JavaScript异步编程简介

你可能知道,Javascript语言的执行环境是"单线程"(single thread)。

所谓"单线程",就是指一次只能完成一件任务。如果有多个任务,就必须排队,前面一个任务完成,再执行后面一个任务,以此类推。

排队

这种模式的好处是实现起来比较简单,执行环境相对单纯;坏处是只要有一个任务耗时很长,后面的任务都必须排队等着,会拖延整个程序的执行。常见的浏览器无响应(假死),往往就是因为某一段Javascript代码长时间运行(比如死循环),导致整个页面卡在这个地方,其他任务无法执行。

为了解决这个问题,Javascript语言将任务的执行模式分成两种:同步(Synchronous)和异步(Asynchronous)。
"同步模式"就是上一段的模式,后一个任务等待前一个任务结束,然后再执行,程序的执行顺序与任务的排列顺序是一致的、同步的;"异步模式"则完全不同,每一个任务有一个或多个回调函数(callback),前一个任务结束后,不是执行后一个任务,而是执行回调函数,后一个任务则是不等前一个任务结束就执行,所以程序的执行顺序与任务的排列顺序是不一致的、异步的。

"异步模式"非常重要。在浏览器端,耗时很长的操作都应该异步执行,避免浏览器失去响应,最好的例子就是Ajax操作。在服务器端,"异步模式"甚至是唯一的模式,因为执行环境是单线程的,如果允许同步执行所有http请求,服务器性能会急剧下降,很快就会失去响应。

JavaScript异步编程方法

ES 6以前:

  • 回调函数
  • 事件监听
  • 事件发布/订阅
  • Promise对象

ES 6:

  • Generator函数

ES 7:

  • async和await

异步编程方法

ES6以前

回调函数

这是异步编程最基本的方法。

假定有两个函数f1和f2,后者等待前者的执行结果。

f1();
f2();

如果f1是一个很耗时的任务,可以考虑改写f1,把f2写成f1的回调函数。

function f1(callback){
  setTimeout(function () {
    // f1的任务代码
    callback();
  }, 1000);
}

执行代码就变成下面这样:

f1(f2);

采用这种方式,我们把同步操作变成了异步操作,f1不会堵塞程序运行,相当于先执行程序的主要逻辑,将耗时的操作推迟执行。
回调函数的优点是简单、容易理解和部署,缺点是不利于代码的阅读和维护,各个部分之间高度耦合(Coupling),流程会很混乱,而且每个任务只能指定一个回调函数。

这种方式,回调过多时,会造成回调地狱:

回调地狱

事件监听

任务的执行不取决于代码的顺序,而取决于某个事件是否发生。
还是以f1和f2为例。首先,为f1绑定一个事件(这里采用的jQuery的写法)。

f1.on('done', f2);

上面这行代码的意思是,当f1发生done事件,就执行f2。然后,对f1进行改写:

function f1(){
  setTimeout(function () {
    // f1的任务代码
    f1.trigger('done');
  }, 1000);
}

f1.trigger('done')表示,执行完成后,立即触发done事件,从而开始执行f2。

这种方法的优点是比较容易理解,可以绑定多个事件,每个事件可以指定多个回调函数,而且可以"去耦合"(Decoupling),有利于实现模块化。缺点是整个程序都要变成事件驱动型,运行流程会变得很不清晰。

事件发布/订阅

上一节的"事件",完全可以理解成"信号"。
我们假定,存在一个"信号中心",某个任务执行完成,就向信号中心"发布"(publish)一个信号,其他任务可以向信号中心"订阅"(subscribe)这个信号,从而知道什么时候自己可以开始执行。这就叫做"发布/订阅模式"(publish-subscribe pattern),又称"观察者模式"(observer pattern)。
这个模式有多种实现,下面采用的是Ben Alman的Tiny Pub/Sub,这是jQuery的一个插件。
首先,f2向"信号中心"jQuery订阅"done"信号。

jQuery.subscribe("done", f2);

然后,f1进行如下改写:

function f1(){
  setTimeout(function () {
    // f1的任务代码
    jQuery.publish("done");
  }, 1000);
}

jQuery.publish("done")的意思是,f1执行完成后,向"信号中心"jQuery发布"done"信号,从而引发f2的执行。
此外,f2完成执行后,也可以取消订阅(unsubscribe)。

jQuery.unsubscribe("done", f2);

这种方法的性质与"事件监听"类似,但是明显优于后者。因为我们可以通过查看"消息中心",了解存在多少信号、每个信号有多少订阅者,从而监控程序的运行。

Promise对象

Promises对象是CommonJS工作组提出的一种规范,目的是为异步编程提供统一接口。
简单说,它的思想是,每一个异步任务返回一个Promise对象,该对象有一个then方法,允许指定回调函数。比如,f1的回调函数f2,可以写成:

f1().then(f2);

f1要进行如下改写(这里使用的是jQuery的实现):

function f1(){
  var dfd = $.Deferred();
  setTimeout(function () {
    // f1的任务代码
    dfd.resolve();
  }, 500);
  return dfd.promise;
}

这样写的优点在于,回调函数变成了链式写法,程序的流程可以看得很清楚,而且有一整套的配套方法,可以实现许多强大的功能。
比如,指定多个回调函数:

f1().then(f2).then(f3);

再比如,指定发生错误时的回调函数:

f1().then(f2).fail(f3);

Promise对象有以下两个特点。

(1)对象的状态不受外界影响。Promise对象代表一个异步操作,有三种状态:pending(进行中)、fulfilled(已成功)和rejected(已失败)。只有异步操作的结果,可以决定当前是哪一种状态,任何其他操作都无法改变这个状态。这也是Promise这个名字的由来,它的英语意思就是“承诺”,表示其他手段无法改变。

(2)一旦状态改变,就不会再变,任何时候都可以得到这个结果。Promise对象的状态改变,只有两种可能:从pending变为fulfilled和从pending变为rejected。只要这两种情况发生,状态就凝固了,不会再变了,会一直保持这个结果,这时就称为 resolved(已定型)。如果改变已经发生了,你再对Promise对象添加回调函数,也会立即得到这个结果。这与事件(Event)完全不同,事件的特点是,如果你错过了它,再去监听,是得不到结果的。

Promise各个状态的切换:
Promise各个状态的切换

有了Promise对象,就可以将异步操作以同步操作的流程表达出来,避免了层层嵌套的回调函数。此外,Promise对象提供统一的接口,使得控制异步操作更加容易。所以这种方式能够很好的解决了回调地狱的问题:

promise解决回调地狱

Promise也有一些缺点。首先,无法取消Promise,一旦新建它就会立即执行,无法中途取消。其次,如果不设置回调函数,Promise内部抛出的错误,不会反应到外部。第三,当处于pending状态时,无法得知目前进展到哪一个阶段(刚刚开始还是即将完成)。

而且,它还有一个前面三种方法都没有的好处:如果一个任务已经完成,再添加回调函数,该回调函数会立即执行。所以,你不用担心是否错过了某个事件或信号。这种方法的缺点就是编写和理解,都相对比较难。
Promise对象

ES6•Generator函数

Generator 函数是 ES6 提供的一种异步编程解决方案,语法行为与传统函数完全不同。

Generator 函数有多种理解角度。语法上,首先可以把它理解成,Generator 函数是一个状态机,封装了多个内部状态。

执行 Generator 函数会返回一个遍历器对象,也就是说,Generator 函数除了状态机,还是一个遍历器对象生成函数。返回的遍历器对象,可以依次遍历 Generator 函数内部的每一个状态。

形式上,Generator 函数是一个普通函数,但是有两个特征。一是,function关键字与函数名之间有一个星号;二是,函数体内部使用yield表达式,定义不同的内部状态(yield在英语里的意思就是“产出”)。

function* helloWorldGenerator() {
  yield 'hello';
  yield 'world';
  return 'ending';
}
var hw = helloWorldGenerator();

上面代码定义了一个 Generator 函数helloWorldGenerator,它内部有两个yield表达式(hello和world),即该函数有三个状态:hello,world 和 return 语句(结束执行)。

然后,Generator 函数的调用方法与普通函数一样,也是在函数名后面加上一对圆括号。不同的是,调用 Generator 函数后,该函数并不执行,返回的也不是函数运行结果,而是一个指向内部状态的指针对象,也就是遍历器对象(Iterator Object)

下一步,必须调用遍历器对象的next方法,使得指针移向下一个状态。也就是说,每次调用next方法,内部指针就从函数头部或上一次停下来的地方开始执行,直到遇到下一个yield表达式(或return语句)为止。换言之,Generator 函数是分段执行的,yield表达式是暂停执行的标记,而next方法可以恢复执行。

hw.next()
// { value: 'hello', done: false }

hw.next()
// { value: 'world', done: false }

hw.next()
// { value: 'ending', done: true }

hw.next()
// { value: undefined, done: true }

上面代码一共调用了四次next方法。

第一次调用,Generator 函数开始执行,直到遇到第一个yield表达式为止。next方法返回一个对象,它的value属性就是当前yield表达式的值hello,done属性的值false,表示遍历还没有结束。

第二次调用,Generator 函数从上次yield表达式停下的地方,一直执行到下一个yield表达式。next方法返回的对象的value属性就是当前yield表达式的值world,done属性的值false,表示遍历还没有结束。

第三次调用,Generator 函数从上次yield表达式停下的地方,一直执行到return语句(如果没有return语句,就执行到函数结束)。next方法返回的对象的value属性,就是紧跟在return语句后面的表达式的值(如果没有return语句,则value属性的值为undefined),done属性的值true,表示遍历已经结束。

第四次调用,此时 Generator 函数已经运行完毕,next方法返回对象的value属性为undefined,done属性为true。以后再调用next方法,返回的都是这个值。

总结一下,调用 Generator 函数,返回一个遍历器对象,代表 Generator 函数的内部指针。以后,每次调用遍历器对象的next方法,就会返回一个有着value和done两个属性的对象。value属性表示当前的内部状态的值,是yield表达式后面那个表达式的值;done属性是一个布尔值,表示是否遍历结束。

Generator函数语法
Generator函数的异步应用

ES7•async和await

第一个例子

Async/Await应该是目前最简单的异步方案了,首先来看个例子。

这里我们要实现一个暂停功能,输入N毫秒,则停顿N毫秒后才继续往下执行。

var sleep = function (time) {
    return new Promise(function (resolve, reject) {
        setTimeout(function () {
            resolve();
        }, time);
    })
};

var start = async function () {
    // 在这里使用起来就像同步代码那样直观
    console.log('start');
    await sleep(3000);
    console.log('end');
};

start();

控制台先输出start,稍等3秒后,输出了end。

基本规则

async 表示这是一个async函数,await只能用在这个函数里面。

await 表示在这里等待promise返回结果了,再继续执行。

await 后面跟着的应该是一个promise对象(当然,其他返回值也没关系,只是会立即执行,不过那样就没有意义了…)

获得返回值

await等待的虽然是promise对象,但不必写.then(..),直接可以得到返回值。

var sleep = function (time) {
    return new Promise(function (resolve, reject) {
        setTimeout(function () {
            // 返回 ‘ok’
            resolve('ok');
        }, time);
    })
};

var start = async function () {
    let result = await sleep(3000);
    console.log(result); // 收到 ‘ok’
};

捕捉错误

既然.then(..)不用写了,那么.catch(..)也不用写,可以直接用标准的try catch语法捕捉错误。

var sleep = function (time) {
    return new Promise(function (resolve, reject) {
        setTimeout(function () {
            // 模拟出错了,返回 ‘error’
            reject('error');
        }, time);
    })
};

var start = async function () {
    try {
        console.log('start');
        await sleep(3000); // 这里得到了一个返回错误
        
        // 所以以下代码不会被执行了
        console.log('end');
    } catch (err) {
        console.log(err); // 这里捕捉到错误 `error`
    }
};

循环多个await

await看起来就像是同步代码,所以可以理所当然的写在for循环里,不必担心以往需要闭包才能解决的问题。

//..省略以上代码

var start = async function () {
    for (var i = 1; i <= 10; i++) {
        console.log(`当前是第${i}次等待..`);
        await sleep(1000);
    }
};
值得注意的是,await必须在async函数的上下文中的。

..省略以上代码

let 一到十 = [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10];

// 错误示范
一到十.forEach(function (v) {
    console.log(`当前是第${v}次等待..`);
    await sleep(1000); // 错误!! await只能在async函数中运行
});

// 正确示范
for(var v of 一到十) {
    console.log(`当前是第${v}次等待..`);
    await sleep(1000); // 正确, for循环的上下文还在async函数中
}

async,await解决回调地狱:

async,await解决回调地狱

参考资料

深入解析Javascript异步编程
Javascript异步编程的4种方法
体验异步的终极解决方案-ES7的Async/Await
ECMAScript 6 入门
async/await 语法到底好在哪里?一图胜千言。

Last modification:October 28th, 2019 at 02:49 pm
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