Node.js事件循环与libuv核心原理全解析（含面试题实战）

一、libuv事件循环的核心阶段（六大阶段）

libuv事件循环是Node.js实现非阻塞I/O的底层核心，按固定顺序执行各阶段任务，每个阶段对应专属回调队列：

1. timers（定时器阶段）

核心作用：执行setTimeout/setInterval的到期回调函数；
关键细节：定时器回调有专属队列，优先级高于I/O回调，setTimeout(fn, 0)并非立即执行，需等待本轮timers阶段或下轮循环；

示例：

setTimeout(() => {
  console.log('timers阶段执行');
}, 0);

2. pending callbacks（待处理回调阶段）

核心作用：执行上一轮事件循环中延迟到当前轮次的系统操作回调；
典型场景：TCP连接失败的错误回调、部分操作系统异步操作的延迟回调；

示例：

// 模拟TCP连接失败的回调会进入该阶段
const net = require('net');
const client = net.connect({ port: 12345 }, () => {});
client.on('error', (err) => {
  console.log('pending callbacks阶段执行'); // 连接失败回调在此阶段触发
});

3. idle/prepare（空闲/准备阶段）

核心作用：libuv内部使用阶段，开发者无需关注；
细节：idle用于计算事件循环空闲时间，prepare为poll阶段做准备工作；

4. poll（轮询阶段）

核心作用：处理I/O事件回调（文件/网络请求等），是事件循环的核心阶段；
执行逻辑：
- 若poll队列非空：同步执行队列中的I/O回调，直到队列为空或达到系统限制；
- 若poll队列为空：
  - 存在setImmediate回调 → 直接进入check阶段；
  - 无setImmediate回调 → 等待新I/O事件加入队列，若有timer到期则跳回timers阶段；

示例：

const fs = require('fs');
fs.readFile('./test.txt', () => {
  console.log('poll阶段执行I/O回调'); // 文件读取完成回调在此阶段触发
});

5. check（检查阶段）

核心作用：专门执行setImmediate的回调函数；
执行时机：poll阶段结束后立即触发，优先级高于下一轮timers阶段（若在I/O回调内同时存在setTimeout和setImmediate）；

示例：

fs.readFile('./test.txt', () => {
  setTimeout(() => console.log('timers'), 0);
  setImmediate(() => console.log('check')); // 优先执行
});

6. close callbacks（关闭回调阶段）

核心作用：处理I/O资源关闭的回调函数；
典型场景：Socket连接断开、文件描述符关闭、stream.destroy()的回调；

示例：

const net = require('net');
const server = net.createServer();
server.on('close', () => {
  console.log('close callbacks阶段执行'); // 服务器关闭回调在此阶段触发
});
server.close();

二、libuv的观察者类型及作用

观察者是libuv监听事件的“传感器”，负责将事件回调分发到对应阶段队列，主要包含五类：

1. 定时器观察者

监听对象：setTimeout/setInterval的到期事件；
触发阶段：timers阶段；
核心逻辑：维护定时器队列，按到期时间排序，到期后将回调放入timers队列。

2. I/O观察者

监听对象：文件/网络描述符的I/O事件（如可读/可写）；
触发阶段：poll阶段；
核心逻辑：基于epoll/kqueue（不同系统）实现I/O多路复用，监听事件就绪后触发回调。

3. 检查观察者

监听对象：setImmediate的调用事件；
触发阶段：check阶段；
核心逻辑：setImmediate调用时注册观察者，poll阶段结束后触发回调。

4. 空闲观察者

监听对象：事件循环的空闲状态；
触发阶段：idle阶段；
核心逻辑：事件循环空闲时触发，用于低优先级背景任务（如内存清理）。

5. 准备观察者

监听对象：poll阶段的准备信号；
触发阶段：prepare阶段；
核心逻辑：poll阶段执行前触发，用于初始化I/O轮询的参数配置。

三、Node.js与浏览器事件循环的核心差异

特性维度	Node.js事件循环（libuv）	浏览器事件循环
底层实现	基于libuv库（C语言），分6个阶段	基于浏览器内核（Blink/WebKit），分宏/微任务
微任务执行时机	每个阶段结束后执行（`process.nextTick`优先级最高）	每个宏任务执行后清空所有微任务
核心关注场景	后端I/O处理（文件/网络）	前端渲染（重绘/回流）+ 用户交互
特殊API支持	`setImmediate`/`process.nextTick`	`requestAnimationFrame`/`MutationObserver`
定时器精度	受事件循环阶段影响，精度约1ms	受浏览器渲染帧率影响，精度约4ms

示例对比：

// Node.js环境：先执行nextTick（微任务）→ timers → check
console.log('同步代码');
process.nextTick(() => console.log('nextTick微任务'));
setTimeout(() => console.log('timers阶段'), 0);
setImmediate(() => console.log('check阶段'));

// 浏览器环境：先执行Promise（微任务）→ setTimeout（宏任务）
console.log('同步代码');
Promise.resolve().then(() => console.log('Promise微任务'));
setTimeout(() => console.log('宏任务setTimeout'), 0);

四、经典面试题解析：I/O回调内的执行顺序

题目：分析以下代码输出顺序

const fs = require('fs');

// 场景1：I/O回调内的setTimeout vs setImmediate
fs.readFile('./test.txt', () => {
  setTimeout(() => console.log('1: setTimeout'), 0);
  setImmediate(() => console.log('1: setImmediate'));
});

// 场景2：同步代码中的setTimeout vs setImmediate
setTimeout(() => console.log('2: setTimeout'), 0);
setImmediate(() => console.log('2: setImmediate'));

解析：

场景1输出：1: setImmediate → 1: setTimeout
- I/O回调在poll阶段执行，执行完后poll队列为空，直接进入check阶段执行setImmediate；
- setTimeout需等待下一轮timers阶段执行。
场景2输出：顺序不确定
- 同步代码执行时，setTimeout可能先进入timers队列，也可能setImmediate先进入check队列；
- 取决于事件循环启动时timer是否到期，因此顺序不固定。

五、libuv事件循环的本质（伪代码）

// libuv事件循环核心逻辑伪代码
while (eventLoop.isAlive()) {
  // 1. timers阶段：执行到期定时器回调
  timersPhase.execute();
  
  // 2. pending callbacks阶段：执行延迟系统回调
  pendingCallbacksPhase.execute();
  
  // 3. idle/prepare阶段：内部准备工作
  idlePhase.execute();
  preparePhase.execute();
  
  // 4. poll阶段：处理I/O事件，可能阻塞等待
  const timeout = pollPhase.getTimeout();
  pollPhase.waitForIOEvents(timeout);
  pollPhase.execute();
  
  // 5. check阶段：执行setImmediate回调
  checkPhase.execute();
  
  // 6. close callbacks阶段：执行关闭回调
  closeCallbacksPhase.execute();
  
  // 执行所有微任务（nextTick/Promise）
  microtasks.execute();
}

flowchart TD
    A[事件循环启动] --> B[timers阶段：执行setTimeout/setInterval]
    B --> C[pending callbacks阶段：执行延迟系统回调]
    C --> D[idle/prepare阶段：内部准备]
    D --> E[poll阶段：处理I/O事件/等待新事件]
    E --> F{是否有setImmediate回调？}
    F -- 是 --> G[check阶段：执行setImmediate]
    F -- 否 --> E
    G --> H[close callbacks阶段：执行关闭回调]
    H --> I[执行微任务：nextTick/Promise]
    I --> J{是否还有待处理任务？}
    J -- 是 --> B
    J -- 否 --> K[事件循环退出]
    
    %% 阶段跳转逻辑
    E -->|timer到期| B