一、為什麼JavaScript是單線程？
JavaScript語言的一大特點就是單線程，也就是說，同一個時間只能做一件事。那麼，為什麼JavaScript不能有多個線程呢？這樣能提高效率啊。
JavaScript的單線程，與它的用途有關。作為瀏覽器腳本語言，JavaScript的主要用途是與用戶互動，以及操作DOM。這決定了它只能是單線程，否則會帶來很複雜的同步問題。比如，假定JavaScript同時有兩個線程，一個線程在某個DOM節點上添加內容，另一個線程刪除了這個節點，這時瀏覽器應該以哪個線程為準？
所以，為了避免複雜性，從一誕生，JavaScript就是單線程，這已經成了這門語言的核心特徵，將來也不會改變。
為了利用多核CPU的計算能力，HTML5提出Web Worker標準，允許JavaScript腳本創建多個線程，但是子線程完全受主線程控制，且不得操作DOM。所以，這個新標準並沒有改變JavaScript單線程的本質。
二、任務隊列
單線程就意味著，所有任務需要排隊，前一個任務結束，才會執行後一個任務。如果前一個任務耗時很長，後一個任務就不得不一直等著。
如果排隊是因為計算量大，CPU忙不過來，倒也算了，但是很多時候CPU是閒著的，因為IO設備（輸入輸出設備）很慢（比如Ajax操作從網絡讀取數據），不得不等著結果出來，再往下執行。
JavaScript語言的設計者意識到，這時CPU完全可以不管IO設備，掛起處於等待中的任務，先運行排在後面的任務。等到IO設備返回了結果，再回過頭，把掛起的任務繼續執行下去。
於是，JavaScript就有了兩種執行方式：一種是CPU按順序執行，前一個任務結束，再執行下一個任務，這叫做同步執行；另一種是CPU跳過等待時間長的任務，先處理後面的任務，這叫做異步執行。程序員自主選擇，採用哪種執行方式。
具體來說，異步執行的運行機制如下。 （同步執行也是如此，因為它可以被視為沒有異步任務的異步執行。）
（1）所有任務都在主線程上執行，形成一個執行棧（execution context stack）。
（2）主線程之外，還存在一個"任務隊列"（task queue）。系統把異步任務放到"任務隊列"之中，然後繼續執行後續的任務。
（3）一旦"執行棧"中的所有任務執行完畢，系統就會讀取"任務隊列"。如果這個時候，異步任務已經結束了等待狀態，就會從"任務隊列"進入執行棧，恢復執行。
（4）主線程不斷重複上面的第三步。
下圖就是主線程和任務隊列的示意圖。
只要主線程空了，就會去讀取"任務隊列"，這就是JavaScript的運行機制。這個過程會不斷重複。
三、事件和回調函數
"任務隊列"實質上是一個事件的隊列（也可以理解成消息的隊列），IO設備完成一項任務，就在"任務隊列"中添加一個事件，表示相關的異步任務可以進入"執行棧"了。主線程讀取"任務隊列"，就是讀取裡面有哪些事件。
"任務隊列"中的事件，除了IO設備的事件以外，還包括一些用戶產生的事件（比如鼠標點擊、頁面滾動等等）。只要指定過回調函數，這些事件發生時就會進入"任務隊列"，等待主線程讀取。
所謂"回調函數"（callback），就是那些會被主線程掛起來的代碼。異步任務必須指定回調函數，當異步任務從"任務隊列"回到執行棧，回調函數就會執行。
"任務隊列"是一個先進先出的數據結構，排在前面的事件，優先返回主線程。主線程的讀取過程基本上是自動的，只要執行棧一清空，"任務隊列"上第一位的事件就自動返回主線程。但是，由於存在後文提到的"定時器"功能，主線程要檢查一下執行時間，某些事件必須要在規定的時間返回主線程。
四、Event Loop
主線程從"任務隊列"中讀取事件，這個過程是循環不斷的，所以整個的這種運行機制又稱為Event Loop（事件循環）。
為了更好地理解Event Loop，請看下圖（轉引自Philip Roberts的演講《Help, I'm stuck in an event-loop》）。
上圖中，主線程運行的時候，產生堆（heap）和棧（stack），棧中的代碼調用各種外部API，它們在"任務隊列"中加入各種事件（click，load，done）。只要棧中的代碼執行完畢，主線程就會去讀取"任務隊列"，依次執行那些事件所對應的回調函數。
執行棧中的代碼，總是在讀取"任務隊列"之前執行。請看下面這個例子。
複製代碼代碼如下:
var req = new XMLHttpRequest();
req.open('GET', url);
req.onload = function (){};
req.onerror = function (){};
req.send();
上面代碼中的req.send方法是Ajax操作向服務器發送數據，它是一個異步任務，意味著只有當前腳本的所有代碼執行完，系統才會去讀取"任務隊列"。所以，它與下面的寫法等價。
複製代碼代碼如下:
var req = new XMLHttpRequest();
req.open('GET', url);
req.send();
req.onload = function (){};
req.onerror = function (){};
也就是說，指定回調函數的部分（onload和onerror），在send()方法的前面或後面無關緊要，因為它們屬於執行棧的一部分，系統總是執行完它們，才會去讀取"任務隊列"。
五、定時器
除了放置異步任務，"任務隊列"還有一個作用，就是可以放置定時事件，即指定某些代碼在多少時間之後執行。這叫做"定時器"（timer）功能，也就是定時執行的代碼。
定時器功能主要由setTimeout()和setInterval()這兩個函數來完成，它們的內部運行機製完全一樣，區別在於前者指定的代碼是一次性執行，後者則為反复執行。以下主要討論setTimeout()。
setTimeout()接受兩個參數，第一個是回調函數，第二個是推遲執行的毫秒數。
複製代碼代碼如下:
console.log(1);
setTimeout(function(){console.log(2);},1000);
console.log(3);
上面代碼的執行結果是1，3，2，因為setTimeout()將第二行推遲到1000毫秒之後執行。
如果將setTimeout()的第二個參數設為0，就表示當前代碼執行完（執行棧清空）以後，立即執行（0毫秒間隔）指定的回調函數。
複製代碼代碼如下:
setTimeout(function(){console.log(1);}, 0);
console.log(2);
上面代碼的執行結果總是2，1，因為只有在執行完第二行以後，系統才會去執行"任務隊列"中的回調函數。
HTML5標準規定了setTimeout()的第二個參數的最小值（最短間隔），不得低於4毫秒，如果低於這個值，就會自動增加。在此之前，老版本的瀏覽器都將最短間隔設為10毫秒。
另外，對於那些DOM的變動（尤其是涉及頁面重新渲染的部分），通常不會立即執行，而是每16毫秒執行一次。這時使用requestAnimationFrame()的效果要好於setTimeout()。
需要注意的是，setTimeout()只是將事件插入了"任務隊列"，必須等到當前代碼（執行棧）執行完，主線程才會去執行它指定的回調函數。要是當前代碼耗時很長，有可能要等很久，所以並沒有辦法保證，回調函數一定會在setTimeout()指定的時間執行。
六、Node.js的Event Loop
Node.js也是單線程的Event Loop，但是它的運行機制不同於瀏覽器環境。
請看下面的示意圖（作者@BusyRich）。
根據上圖，Node.js的運行機制如下。
（1）V8引擎解析JavaScript腳本。
（2）解析後的代碼，調用Node API。
（3）libuv庫負責Node API的執行。它將不同的任務分配給不同的線程，形成一個Event Loop（事件循環），以異步的方式將任務的執行結果返回給V8引擎。
（4）V8引擎再將結果返回給用戶。
除了setTimeout和setInterval這兩個方法，Node.js還提供了另外兩個與"任務隊列"有關的方法：process.nextTick和setImmediate。它們可以幫助我們加深對"任務隊列"的理解。
process.nextTick方法可以在當前"執行棧"的尾部----主線程下一次讀取"任務隊列"之前----觸發回調函數。也就是說，它指定的任務總是發生在所有異步任務之前。 setImmediate方法則是在當前"任務隊列"的尾部觸發回調函數，也就是說，它指定的任務總是在主線程下一次讀取"任務隊列"時執行，這與setTimeout(fn, 0)很像。請看下面的例子（via StackOverflow）。
複製代碼代碼如下:
process.nextTick(function A() {
console.log(1);
process.nextTick(function B(){console.log(2);});
});
setTimeout(function timeout() {
console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 0)
// 1
// 2
// TIMEOUT FIRED
上面代碼中，由於process.nextTick方法指定的回調函數，總是在當前"執行棧"的尾部觸發，所以不僅函數A比setTimeout指定的回調函數timeout先執行，而且函數B也比timeout先執行。這說明，如果有多個process.nextTick語句（不管它們是否嵌套），將全部在當前"執行棧"執行。
現在，再看setImmediate。
複製代碼代碼如下:
setImmediate(function A() {
console.log(1);
setImmediate(function B(){console.log(2);});
});
setTimeout(function timeout() {
console.log('TIMEOUT FIRED');
}, 0)
// 1
// TIMEOUT FIRED
// 2
上面代碼中，有兩個setImmediate。第一個setImmediate，指定在當前"任務隊列"尾部（下一次"事件循環"時）觸發回調函數A；然後，setTimeout也是指定在當前"任務隊列"尾部觸發回調函數timeout，所以輸出結果中，TIMEOUT FIRED排在1的後面。至於2排在TIMEOUT FIRED的後面，是因為setImmediate的另一個重要特點：一次"事件循環"只能觸發一個由setImmediate指定的回調函數。
我們由此得到了一個重要區別：多個process.nextTick語句總是一次執行完，多個setImmediate則需要多次才能執行完。事實上，這正是Node.js 10.0版添加setImmediate方法的原因，否則像下面這樣的遞歸調用process.nextTick，將會沒完沒了，主線程根本不會去讀取"事件隊列"！
複製代碼代碼如下:
process.nextTick(function foo() {
process.nextTick(foo);
});
事實上，現在要是你寫出遞歸的process.nextTick，Node.js會拋出一個警告，要求你改成setImmediate。
另外，由於process.nextTick指定的回調函數是在本次"事件循環"觸發，而setImmediate指定的是在下次"事件循環"觸發，所以很顯然，前者總是比後者發生得早，而且執行效率也高（因為不用檢查"任務隊列"）。