一、前言

在開發過程中，有時會遇到需要控制任務并發執行數量的需求。

例如一個爬蟲程序，可以通過限制其并發任務數量來降低請求頻率，從而避免由于請求過于頻繁被封禁問題的發生。

接下來，本文介紹如何實現一個并發控制器。

二、示例 

const task = timeout => new Promise((resolve) => setTimeout(() => {    
   resolve(timeout);    
 }, timeout))      
 const taskList = [1000, 3000, 200, 1300, 800, 2000];     
 async function startNoConcurrentControl() {    
   console.time(NO_CONCURRENT_CONTROL_LOG);    
   await Promise.all(taskList.map(item => task(item)));   
   console.timeEnd(NO_CONCURRENT_CONTROL_LOG);    
 }    
 startNoConcurrentControl();   

上述示例代碼利用 Promise.all 方法模擬6個任務并發執行的場景，執行完所有任務的總耗時為 3000 毫秒。

下面會采用該示例來驗證實現方法的正確性。

三、實現

由于任務并發執行的數量是有限的，那么就需要一種數據結構來管理不斷產生的任務。

隊列的**「先進先出」特性可以保證任務并發執行的順序，在 JavaScript 中可以通過「數組來模擬隊列」**： 

class Queue {    
    constructor() {    
      this._queue = [];    
    }      
    push(value) {    
      return this._queue.push(value);    
    }      
    shift() {    
      return this._queue.shift();    
    }    
    isEmpty() {    
      return this._queue.length === 0;   
    }    
  }   

對于每一個任務，需要管理其執行函數和參數： 

class DelayedTask {    
    constructor(resolve, fn, args) {    
      this.resolve = resolve;    
      this.fn = fn;    
      this.args = args;    
    }    
  }   

接下來實現核心的 TaskPool 類，該類主要用來控制任務的執行： 

class TaskPool {    
    constructor(size) {    
      this.size = size;    
      this.queue = new Queue();   
    }      
    addTask(fn, args) {    
      return new Promise((resolve) => {    
        this.queue.push(new DelayedTask(resolve, fn, args));  
        if (this.size) {    
          this.size--;    
          const { resolve: taskResole, fn, args } = this.queue.shift();    
          taskResole(this.runTask(fn, args));    
        }    
      })    
    }    
    pullTask() {    
      if (this.queue.isEmpty()) {    
        return;    
      }    
      if (this.size === 0) {    
        return;    
      }    
      this.size++;    
      const { resolve, fn, args } = this.queue.shift();    
      resolve(this.runTask(fn, args));    
    }   
     runTask(fn, args) {    
      const result = Promise.resolve(fn(...args));    
       result.then(() => {   
        this.size--;    
        this.pullTask();    
      }).catch(() => {    
        this.size--;    
        this.pullTask();  
       })    
       return result;   
    }    
  }   

TaskPool 包含三個關鍵方法：

•  addTask: 將新的任務放入隊列當中，并觸發任務池狀態檢測，如果當前任務池非滿載狀態，則從隊列中取出任務放入任務池中執行。
•  runTask: 執行當前任務，任務執行完成之后，更新任務池狀態，此時觸發主動拉取新任務的機制。
•  pullTask: 如果當前隊列不為空，且任務池不滿載，則主動取出隊列中的任務執行。

接下來，將前面示例的并發數控制為2個： 

const cc = new ConcurrentControl(2);      
  async function startConcurrentControl() {    
    console.time(CONCURRENT_CONTROL_LOG);    
    await Promise.all(taskList.map(item => cc.addTask(task, [item])))    
    console.timeEnd(CONCURRENT_CONTROL_LOG);    
  }      
  startConcurrentControl();   

執行流程如下：

最終執行任務的總耗時為 5000 毫秒。

四、高階函數優化參數傳遞 

await Promise.all(taskList.map(item => cc.addTask(task, [item])))   

手動傳遞每個任務的參數的方式顯得非常繁瑣，這里可以通過**「高階函數實現參數的自動透傳」**： 

addTask(fn) {   
    return (...args) => {    
      return new Promise((resolve) => {    
        this.queue.push(new DelayedTask(resolve, fn, args));   
         if (this.size) {    
          this.size--;    
          const { resolve: taskResole, fn: taskFn, args: taskArgs } = this.queue.shift();    
          taskResole(this.runTask(taskFn, taskArgs));    
        }    
      })    
    }    
  }   

改造之后的代碼顯得簡潔了很多： 

await Promise.all(taskList.map(cc.addTask(task)))   

五、優化出隊操作

數組一般都是基于一塊**「連續內存」**來存儲，當調用數組的 shift 方法時，首先是刪除頭部元素（時間復雜度 O(1)），然后需要將未刪除元素左移一位（時間復雜度 O(n)），所以 shift 操作的時間復雜度為 O(n)。

由于 JavaScript 語言的特性，V8 在實現 JSArray 的時候給出了一種空間和時間權衡的解決方案，在不同的場景下，JSArray 會在 FixedArray 和 HashTable 兩種模式間切換。

在 hashTable 模式下，shift 操作省去了左移的時間復雜度，其時間復雜度可以降低為 O(1)，即使如此，shift 仍然是一個耗時的操作。

在數組元素比較多且需要頻繁執行 shift 操作的場景下，可以通過 「reverse + pop」 的方式優化。 

const Benchmark = require('benchmark');    
  const suite = new Benchmark.Suite;      
  suite.add('shift', function() {    
    let count = 10;    
    const arr = generateArray(count);    
    while (count--) {    
      arr.shift();    
    }   
  })   
  .add('reverse + pop', function() {    
    let count = 10;    
    const arr = generateArray(count);    
    arr.reverse();    
    while (count--) {    
      arr.pop();    
    }    
  })    
  .on('cycle', function(event) {    
    console.log(String(event.target));    
  })    
  .on('complete', function() {    
    console.log('Fastest is ' + this.filter('fastest').map('name'));    
    console.log('\n')    
  })    
  .run({    
    async: true    
  })   

通過 benchmark.js 跑出的基準測試數據，可以很容易地看出哪種方式的效率更高：

回顧之前 Queue 類的實現，由于只有一個數組來存儲任務，直接使用 reverse + pop 的方式，必然會影響任務執行的次序。

這里就需要引入雙數組的設計，一個數組負責入隊操作，一個數組負責出隊操作。 

class HighPerformanceQueue {    
   constructor() {    
     this.q1 = []; // 用于 push 數據    
     this.q2 = []; // 用于 shift 數據    
   }      
   push(value) {    
     return this.q1.push(value);   
   }    
   shift() {    
     let q2 = this.q2;  
      if (q2.length === 0) {    
       const q1 = this.q1;    
       if (q1.length === 0) {    
         return;    
       }    
       this.q1 = q2; // 感謝 @shaonialife 同學指正    
       q2 = this.q2 = q1.reverse();    
     }    
     return q2.pop();    
   }    
   isEmpty() {    
     if (this.q1.length === 0 && this.q2.length === 0) { 
        return true;   
     }    
     return false;    
   }    
 }   

最后通過基準測試來驗證優化的效果：