’elle est dépilée).

Illustrons le mécanisme d’empilement de la Call Stack en considérant le programme suivant :

function one() {
	// ...
	two()
}

function two() {
	// ...
	setTimeout(() => {
		// ...
	}, 1000)
}

function three() {
	// ...
}

one()
three()

Voici comment la Call Stack va traiter les appels :

• main()
• main() / one()
• main() / one() / two()
• main() / one() / two() / setTimeout()
• main() / one() / two()
• main() / one()
• main()
• main() / three()
• main()

Exemple : exécution synchrone

Considérons cet exemple de code synchrone :

for (let i=0; i<=1_000_000_000; i++) {}
console.log('Démo synchrone')

Au sein de chaque fonction, le programme est exécuté ligne par ligne. Il attend que la ligne ait été exécutée avant de passer à la suivante ; on dit qu’il s’exécute de manière séquentielle. Si vous lancez le script précédent dans votre navigateur, vous ne verrez apparaître Démo synchrone que lorsque la boucle sera terminée.

N’avoir qu’une seule pile d’exécution peut s’avérer très utile, car cela enlève tous les problèmes potentiels engendrés par le multithreading. En revanche, le monothreading présente un inconvénient de taille : tout est bloqué quand une tâche est longue… de l’UI (conduisant à une incapacité d’interagir avec la page) au navigateur tout entier.

Les fonctions synchrones sont appropriées pour effectuer des opérations courtes et rapides pour lesquelles il n’est pas problématique de monopoliser temporairement le fil d’exécution du programme.

En revanche, quand on développe un programme effectuant des opérations d’entrées/sorties (sur le système de fichier, sur un réseau, etc.), il vaut mieux lancer ces opérations en tâche de fond, tout en continuant l’exécution du reste du programme ; on parle d’asynchronisme.

Vers l’asynchronisme

Contrairement à d’autres langages de programmation qui utilisent plusieurs threads pour exécuter des opérations en parallèle, JavaScript utilise un modèle de concurrence basé sur les événements afin d’exécuter des tâches de manière asynchrone (exécution parallèle et différée), et maintenir ainsi une interface utilisateur réactive.

Les événements sont déclenchés par :

• Des actions de l’utilisateur (évènements du DOM tels que des clics, saisies clavier…)
• Des changements dans l’environnement d’exécution de JavaScript (timers, opérations d’entrées/sorties telles que des requêtes réseau ou le traitement de fichiers…).

Bien que le moteur JavaScript n’exécute le code que sur un unique thread via la Call Stack, cet asynchronisme est rendu possible en permettant au moteur JavaScript de communiquer avec des APIs Web qui vont effectuer les traitement asynchrones à part.

APIs Web

Évènements du DOM, timers (setTimeout() et setInterval()), requêtes réseau (AJAX, Fetch), etc., sont tous fournis côté client par les navigateurs et sont appelés API Web.

Les APIs Web permettent de traiter des évènements/tâches asynchrones en arrière-plan sur d’autres threads, tout en permettant au moteur JS d’exécuter le code principal sur un seul thread ; on parle de modèle de thread pool.

Lorsqu’une tâche asynchrone est déclenchée, elle peut être exécutée par n’importe quel thread disponible dans le pool. Cela permet d’améliorer la vitesse d’exécution des tâches et d’optimiser l’utilisation des ressources du système.

Lorsque ces APIs Web ont terminé leur traitement, elles ajoutent la fonction de callback à exécuter dans une file d’attente nommée Callback Queue.

Callback Queue

La Callback Queue va contenir les fonctions de callback à exécuter dès qu’une API Web a terminé l’exécution d’une tâche asynchrone.

Il est intéressant de souligner qu’il existe 2 types de tâches asynchrones :

• Les tâches (ou macro-tâches) : de longue durée, telles que les évènements (click, keyup…), les timers, le traitement de fichiers, les requêtes réseau, etc.
• Les micro-tâches : courtes, telles que la résolution de promesses et les mutations du DOM (innerHTML, setAttribute()…).

Les micro-tâches sont prioritaires sur les tâches classiques et seront exécutés immédiatement après l’exécution de la tâche en cours. Nous ne rentrons pas dans les détails ici, mais elles sont en réalité déplacées dans une file d’attente spécifique nommée Job Queue ou Microtask Queue.

Dès lors qu’une tâche asynchrone standard est terminée, son callback est placé par les APIs Web dans une file d’attente appelée Callback Queue. Dès lors qu’une micro-tâche asynchrone est terminée, son callback est placé dans une file d’attente appelée Microtask Queue.

Pour être intégrés à la Call Stack, les résultats de ces APIs Web sont traités par la boucle d’évènement (ou « Event Loop ») qui est à la base du fonctionnement asynchrone de JavaScript.

Event Loop

L’Event Loop consiste à boucler sur l’ensemble des tâches présentes dans la Callback Queue afin de les déplacer successivement dans la Call Stack. L’Event Loop est garante du bon ordre d’exécution de ces tâches.

Il s’agit en quelques sortes d’une boucle while qui tourne tant que la Call Stack est vide, cherchant à la remplir avec d’éventuels callbacks en attente dans la Callback Queue.

Ce modèle d’exécution permet au moteur JavaScript de gérer de manière efficace des tâches longues ou bloquantes, telles que les entrées/sorties (fichiers et appels réseau), sans bloquer l’exécution du reste du code.

Exemple : exécution asynchrone

L’algorithme d’exécution du JavaScript est constitué de 3 étapes clés :

Exemple 1

Considérons l’exemple suivant :

setTimeout(() => {
	console.log('Timeout')
}, 2000)

console.log('Start')

Ces scripts s’exécutent en parallèle. On obtient ainsi en sortie :

> Start
> Timeout

Exemple 2

Considérons l’exemple suivant :

function start() {
	console.log('Start')
	setTimeout(() => {
		console.log('Timeout 1')
	}, 0)
	middle()
}

function middle() {
	console.log('Middle')
}

setTimeout(() => {
	console.log('Timeout 2')
}, 1000)

start()

fetch('https://jsonplaceholder.typicode.com/posts/1')
	.then(response => response.json())
	.then(json => console.log(json))

console.log('End')

Les différents console.log() apparaîtront dans l’ordre suivant :

> Start
> Middle
> End
> Timeout 1
> Object // Le post
> Timeout 2