Cuando decimos Event Loop

El trabajo de un desarrollador de software exige que aprendamos cosas nuevas y sigamos las tendencias del sector. Ya sea para mejorar nuestra posición en el mercado laboral o simplemente para ampliar nuestros conocimientos y nuestra productividad. En los dos últimos años, a lo que debemos seguir se sumaron primero los indicios iniciales de la inteligencia artificial, en forma de diversos asistentes de IA, copilotos e integraciones de ChatGPT, capaces de sustituir procesos habituales y rutinarios, pero también de generar soluciones a problemas más complejos. Hoy, en el momento de escribir este texto, los principales modelos de lenguaje son capaces de generar, a partir de un solo prompt en Claude Code Fable o ChatGPT Astra, un proyecto entero que se puede desplegar, probar y ejecutar. Del software y la medicina al copywriting y la traducción, los y las profesionales de estos campos se enfrentan ahora a oleadas de despidos. De este llamado desempleo tecnológico ya no se habla solo en el ámbito académico. Se ha convertido en tema y en realidad cotidiana de las profesiones de cuello blanco, véase aquí o aquí. No es la primera vez, ni será la última, que los avances tecnológicos vuelven irrelevantes muchos empleos y campos y, a cambio, crean otros nuevos. En esos casos se separa el grano de la paja, y es legítimo preguntarse: ¿quién seguirá siendo útil para las corporaciones en esta economía de mercado AI-powered?

Los puestos júnior parecen ser el primer blanco, y el más natural. Conocimientos superficiales, una capacidad poco desarrollada para ver los problemas técnicos en el contexto más amplio de los requisitos técnicos, pero también de negocio. La IA está dejando de padecerlo, mientras que los puestos júnior son conocidos precisamente por eso.

Si miro mi propio campo, el front-end y los runtimes de servidor del back-end node/deno/bun, me parece que un conocimiento más profundo del Event Loop es una de las pocas «hard skills» que, en el mundo de Javascript, separan a un programador júnior de un ingeniero de software sénior. Quien entiende el Event Loop puede responder a varias preguntas importantes, por ejemplo: ¿cómo es posible que Javascript sea un lenguaje de programación single-threaded y, sin embargo, hagamos en él varias cosas a la vez mediante operaciones asíncronas? Sobre el Event Loop se puede escribir mucho. Mis ambiciones son modestas. Voy a mirar el Event Loop de modo que pueda explicar una de las preguntas más habituales en una entrevista de trabajo para un puesto de desarrollador front-end: en qué orden se ejecutan las siguientes operaciones y por qué:

setTimeout(() => {
  console.log('hey, from set timeout');
}, 0);

new Promise((resolve) => resolve('ahoy from promise')).then((v) =>
  console.log(v)
);

console.log('hello from console log');

Introducción técnica al problema

Javascript es single-threaded. Si dejamos de lado la Web Workers API, esto significa que Javascript solo sabe procesar una única operación en cada momento. Javascript está diseñado para procesar las operaciones de forma secuencial con el método LIFO (Last-In, First-Out) y, mientras una operación no ha terminado, bloquea todas las siguientes. En circunstancias normales, por ejemplo, tras hacer clic en un botón, una sola petición GET lenta a una API remota bloquearía toda la interacción del usuario; la interfaz entera del navegador se quedaría congelada hasta que se resolviera la petición de red (network request). Cuando Brendan Eich diseñó Javascript en los años noventa, el procesamiento de las operaciones en Javascript era síncrono, con posibilidades limitadas de tratar los eventos provocados por la interacción del usuario con el navegador. Merecería una indagación histórica averiguar por qué Eich diseñó así Javascript. Hoy, sin embargo, sabemos que las páginas web basadas en Javascript (es decir, toda la web) no se comportan así. El usuario puede interactuar con varias partes de una página web a la vez. ¿Cómo puede lograrlo un lenguaje de programación single-threaded?

Enter Javascript runtime

Cuando decimos Javascript, tenemos que darnos cuenta de que se trata de una colección de bibliotecas y componentes. Solo al conectarlos obtenemos un conjunto que funciona: el runtime, es decir, el entorno en el que se ejecuta nuestra aplicación. Actualmente podemos elegir entre dos tipos principales de runtime. O bien se trata del runtime de un navegador web, o bien del runtime de una de las varias implementaciones de servidor, por ejemplo Node.js, Deno o el más reciente, Bun. Aunque los runtimes de los navegadores y de los servidores tienen elementos en común, también encontramos en ellos diferencias importantes. Estas se derivan de la orientación de cada tipo de runtime. Los navegadores web se orientan al trabajo con el DOM (window, document), a la interacción del usuario (addEventListener), a las operaciones de red mediante fetch o XMLHttpRequest, al almacenamiento local del navegador (localStorage, sessionStorage), etc. El runtime de Node.js o de Bun, en cambio, se orienta al entorno de las aplicaciones de servidor, al trabajo con el sistema de archivos y las bases de datos, o a las operaciones de bajo nivel sobre el sistema operativo. Pero ambos tipos de runtime implementan el Event Loop. Para simplificar, en adelante me ocuparé solo del runtime de los navegadores web.

El runtime de los navegadores web

El runtime de Javascript de los navegadores web se compone de las siguientes partes:

Javascript Engine
Web APIs
Event Loop
Task queue y Microtask queue

El Event Loop es solo uno de los componentes, y entra en juego únicamente cuando se procesa código asíncrono. Si en nuestro programa de Javascript usamos solo operaciones síncronas, el Event Loop no se utilizará nunca. Aun así, el Event Loop es una de las características principales de Javascript, y gracias a él las aplicaciones web modernas están llenas de funcionalidades asíncronas. Para entender el Event Loop, y el procesamiento de código asíncrono en Javascript en general, conviene recordar cómo se comporta Javascript con operaciones plenamente síncronas. Y para eso conviene entender cómo funciona el engine de Javascript.

Javascript engine

El corazón imaginario de Javascript es el engine. Las funciones principales de un engine de JavaScript son el parsing, la interpretación y la ejecución del código. Por parsing entendemos la conversión del código fuente de JavaScript en el llamado árbol de sintaxis abstracta (AST), una estructura que el engine es capaz de procesar. Por interpretación entendemos que la mayoría de los engines modernos primero interpretan el código y después lo compilan a código máquina (just-in-time compilation – JIT). Y por ejecución del código entendemos que, tras la traducción a código máquina, el engine empieza a ejecutar las instrucciones y mantiene la aplicación en marcha.

Ejemplos de engines de JavaScript populares:

V8: Lo usan Google Chrome y Node.js. Es conocido por su velocidad y eficiencia.
SpiderMonkey: El primer engine de JavaScript, desarrollado por Netscape; hoy se usa en Firefox.
JavaScriptCore (alias Nitro): Lo usan Safari y otros productos de Apple.
Chakra: Lo usaba Microsoft Edge (legacy); ahora lo sustituye el engine V8 en el nuevo Edge (Chromium).

El engine de JavaScript proporciona además dos estructuras de memoria: el heap y el call stack. Sus diferencias y su funcionamiento merecerían, de nuevo, un artículo aparte sobre la gestión de memoria en Javascript. La definición básica puede leerse en Wikipedia o sacarse con un prompt a ChatGPT.

Lo importante para entender el Event Loop es que el Javascript Engine como tal no implementa el procesamiento de código asíncrono. Toda la asincronía de Javascript hay que implementarla en otra parte. ¿Dónde? De eso se encarga precisamente el Javascript Runtime, que añade al engine de Javascript las Web APIs (estamos en el navegador), el Event loop y las colas de espera, la Task queue y la Microtask queue. Fun fact: si Javascript fuera un lenguaje de programación puramente síncrono, le bastaría con el heap y el call stack y no necesitaría el Event Loop. Pero me estoy adelantando.

Heap

El heap no es tan importante para entender el Event Loop. El heap es una estructura de memoria en la que el Javascript Engine guarda los tipos de datos complejos (Object, Array, Function, Map, Set, WeakMap, WeakSet). El tamaño del heap viene dado por el tamaño de la memoria RAM. A diferencia del call stack, el heap no está organizado de forma secuencial; es una memoria no lineal. En el heap se guardan los datos cuyo tipo y tamaño no conocemos durante la compilación y que pueden cambiar durante el runtime (asignación de otros valores a las properties de los objetos, creación de nuevas properties, de nuevos objetos, etc.), de modo que el heap es una memoria dinámica. Técnicamente, el heap es una implementación del patrón de diseño habitual de asignación dinámica de memoria (dynamic memory allocation pattern), lo que significa que requiere un Garbage Collector, que limpia la memoria asignada durante el runtime según si alguna parte del programa necesita todavía (tiene referencias en el call stack a) los objetos asignados en el heap. Si no es así, el Garbage Collector, en circunstancias normales, limpia el heap y libera la memoria. Pero el Garbage Collector no es preciso al 100 %, de modo que, pese a su existencia, pueden seguir produciéndose fugas de memoria (memory leaks).

Call Stack

El call stack, por su parte, es una memoria estática más sencilla y mucho más interesante para explicar el Event Loop, porque tiene que ver con el orden en que se ejecuta el código en Javascript. El engine de Javascript trabaja con el call stack solo de forma síncrona, paso a paso. Desde el punto de vista técnico, el call stack es una implementación del clásico patrón de diseño de la Pila (Stack), en el que el último elemento añadido a la memoria es el primero en procesarse (Last In, First Out, LIFO). ¿Y qué es exactamente lo que se guarda en el call stack, y el orden de qué determina exactamente? Para simplificar, podemos imaginar un programa de Javascript como una colección de funciones y variables; el call stack se encarga de que nuestras funciones se llamen y nuestras variables se declaren en el orden correcto y en el momento correcto.

Mientras que los tipos de datos complejos (objetos, arrays, etc.) se guardan en el heap, en el call stack se guardan solo las referencias/punteros al heap. Lo que sí se guarda realmente en el call stack son los valores de los tipos de datos primitivos (string, integer, boolean, etc.), y también todo el contexto de ejecución de la función, con lo que nos referimos a todo «lo que hace falta para llamar a la función». De nuevo, convendría profundizar en todo lo que significa el contexto de ejecución de una función, pero, para simplificar, el contexto de ejecución incluye:

Variable Environment (entorno de variables): El registro de las variables y de las declaraciones de funciones específicas de la función dada.
Lexical Environment (entorno léxico): Las referencias al scope superior (entorno léxico) y las variables definidas con let y const.
El enlace this: El valor de this en la función actual.
Detalles específicos de la llamada: Los argumentos pasados a la función y el mecanismo de su retorno (es decir, el lugar del programa al que este debe volver cuando la función termine).

Si dejo que Claude genere un ejemplo al azar para mostrar cómo funciona el call stack, tomemos, por ejemplo, el siguiente código:

function multiply(x, y) {
  const result = x * y;
  return result;
}

function calculate() {
  const a = 10;
  const b = 20;
  const product = multiply(a, b);
  console.log(product);
}

calculate();

¿Qué ocurre exactamente en un ejemplo tan sencillo? La situación es la siguiente: en el call stack se guarda primero la función calculate(), o mejor dicho, todo su contexto de ejecución. Después se añade al call stack el contexto de ejecución de la función multiply(). En cuanto la función multiply() se ha llamado y su resultado se ha asignado a la variable product, la función multiply() y su contexto de ejecución se retiran del call stack. Luego se guarda en el call stack el contexto de ejecución de console.log(). Una vez escrito el valor «200» en la consola del navegador, el contexto de ejecución de console.log() se retira del call stack. Por último se retira también el contexto de ejecución de la función calculate().

Fijémonos en que en el ejemplo no hay variables globales y en que la propia llamada a la función calculate() no está, aparentemente, dentro de ninguna función cuyo contexto de ejecución pudiera añadirse al call stack. ¿Cómo llegan entonces al call stack las variables globales y las llamadas a funciones en el scope global?

Global Execution Context (GEC)

Todo lo que está en el scope global puede entenderse como si se llamara dentro de una única función principal, cuyo contexto de ejecución tiene un nombre y un comportamiento especiales: el global execution context. Modifiquemos el ejemplo anterior y añadámosle variables globales.

var globalA = 'testGlobalA';
const globalB = 'testGlobalB';

function multiply(x, y) {
  const result = x * y;
  return result;
}

function calculate() {
  const a = 10;
  const b = 20;
  const product = multiply(a, b);
  console.log(product);
}

calculate();

Si aceptamos que el contexto global de nuestros scripts se trata como una especie de función «main», nuestro script se comportará así: al call stack se añade el contexto de ejecución global, al entorno de variables se añade la variable «globalA», al entorno léxico se añade la variable «globalB», y se crea el enlace this, que en el entorno del navegador apuntará al objeto global window. En cuanto al objeto window, conviene recordar que, mientras que var globalA se añade como property al objeto window, las variables definidas con const o let se añaden al scope global/entorno léxico global, pero no al objeto global window.

En cuanto todas las funciones definidas «dentro» del contexto de ejecución global se han añadido al call stack, se han procesado y se han retirado de él, en el call stack queda solo el contexto de ejecución global como última función; al final también este se retira, y el call stack queda vacío.

Así funciona, al menos en principio, siempre que todo el código que procesa el engine de Javascript sea síncrono. Si en nuestra aplicación (léase: dentro del contexto de ejecución global) tenemos funciones que se procesan de forma asíncrona, la situación es bastante distinta.

Hemos dicho que el global execution context (GEC) es una especie de función «main» inicial y el punto de entrada de la aplicación. Parece que tiene que estar en ejecución todo el tiempo, hasta que se haya procesado todo el código. Pero ¿qué pasa con las partes asíncronas del código? Estas pueden, al fin y al cabo, poner en marcha otras funciones que devuelven nuevos valores y crean nuevos contextos de ejecución, de modo que el contexto de ejecución global tiene que estar presente en el call stack «de algún modo». ¿Y cómo y cuándo se llama al código asíncrono cuando el call stack está parcialmente lleno, o cuando está completamente vacío? Y si el call stack está vacío, ¿cómo es posible que en Javascript se ejecute algo, por ejemplo cuando el usuario hace clic en un botón y se ejecuta el callback de un event listener registrado con addEventListener()? ¿Y qué vigila los callbacks asíncronos de addEventListener, si el engine de Javascript es totalmente síncrono y ni siquiera contiene ninguna función addEventListener?

La asincronía en Javascript, o Web APIs, Task queues, Event loop

El engine del lenguaje de programación Javascript no contiene ni el objeto console ni su método console.log(). Lo cual puede sorprender. El hecho es que funcionalidades tan habituales para los programadores como setTimeout, addEventListener, las operaciones para manipular el DOM o las peticiones de red asíncronas fetch o XMLHttpRequest no forman parte del engine de Javascript, sino de otro componente del Javascript runtime: la Web API.

Web API

¿Cómo consigue exactamente el engine de Javascript colaborar con la Web API de modo que el Engine tenga acceso a las funciones console.log() o setTimeout(), si no forman parte directamente del engine? El Javascript Engine (por ejemplo, V8) tiene un registro interno de funciones nativas, definidas en la especificación ECMAScript (p. ej., Math.random(), Array.prototype.map(), Date.now()). Gracias a él, el Engine reconoce que setTimeout() no es una función nativa, y por eso acude al scope global, o mejor dicho al objeto window, e intenta llamar al método window.setTimeout(). Y es que el Javascript runtime se asegura, antes incluso de inicializar el programa, de que el contexto de ejecución global (y, por tanto, el entorno léxico de cada función, véase más arriba) contenga los objetos que forman parte de la Web API, p. ej., document, navigator, performance, Intl, crypto, console.

Cuando le pedí a ChatGPT que me explicara el proceso de ejecución del método console.log(), me escribió, erróneamente, que console.log() forma parte del propio engine de Javascript. Cuando le señalé que no es así, ChatGPT se disculpó y me ofreció una respuesta más precisa. Me interesaba saber por qué había cometido el error. Lo achacó a que, supuestamente, entre los desarrolladores (y, por tanto, también entre los blogueros) está extendido un modelo mental del funcionamiento de Javascript en el que console.log() es una operación síncrona y, por tanto, se procesa directamente en el call stack (lo cual es cierto), y de ahí se sigue que si algo se procesa directamente en el call stack (y no necesita callbacks, que se procesan de forma asíncrona fuera del hilo principal de Javascript, ni por tanto el Event loop), tiene que formar parte del engine de Javascript.

Eso es un error. El método console.log() no existe en el engine de Javascript; este no sabe nada de él, salvo que no es una función nativa. Entrega su procesamiento concreto al Javascript runtime, donde el navegador (o nodejs) ejecuta la función mediante código de bajo nivel en C++ a través de los bindings de C++, que son las relaciones entre una función de Javascript y la función de C++ que realmente hace lo que le pedimos a la función de Javascript.

Ya sabemos, a grandes rasgos, cómo funciona cuando el engine de Javascript necesita llamar a una función no nativa de la Web API. Pero ¿qué pasa con la asincronía y con las llamadas a setTimeout(), addEventListener() o fetch()?

Callbacks y Task Queues en general

Como lenguaje single-threaded, el engine de Javascript necesita delegar fuera de sí mismo la ejecución de las operaciones asíncronas. Además de la Web API, el Javascript runtime contiene otros componentes que hacen posibles las operaciones asíncronas: las Task queues y el Event loop. Todas las operaciones asíncronas de Javascript se resuelven mediante callbacks (también await/async, que es sugar code que usa la asincronía basada en Promises). Cuando el Engine se encuentra con una operación asíncrona, entrega su procesamiento por completo a la Web API. Si se trata de un temporizador como setTimeout(), la Web API espera el número correspondiente de milisegundos; si se trata de una network request como fetch, de nuevo le corresponde a la Web API esperar la respuesta de esa network request. En cuanto la Web API termina de procesar la operación asíncrona en sí, toma el callback definido por el programador y pasa esa función callback a un componente especial del Javascript runtime, una cola llamada Task queue o Microtask queue.

Los callbacks permanecen en las colas hasta que el call stack está completamente vacío, o mejor dicho, hasta que en él queda solo el contexto de ejecución global (GEC). En cuanto en el call stack está solo el GEC, le llega el turno a otro componente: el Event Loop.

Task queue

La Task queue es la más antigua de las dos colas y, en cierto sentido, es tan antigua como el propio Javascript. Ya las primeras versiones de Javascript en Netscape Navigator conocían setTimeout() y sabían reaccionar a los eventos provocados por el usuario, y ambas cosas necesitaban un lugar donde el callback esperase hasta que el engine terminara lo que estaba haciendo. Formalmente, sin embargo, la Task queue (y el Event loop en general) no se describió hasta la especificación HTML5 de la organización WHATWG, que unificó cómo deben comportarse en este aspecto todos los navegadores.

La razón de ser de la Task queue es aquella con la que empezamos: un engine single-threaded no puede esperar a nada. Por eso la Web API resuelve la espera fuera del engine y luego entrega a la Task queue solo el callback ya listo, que se procesa cuando le llega el turno. A la Task queue (la especificación HTML las llama tasks; en los blogs encontramos a menudo también la denominación macrotasks) pertenecen:

los callbacks de los temporizadores setTimeout() y setInterval(),
los callbacks de los eventos registrados con addEventListener() (un clic, la pulsación de una tecla, el scroll…),
los eventos de red de las API más antiguas, por ejemplo onload en XMLHttpRequest o los mensajes de un WebSocket,
los mensajes entre ventanas y workers enviados con postMessage(),
y, en general, la propia ejecución de un script desde la etiqueta <script>: también nuestro contexto de ejecución global empieza su vida como una task.

Hay dos cosas que merece la pena mencionar. Primero, «Task queue» en singular es una simplificación. La especificación permite al navegador tener varias colas (por ejemplo, una para las interacciones del usuario y otra para los temporizadores) y elegir entre ellas, de modo que el navegador puede dar prioridad a un clic frente a un temporizador. Dentro de una misma cola, sin embargo, rige el método FIFO. Segundo, el Event loop toma de la Task queue siempre una sola task, y entre dos tasks el navegador tiene ocasión de repintar la página. Por eso ni siquiera setTimeout(callback, 0) significa «ahora mismo», sino «como pronto en la siguiente vuelta del Event loop». Además, con llamadas a temporizadores muy anidadas, los navegadores elevan el retardo mínimo a 4 ms.

Microtask queue

La Microtask queue es bastante más joven. El término microtask apareció hacia 2011, cuando ingenieros de Mozilla y de Chromium proponían un sustituto de los llamados Mutation Events, un mecanismo antiguo con el que se podían seguir los cambios en el DOM. Los Mutation Events se disparaban de forma síncrona con cada cambio individual del DOM, lo cual era lento y propenso a errores. La nueva API MutationObserver debía entregar los cambios de forma asíncrona y todos a la vez, en un lote, pero al mismo tiempo antes de que el navegador repintara la página o procesara el siguiente evento. La Task queue no bastaba para eso, porque entre dos tasks ya puede producirse un repintado o el procesamiento de otro clic. Por eso nació una nueva cola, cuyos callbacks se procesan en cuanto el call stack se vacía, antes aún de la siguiente task.

El segundo uso de la Microtask queue, y hoy el más conocido, fueron las Promises, estandarizadas en ECMAScript 2015 (ES6). La especificación de ECMAScript las llama «jobs», pero el navegador las coloca precisamente en la Microtask queue. Con ello las Promises recibieron una garantía importante: el callback de .then() nunca se llama de forma síncrona, pero tampoco innecesariamente tarde; siempre justo después de que termine el código que se está ejecutando. Hacia 2019 los navegadores añadieron además la función queueMicrotask(), con la que también el programador puede programar una microtask directamente, sin dar el rodeo por una Promise.

A la Microtask queue pertenecen:

los callbacks de las Promises: .then(), .catch(), .finally(),
la continuación de una función async después de await (async/await está construido sobre Promises),
los callbacks pasados a queueMicrotask(),
los callbacks de MutationObserver.

Y una regla importante más: mientras que de la Task queue el Event loop toma en cada momento exactamente una task, la Microtask queue la vacía siempre entera, incluidas las microtasks que se han añadido durante su procesamiento. Si alguna microtask añadiera otra microtask, el navegador ya no llegaría ni al clic ni a repintar la página, y la página se quedaría congelada, igual que con un bucle infinito en código síncrono.

Event Loop

El misterioso Event loop resulta ser ahora algo relativamente trivial. El Event loop no es más que un componente del Javascript runtime que comprueba constantemente si el call stack está lleno. Si está vacío, la siguiente tarea del Event loop es decidir si toma, con el método FIFO, el primer callback de la Task queue o de la Microtask queue. Eso es todo.