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JS 异步编程六种方案 #53

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ljianshu opened this issue Jan 13, 2019 · 0 comments

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@ljianshu
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commented Jan 13, 2019

前言

我们知道Javascript语言的执行环境是"单线程"。也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。

这种模式虽然实现起来比较简单,执行环境相对单纯,但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:同步和异步。本文主要介绍异步编程几种办法,并通过比较,得到最佳异步编程的解决方案!

一、同步与异步

我们可以通俗理解为异步就是一个任务分成两段,先执行第一段,然后转而执行其他任务,等做好了准备,再回过头执行第二段。排在异步任务后面的代码,不用等待异步任务结束会马上运行,也就是说,异步任务不具有”堵塞“效应。比如,有一个任务是读取文件进行处理,异步的执行过程就是下面这样

这种不连续的执行,就叫做异步。相应地,连续的执行,就叫做同步

"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。接下来介绍下异步编程六种方法。

二、回调函数(Callback)

回调函数是异步操作最基本的方法。以下代码就是一个回调函数的例子:

ajax(url, () => {
    // 处理逻辑
})

但是回调函数有一个致命的弱点,就是容易写出回调地狱(Callback hell)。假设多个请求存在依赖性,你可能就会写出如下代码:

ajax(url, () => {
    // 处理逻辑
    ajax(url1, () => {
        // 处理逻辑
        ajax(url2, () => {
            // 处理逻辑
        })
    })
})

回调函数的优点是简单、容易理解和实现,缺点是不利于代码的阅读和维护,各个部分之间高度耦合,使得程序结构混乱、流程难以追踪(尤其是多个回调函数嵌套的情况),而且每个任务只能指定一个回调函数。此外它不能使用 try catch 捕获错误,不能直接 return。

三、事件监听

这种方式下,异步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

下面是两个函数f1和f2,编程的意图是f2必须等到f1执行完成,才能执行。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.trigger('done');
  }, 1000);
}

上面代码中,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",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。阅读代码的时候,很难看出主流程。

四、发布订阅

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)。

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 () {
    // ...
    jQuery.publish('done');
  }, 1000);
}

上面代码中,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。
f2完成执行后,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。

五、Promise/A+

Promise本意是承诺,在程序中的意思就是承诺我过一段时间后会给你一个结果。 什么时候会用到过一段时间?答案是异步操作,异步是指可能比较长时间才有结果的才做,例如网络请求、读取本地文件等

1.Promise的三种状态

  • Pending----Promise对象实例创建时候的初始状态
  • Fulfilled----可以理解为成功的状态
  • Rejected----可以理解为失败的状态

这个承诺一旦从等待状态变成为其他状态就永远不能更改状态了,比如说一旦状态变为 resolved 后,就不能再次改变为Fulfilled

let p = new Promise((resolve, reject) => {
  reject('reject')
  resolve('success')//无效代码不会执行
})
p.then(
  value => {
    console.log(value)
  },
  reason => {
    console.log(reason)//reject
  }
)

当我们在构造 Promise 的时候,构造函数内部的代码是立即执行的

new Promise((resolve, reject) => {
  console.log('new Promise')
  resolve('success')
})
console.log('end')
// new Promise => end

2.promise的链式调用

  • 每次调用返回的都是一个新的Promise实例(这就是then可用链式调用的原因)
  • 如果then中返回的是一个结果的话会把这个结果传递下一次then中的成功回调
  • 如果then中出现异常,会走下一个then的失败回调
  • 在 then中使用了return,那么 return 的值会被Promise.resolve() 包装(见例1,2)
  • then中可以不传递参数,如果不传递会透到下一个then中(见例3)
  • catch 会捕获到没有捕获的异常

接下来我们看几个例子:

  // 例1
  Promise.resolve(1)
  .then(res => {
    console.log(res)
    return 2 //包装成 Promise.resolve(2)
  })
  .catch(err => 3)
  .then(res => console.log(res))
// 例2
Promise.resolve(1)
  .then(x => x + 1)
  .then(x => {
    throw new Error('My Error')
  })
  .catch(() => 1)
  .then(x => x + 1)
  .then(x => console.log(x)) //2
  .catch(console.error)
// 例3
let fs = require('fs')
function read(url) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    fs.readFile(url, 'utf8', (err, data) => {
      if (err) reject(err)
      resolve(data)
    })
  })
}
read('./name.txt')
  .then(function(data) {
    throw new Error() //then中出现异常,会走下一个then的失败回调
  }) //由于下一个then没有失败回调,就会继续往下找,如果都没有,就会被catch捕获到
  .then(function(data) {
    console.log('data')
  })
  .then()
  .then(null, function(err) {
    console.log('then', err)// then error
  })
  .catch(function(err) {
    console.log('error')
  })

Promise不仅能够捕获错误,而且也很好地解决了回调地狱的问题,可以把之前的回调地狱例子改写为如下代码:

ajax(url)
  .then(res => {
      console.log(res)
      return ajax(url1)
  }).then(res => {
      console.log(res)
      return ajax(url2)
  }).then(res => console.log(res))

它也是存在一些缺点的,比如无法取消 Promise,错误需要通过回调函数捕获。

六、生成器Generators/ yield

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 最大的特点就是可以控制函数的执行。

  • 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。
  • Generator 函数除了状态机,还是一个遍历器对象生成函数
  • 可暂停函数, yield可暂停,next方法可启动,每次返回的是yield后的表达式结果
  • yield表达式本身没有返回值,或者说总是返回undefined。next方法可以带一个参数,该参数就会被当作上一个yield表达式的返回值

我们先来看个例子:

function *foo(x) {
  let y = 2 * (yield (x + 1))
  let z = yield (y / 3)
  return (x + y + z)
}
let it = foo(5)
console.log(it.next())   // => {value: 6, done: false}
console.log(it.next(12)) // => {value: 8, done: false}
console.log(it.next(13)) // => {value: 42, done: true}

可能结果跟你想象不一致,接下来我们逐行代码分析:

  • 首先 Generator 函数调用和普通函数不同,它会返回一个迭代器
  • 当执行第一次 next 时,传参会被忽略,并且函数暂停在 yield (x + 1) 处,所以返回 5 + 1 = 6
  • 当执行第二次 next 时,传入的参数12就会被当作上一个yield表达式的返回值,如果你不传参,yield 永远返回 undefined。此时 let y = 2 * 12,所以第二个 yield 等于 2 * 12 / 3 = 8
  • 当执行第三次 next 时,传入的参数13就会被当作上一个yield表达式的返回值,所以 z = 13, x = 5, y = 24,相加等于 42

我们再来看个例子:有三个本地文件,分别1.txt,2.txt和3.txt,内容都只有一句话,下一个请求依赖上一个请求的结果,想通过Generator函数依次调用三个文件

//1.txt文件
2.txt
//2.txt文件
3.txt
//3.txt文件
结束
let fs = require('fs')
function read(file) {
  return new Promise(function(resolve, reject) {
    fs.readFile(file, 'utf8', function(err, data) {
      if (err) reject(err)
      resolve(data)
    })
  })
}
function* r() {
  let r1 = yield read('./1.txt')
  let r2 = yield read(r1)
  let r3 = yield read(r2)
  console.log(r1)
  console.log(r2)
  console.log(r3)
}
let it = r()
let { value, done } = it.next()
value.then(function(data) { // value是个promise
  console.log(data) //data=>2.txt
  let { value, done } = it.next(data)
  value.then(function(data) {
    console.log(data) //data=>3.txt
    let { value, done } = it.next(data)
    value.then(function(data) {
      console.log(data) //data=>结束
    })
  })
})
// 2.txt=>3.txt=>结束

从上例中我们看出手动迭代Generator 函数很麻烦,实现逻辑有点绕,而实际开发一般会配合 co 库去使用。co是一个为Node.js和浏览器打造的基于生成器的流程控制工具,借助于Promise,你可以使用更加优雅的方式编写非阻塞代码

安装co库只需:npm install co

上面例子只需两句话就可以轻松实现

function* r() {
  let r1 = yield read('./1.txt')
  let r2 = yield read(r1)
  let r3 = yield read(r2)
  console.log(r1)
  console.log(r2)
  console.log(r3)
}
let co = require('co')
co(r()).then(function(data) {
  console.log(data)
})
// 2.txt=>3.txt=>结束=>undefined

我们可以通过 Generator 函数解决回调地狱的问题,可以把之前的回调地狱例子改写为如下代码:

function *fetch() {
    yield ajax(url, () => {})
    yield ajax(url1, () => {})
    yield ajax(url2, () => {})
}
let it = fetch()
let result1 = it.next()
let result2 = it.next()
let result3 = it.next()

七、async/await

1.Async/Await简介

使用async/await,你可以轻松地达成之前使用生成器和co函数所做到的工作,它有如下特点:

  • async/await是基于Promise实现的,它不能用于普通的回调函数。
  • async/await与Promise一样,是非阻塞的。
  • async/await使得异步代码看起来像同步代码,这正是它的魔力所在。

一个函数如果加上 async ,那么该函数就会返回一个 Promise

async function async1() {
  return "1"
}
console.log(async1()) // -> Promise {<resolved>: "1"}

Generator函数依次调用三个文件那个例子用async/await写法,只需几句话便可实现

let fs = require('fs')
function read(file) {
  return new Promise(function(resolve, reject) {
    fs.readFile(file, 'utf8', function(err, data) {
      if (err) reject(err)
      resolve(data)
    })
  })
}
async function readResult(params) {
  try {
    let p1 = await read(params, 'utf8')//await后面跟的是一个Promise实例
    let p2 = await read(p1, 'utf8')
    let p3 = await read(p2, 'utf8')
    console.log('p1', p1)
    console.log('p2', p2)
    console.log('p3', p3)
    return p3
  } catch (error) {
    console.log(error)
  }
}
readResult('1.txt').then( // async函数返回的也是个promise
  data => {
    console.log(data)
  },
  err => console.log(err)
)
// p1 2.txt
// p2 3.txt
// p3 结束
// 结束

2.Async/Await并发请求

如果请求两个文件,毫无关系,可以通过并发请求

let fs = require('fs')
function read(file) {
  return new Promise(function(resolve, reject) {
    fs.readFile(file, 'utf8', function(err, data) {
      if (err) reject(err)
      resolve(data)
    })
  })
}
function readAll() {
  read1()
  read2()//这个函数同步执行
}
async function read1() {
  let r = await read('1.txt','utf8')
  console.log(r)
}
async function read2() {
  let r = await read('2.txt','utf8')
  console.log(r)
}
readAll() // 2.txt 3.txt

八、总结

1.JS 异步编程进化史:callback -> promise -> generator -> async + await

2.async/await 函数的实现,就是将 Generator 函数和自动执行器,包装在一个函数里。

3.async/await可以说是异步终极解决方案了。

(1) async/await函数相对于Promise,优势体现在:

  • 处理 then 的调用链,能够更清晰准确的写出代码
  • 并且也能优雅地解决回调地狱问题。

当然async/await函数也存在一些缺点,因为 await 将异步代码改造成了同步代码,如果多个异步代码没有依赖性却使用了 await 会导致性能上的降低,代码没有依赖性的话,完全可以使用 Promise.all 的方式。
(2) async/await函数对 Generator 函数的改进,体现在以下三点:

  • 内置执行器。

Generator 函数的执行必须靠执行器,所以才有了 co 函数库,而 async 函数自带执行器。也就是说,async 函数的执行,与普通函数一模一样,只要一行

  • 更广的适用性。

co 函数库约定,yield 命令后面只能是 Thunk 函数或 Promise 对象,而 async 函数的 await 命令后面,可以跟 Promise 对象和原始类型的值(数值、字符串和布尔值,但这时等同于同步操作)

  • 更好的语义。

async 和 await,比起星号和 yield,语义更清楚了。async 表示函数里有异步操作,await 表示紧跟在后面的表达式需要等待结果。

参考文章

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