如何实现比 setTimeout 快 80 倍的定时器？

起因

很多人都知道，setTimeout 是有最小延迟时间的，根据 MDN 文档 setTimeout：实际延时比设定值更久的原因：最小延迟时间^[1] 中所说：

在浏览器中，setTimeout()/setInterval() 的每调用一次定时器的最小间隔是 4ms，这通常是由于函数嵌套导致（嵌套层级达到一定深度）。

在 HTML Standard^[2] 规范中也有提到更具体的：

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

简单来说，5 层以上的定时器嵌套会导致至少 4ms 的延迟。

用如下代码做个测试：

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);

在浏览器中的打印结果大概是这样的，和规范一致，第五次执行的时候延迟来到了 4ms 以上。

更详细的原因，可以参考 为什么 setTimeout 有最小时延 4ms ?

探索

假设我们就需要一个「立刻执行」的定时器呢？有什么办法绕过这个 4ms 的延迟吗，上面那篇 MDN 文档的角落里有一些线索：

如果想在浏览器中实现 0ms 延时的定时器，你可以参考这里^[3]所说的 window.postMessage()。

这篇文章里的作者给出了这样一段代码，用 postMessage 来实现真正 0 延迟的定时器：

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

  // 保持 setTimeout 的形态，只接受单个函数的参数，延迟始终为 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 对象上
  window.setZeroTimeout = setZeroTimeout;
})();

由于 postMessage 的回调函数的执行时机和 setTimeout 类似，都属于宏任务，所以可以简单利用 postMessage 和 addEventListener('message') 的消息通知组合，来实现模拟定时器的功能。

这样，执行时机类似，但是延迟更小的定时器就完成了。

再利用上面的嵌套定时器的例子来跑一下测试：

全部在 0.1 ~ 0.3 毫秒级别，而且不会随着嵌套层数的增多而增加延迟。

测试

从理论上来说，由于 postMessage 的实现没有被浏览器引擎限制速度，一定是比 setTimeout 要快的。但空口无凭，咱们用数据说话。

作者设计了一个实验方法，就是分别用 postMessage 版定时器和传统定时器做一个递归执行计数函数的操作，看看同样计数到 100 分别需要花多少时间。读者也可以在这里自己跑一下测试^[4]。

实验代码：

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();
  // 通过递归 setZeroTimeout 达到 100 计数
  // 达到 100 后切换成 setTimeout 来实验
  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);

  // 通过递归 setTimeout 达到 100 计数
  function test2() {
    if (++i == 100) {
      var endTime = Date.now();
      printOutput(
        '100 iterations of setTimeout(0) took ' +
          (endTime - startTime) +
          ' milliseconds.'
      );
    } else {
      setTimeout(test2, 0);
    }
  }
}

实验代码很简单，先通过 setZeroTimeout 也就是 postMessage 版本来递归计数到 100，然后切换成 setTimeout 计数到 100。

直接放结论，这个差距不固定，在我的 mac 上用无痕模式排除插件等因素的干扰后，以计数到 100 为例，大概有 80 ~ 100 倍的时间差距。在我硬件更好的台式机上，甚至能到 200 倍以上。

Performance 面板

只是看冷冰冰的数字还不够过瘾，我们打开 Performance 面板，看看更直观的可视化界面中，postMessage 版的定时器和 setTimeout 版的定时器是如何分布的。

这张分布图非常直观的体现出了我们上面所说的所有现象，左边的 postMessage 版本的定时器分布非常密集，大概在 5ms 以内就执行完了所有的计数任务。

而右边的 setTimeout 版本相比较下分布的就很稀疏了，而且通过上方的时间轴可以看出，前四次的执行间隔大概在 1ms 左右，到了第五次就拉开到 4ms 以上。

作用

也许有同学会问，有什么场景需要无延迟的定时器？其实在 React 的源码中，做时间切片的部分就用到了。

借用 React Scheduler 为什么使用 MessageChannel 实现^[5] 这篇文章中的一段伪代码：

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

// 每次 port.postMessage() 调用就会添加一个宏任务
// 该宏任务为调用 scheduler.scheduleTask 方法
channel.port1.onmessage = scheduler.scheduleTask;

const scheduler = {
  scheduleTask() {
    // 挑选一个任务并执行
    const task = pickTask();
    const continuousTask = task();

    // 如果当前任务未完成，则在下个宏任务继续执行
    if (continuousTask) {
      port.postMessage(null);
    }
  },
};

React 把任务切分成很多片段，这样就可以通过把任务交给 postMessage 的回调函数，来让浏览器主线程拿回控制权，进行一些更优先的渲染任务（比如用户输入）。

为什么不用执行时机更靠前的微任务呢？参考我的这篇对 EventLoop 规范的解读 深入解析 EventLoop 和浏览器渲染、帧动画、空闲回调的关系，关键的原因在于微任务会在渲染之前执行，这样就算浏览器有紧急的渲染任务，也得等微任务执行完才能渲染。

总结

通过本文，你大概可以了解如下几个知识点：

1. setTimeout 的 4ms 延迟历史原因，具体表现。
2. 如何通过 postMessage 实现一个真正 0 延迟的定时器。
3. postMessage 定时器在 React 时间切片中的运用。
4. 为什么时间切片需要用宏任务，而不是微任务。

参考资料