JavaScript與異步編程
【引自老帖子的博客】什么是異步(Asynchrony)
按照維基百科上的解釋：獨立于主控制流之外發生的事件就叫做異步。比如說有一段順序執行的代碼
- void function main() {
- fA();
- fB();
- }();
fA => fB 是順序執行的，永遠都是 fA 在 fB 的前面執行，他們就是 同步 的關系。加入這時使用 setTimeout 將 fB 延后
- void function main() {
- setTimeout(fA, 1000);
- fB();
- }();
這時，fA 相對于 fB 就是異步的。main 函數只是聲明了要在一秒后執行一次 fA，而并沒有立刻執行它。這時，fA 的控制流就獨立于 main 之外。
JavaScript——天生異步的語言
因為 setTimeout 的存在，至少在被 ECMA 標準化的那一刻起，JavaScript 就支持異步編程了。與其他語言的 sleep 不同，setTimeout 是異步的——它不會阻擋當前程序繼續往下執行。
然而異步編程真正發展壯大，Ajax 的流行功不可沒。Ajax 中的 A(Asynchronous)真正點到了異步的概念——這還是 IE5、IE6 的時代。
回調函數——異步編程之痛
異步任務執行完畢之后怎樣通知開發者呢?回調函數是最樸素的，容易想到的實現方式。于是從異步編程誕生的那一刻起，它就和回調函數綁在了一起。
例如 setTimeout。這個函數會起一個定時器，在超過指定時間后執行指定的函數。比如在一秒后輸出數字 1，代碼如下：
- setTimeout(() => {
- console.log(1);
- }, 1000);
常規用法。如果需求有變，需要每秒輸出一個數字(當然不是用 setInterval)，JavaScript 的初學者可能會寫出這樣的代碼：
- for (let i = 1; i < 10; ++i) {
- setTimeout(() => { // 錯誤！
- console.log(i);
- }, 1000);
- }
執行結果是等待 1 秒后，一次性輸出了所有結果。因為這里的循環是同時啟了 10 個定時器，每個定時器都等待 1 秒，結果當然是所有定時器在 1 秒后同時超時，觸發回調函數。
解法也簡單，只需要在前一個定時器超時后再啟動另一個定時器，代碼如下：
- setTimeout(() => {
- console.log(1);
- setTimeout(() => {
- console.log(2);
- setTimeout(() => {
- console.log(3);
- setTimeout(() => {
- console.log(4);
- setTimeout(() => {
- console.log(5);
- setTimeout(() => {
- // ...
- }, 1000);
- }, 1000);
- }, 1000)
- }, 1000)
- }, 1000)
- }, 1000);
層層嵌套，結果就是這樣的漏斗形代碼。可能有人想到了新標準中的 Promise，可以改寫如下：
- function timeout(delay) {
- return new Promise(resolve => {
- setTimeout(resolve, delay);
- });
- }
- timeout(1000).then(() => {
- console.log(1);
- return timeout(1000);
- }).then(() => {
- console.log(2);
- return timeout(1000);
- }).then(() => {
- console.log(3);
- return timeout(1000);
- }).then(() => {
- console.log(4);
- return timeout(1000);
- }).then(() => {
- console.log(5);
- return timeout(1000);
- }).then(() => {
- // ..
- });
漏斗形代碼是沒了，但代碼量本身并沒減少多少。Promise 并沒能干掉回調函數。
因為回調函數的存在，循環就無法使用。不能循環，那么只能考慮遞歸了，解法如下：
- let i = 1;
- function next() {
- console.log(i);
- if (++i < 10) {
- setTimeout(next, 1000);
- }
- }
- setTimeout(next, 1000);
注意雖然寫法是遞歸，但由于 next 函數都是由瀏覽器調用的，所以實際上并沒有遞歸函數的調用棧結構。
Generator——JavaScript 中的半協程
很多語言都引入了協程來簡化異步編程，JavaScript 也有類似的概念，叫做 Generator。
MDN 上的解釋：Generator 是一種可以中途退出之后重入的函數。他們的函數上下文在每次重入后會被保持。簡而言之，Generator 與普通 Function ***的區別就是：Generator 自身保留上次調用的狀態。
舉個簡單的例子：
- function *gen() {
- yield 1;
- yield 2;
- return 3;
- }
- void function main() {
- var iter = gen();
- console.log(iter.next().value);
- console.log(iter.next().value);
- console.log(iter.next().value);
- }();
代碼的執行順序是這樣：
- 請求 gen，得到一個迭代器 iter。注意此時并未真正執行 gen 的函數體。
- 調用 iter.next()，執行 gen 的函數體。
- 遇到 yield 1，將 1 返回，iter.next() 的返回值即為 { done: false, value: 1 }，輸出 1
- 調用 iter.next()。從上次 yield 出去的地方繼續往下執行 gen。
- 遇到 yield 2，將 2 返回，iter.next() 的返回值即為 { done: false, value: 2 }，輸出 2
- 調用 iter.next()。從上次 yield 出去的地方繼續往下執行 gen。
- 遇到 return 3，將 3 返回，return 表示整個函數已經執行完畢。iter.next() 的返回值即為 { done: true, value: 3 }，輸出 3
調用 Generator 函數只會返回一個迭代器，當用戶主動調用了 iter.next() 后，這個 Generator 函數才會真正執行。
你可以使用 for ... of 遍歷一個 iterator，例如
- for (var i of gen()) {
- console.log(i);
- }
輸出 1 2，*** return 3 的結果不算在內。想用 Generator 的各項生成一個數組也很簡單，Array.from(gen()) 或直接用 [...gen()] 即可，生成 [1, 2] 同樣不包含***的 return 3。
Generator 是異步的嗎
Generator 也叫半協程(semicoroutine)，自然與異步關系匪淺。那么 Generator 是異步的嗎?
既是也不是。前面提到，異步是相對的，例如上面的例子
- function *gen() {
- yield 1;
- yield 2;
- return 3;
- }
- void function main() {
- var iter = gen();
- console.log(iter.next().value);
- console.log(iter.next().value);
- console.log(iter.next().value);
- }();
我們可以很直觀的看到，gen 的方法體與 main 的方法體在交替執行，所以可以肯定的說，gen 相對于 main 是異步執行的。然而此段過程中，整個控制流都沒有交回給瀏覽器，所以說 gen 和 main 相對于瀏覽器是同步執行的。
用 Generator 簡化異步代碼
回到最初的問題：
- for (let i = 0; i < 10; ++i) {
- setTimeout(() => {
- console.log(i);
- }, 1000);
- // 等待上面 setTimeout 執行完畢
- }
關鍵在于如何等待前面的 setTimeout 觸發回調后再執行下一輪循環。如果使用 Generator，我們可以考慮在 setTimeout 后 yield 出去(控制流返還給瀏覽器)，然后在 setTimeout 觸發的回調函數中 next，將控制流交還回給代碼，執行下一段循環。
- let iter;
- function* run() {
- for (let i = 1; i < 10; ++i) {
- setTimeout(() => iter.next(), 1000);
- yield; // 等待上面 setTimeout 執行完畢
- console.log(i);
- }
- }
- iter = run();
- iter.next();
代碼的執行順序是這樣：
- 請求 run，得到一個迭代器 iter。注意此時并未真正執行 run 的函數體。
- 調用 iter.next()，執行 run 的函數體。
- 循環開始，i 初始化為 1。
- 執行 setTimeout，啟動一個定時器，回調函數延后 1 秒執行。
- 遇到 yield(即 yield undefined)，控制流返回到***的 iter.next() 之后。因為后面沒有其他代碼了，瀏覽器獲得控制權，響應用戶事件，執行其他異步代碼等。
- 1 秒后，setTimeout 超時，執行回調函數 () => iter.next()。
- 調用 iter.next()。從上次 yield 出去的地方繼續往下執行，即 console.log(i)，輸出 i 的值。
- 一次循環結束，i 自增為 2，回到第 4 步繼續執行
- ……
這樣即實現了類似同步 sleep 的要求。
async、await——用同步語法寫異步代碼
上面的代碼畢竟需要手工定義迭代器變量，還要手工 next;更重要的是與 setTimeout 緊耦合，無法通用。
我們知道 Promise 是異步編程的未來。能不能把 Promise 和 Generator 結合使用呢?這樣考慮的結果就是 async 函數。
用 async 得到代碼如下
- function timeout(delay) {
- return new Promise(resolve => {
- setTimeout(resolve, delay);
- });
- }
- async function run() {
- for (let i = 1; i < 10; ++i) {
- await timeout(1000);
- console.log(i);
- }
- }
- run();
按照 Chrome 的設計文檔，async 函數內部就是被編譯為 Generator 執行的。run 函數本身會返回一個 Promise，用于使主調函數得知 run 函數什么時候執行完畢。所以 run() 后面也可以 .then(xxx)，甚至直接 await run()。
注意有時候我們的確需要幾個異步事件并行執行(比如調用兩個接口，等兩個接口都返回后執行后續代碼)，這時就不要過度使用 await，例如：
- const a = await queryA(); // 等待 queryA 執行完畢后
- const b = await queryB(); // 執行 queryB
- doSomething(a, b);
這時 queryA 和 queryB 就是串行執行的。可以略作修改：
- const promiseA = queryA(); // 執行 queryA
- const b = await queryB(); // 執行 queryB 并等待其執行結束。這時同時 queryA 也在執行。
- const a = await promiseA(); // 這時 queryB 已經執行結束。繼續等待 queryA 執行結束
- doSomething(a, b);
我個人比較喜歡如下寫法：
- const [ a, b ] = await Promise.all([ queryA(), queryB() ]);
- doSomething(a, b);
將 await 和 Promise 結合使用，效果更佳!
結束語
如今 async 函數已經被各大主流瀏覽器實現(除了 IE)。如果要兼容舊版瀏覽器，可以使用 babel 將其編譯為 Generator。如果還要兼容只支持 ES5 的瀏覽器，還可以繼續把 Generator 編譯為 ES5。編譯后的代碼量比較大，小心代碼膨脹。
如果是用 node 寫 Server，那就不用糾結了直接用就是了。koa 是用 async 是你的好幫手。
