JavaScript 异步之路

2016 年 7 月 14 日

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1. 基本介绍

我们知道，JavaScript 语言的一大特点是单线程，这是由它最初的应用场景决定的。它最初作为浏览器的脚本语言，用来与用户进行交互，并且可以用来操作 DOM。如果它是多线程的，可能会带来复杂的冲突，因此 JavaScript 最初被设计时即为单线程的。

虽然在 HTML5 标准中新增了 Web Worker
的概念，它允许 JavaScript 创建多个线程，但这些子线程完全受主线程的控制，且不能操作 DOM，因此本质上 JavaScript 还是单线程的。在 JavaScript 中，除主线程外，还存在一个任务队列，主线程循环不断地从任务队列中读取事件，这整个运行机制被称为事件循环，事件循环的过程在这里就不展开讨论了。
在主线程上的任务是排队执行的，只有前一个任务完成了才会执行后一个任务，这些任务是“同步”的；而任务队列中的任务（如定时器、网络请求、Promise 等）只有在满足条件时才会被加入到主线程中执行，在满足条件之前不会阻塞主线程中的任务，这些任务是“异步”的。从执行顺序来说，同步和异步的特点是：

同步：从上到下执行，便于理解，写起来方便，但下一条语句需要等待上一条完成后才能执行；
异步：遇到异步任务可以继续往下执行，等到异步任务完成了再执行特定的语句，但代码写起来稍微复杂一些。

因此我们有个小小的愿望——如果能用同步的写法来实现异步就好了。下面开始介绍 JavaScript 异步编程方法的发展之路。

2. 回调函数

2.1 回调函数的简单用法

const fn = _ => {

   console.log('JavaScript yes!')

}




console.log('start')

setTimeout(fn, 500)

console.log('end')

// start

// end

// JavaScript yes! (about 500ms later)

其中 fn 即为回调函数。从该例子中可以看到，执行了 setTimeout
后，线程并未阻塞在其中，而是继续往下执行，打印出了“end”后经过约 500ms，回调函数执行，打印出 “JavaScript yes!”。

2.2 异步网络请求

举一个异步网络请求的例子，假设有一个 score.json
数据，我们通过 XMLHttpRequest
发起异步请求，并在成功返回数据时，以返回数据为参数调用传入的回调函数。

// score.json

{

 "name": "Daniel",

 "score": 95

}




// loadData.js

// 参数 callback 即为回调函数

const loadData = (item, callback) => {// line: 9

 if (item === 'score') {

   let xhr = new XMLHttpRequest()

   xhr.open('GET', './score.json')

   xhr.onreadystatechange = function () {

     // 待到结果返回时，调回调函数

     if (xhr.readyState === XMLHttpRequest.DONE && xhr.status === 200) {

       callback(xhr.responseText)// line: 16

    }

  }

   xhr.open()

}

}




const displayData = data => {// line: 23

 console.log(`data: ${data}`)

}




console.log('start')

loadData('score', displayData)// line: 28

console.log('end')




/*

start

end

data: {

  "name": "Daniel",

  "score": 95

}

*/

第 9 行处，
loadData
函数的第二个参数为
callback
，即回调函数。第 28 行处，调用
loadData
函数时，传入的第二个参数为
displayData
，此函数（第 23 行）接收一个参数并打印输出。在
loadData
函数体内，第 16 行处，待到结果返回时，以
xhr.responseText
为参数调用了
callback
函数，即
displayData
函数。于是打印出了：

data: {

 "name": "Daniel",

 "score": 95

}

2.3 比较麻烦的情况
当连续出现“后一个异步操作依赖上一个异步操作的返回结果”时，回调函数会变得难以使用。

load('score', data => {

   console.log(`score: ${data.score}`)

   if (data.score < 60) {

sendToMon(data.score, res => {

           console.log(`message: ${res}`)

           sendToTeacher(res, comment => {

               console.log(`comment: ${comment}`)

               showComment(comment, state => {

                   if (state === 'success') {

                       console.log('complete')

                  }

              })

          })

      })

  }

})

2.4 小结
回调函数能够实现异步处理，但存在一些问题（“回调地狱”）：

一层层回调函数堆叠起来，不利于代码的维护；
结构混乱，逻辑耦合强，不利于错误处理；
代码横向发展，不利于阅读。

3. Promise

3.1 Promise 的简单用法

let p = new Promise((resolve, reject) => {

   console.log('start')

   setTimeout(_ => {

       reject(2333)

  }, 500)

   console.log('end')

})




p.then(data => {

   console.log(`data: ${data}`)

}, err => {

   console.log(`error: ${err}`)

})

// start

// end

// error: 2333

p

是我们定义的 Promise 实例，Promise 接收一个函数作为参数，该函数有两个参数，分别为 resolve
和 reject
，他们也都是函数，由 JS 内部实现，在不考虑内部原理、仅作使用时无需考虑具体实现方法。 resolve
函数可以将 Promise 实例的状态由 pending
变为 resolved
，其参数为异步操作成功时的值 value
； reject
函数可以将 Promise 实例的状态由 pending
变为 rejected
，其参数为异步操作失败时的原因 reason
。

作为 Promise 的实例， p
拥有 then
方法，该方法接收两个函数作为参数，分别为 onResolved
和 onRejected
，当 p
的状态由 pending
变为 resolved
或 rejected
时，会调用相应的 onResolved
或 onRejected
，调用时的参数为上一段中的 value
或 reason
。

在这个例子中，在 500ms 后 p
以 2333
为原因将状态由 pending
变为 rejected
，并以 2333
为参数调用 then
的第二个参数中的函数，即：

err => {

   console.log(`error: ${err}`)

}

于是打印出了
error: 2333
（注意，定义
p
时的代码是同步执行的，因此会先输出
start
和
end
）。

3.2 Promise/A+规范

Promise 的实例有三种状态： pending
、 fulfilled
和 rejected
。初始状态为 pending
，该状态可以变为 fulfilled
或 rejected
，状态一旦变化便不可再次改变；且 fulfilled
的 value
和 rejected
的 reason
不可再改变。（ fulfilled
即为 resolved
）

Promise 的实例会有一个 then
方法，该方法接收两个参数，分别为成功或失败时的回调函数： promise.then(onFullfilled, onRejected)
。promise 的 then
方法会返回一个新的 Promise 实例（因此可以继续使用 then
等方法进行链式调用）。

当一个 promise 成功时，会调用其 then
方法中的成功回调，参数 value
为 resolve
的值
当一个 promise 失败时，会调用其 then
方法中的失败回调，参数 reason
为 reject
的值

3.3 ES6 Promise

在 ES6 中，JavaScript 对 Promise/A+ 规范进行了实现，还增加了一些额外的方法
，如 Promise.prototype.catch
、 Promise.prototype.finally
、 Promise.resolve
、 Promise.reject
、 Promise.all
、 Promise.any
和 Promise.race
等等。

3.4 一个小小的思考题

上面提到， then
方法会返回一个新的 Promise 实例，其实 catch
方法也会返回一个新的 Promise 实例。假设我们有：

let p1 = Promise.reject(1)

.catch(err => {

       console.log(err)

  })

那么
p1
的状态是什么呢？
resolved
？
rejected
？思考并尝试一下吧。

3.5 Promise 版的 load

回调函数一节中 load
的例子如果用 Promise 实现，则会简洁很多：

// 此例子中省略了失败回调函数 onRejected

load('score').then(data => {

   console.log(`score: ${data.score}`)

   if (data.score < 60) {

       return sendToMon(data.score)

  }

}).then(res => {

   console.log(`message: ${res}`)

   return sendToTeacher(res)

}).then(comment => {

   console.log(`comment: ${comment}`)

   return showComment(comment)

}).then(state => {

   if (state === 'success') {

       console.log('complete')

  }

})

不再有多层的嵌套，不再有数不过来的括号，逻辑更清晰，代码不再像回调函数那样横向发展。

3.6 小结

Promise 能够很好的解决回调函数存在的“回调地狱”问题，代码更加简洁明了。但仍然存在一些小问题，如：

Promise 无法取消：还以上述的 load
为例子，在第一个 then
中，如果当 score
大于等于 60 时，我们不想做后续操作了，则需“取消”掉下面的调用链，在这个场景下只能抛出一个错误并在后面 catch
，这种写法不够优雅。
相对于回调函数的方法，Promise 的链式调用只是更好看一些，还不是我们想要的“同步写法”。还记得文章开头处，我们说的“小小的愿望”吗？如下面的例子，我们希望，异步函数 asyncFuntion1
返回后， res1
拿到返回值，再继续往下执行，如果能写成下面的写法就好了。

let res1 = asyncFunction1()

let res2 = asyncFunction2(res1)

let res3 = asyncFunction3(res2)

这个时候，就轮到 Generator / yield 出场了。

4. Generator / yield & co

Generator 是可以分段执行的函数，执行期间遇到 yield
可以暂停执行，返回中间状态；而使用 next
方法可以恢复执行，直到下一个 yield
或 return
。

4.1 Generator / yield 的简单用法

function* gen() {

   console.log('start')

   let a = 1 + (yield Promise.resolve('b'))

   console.log(a)

   try {

       let b = yield 'OPPO'

  } catch(e) {

       console.log(`error: ${e}`)

  }

   console.log(typeof b)

   return 'wow'

}

let g = gen()

let res1 = g.next()

// start




console.log(res1)

// { value: Promise {: "b"}, done: false }




let res2 = g.next(123)

// 124




console.log(res2)

// { value: "OPPO", done: false }




let res3 = g.throw(1024)

// error: 1024

// undefined (console.log(typeof b))




console.log(res3)

// { value: "wow", done: true }

function* gen() { // ... }

定义了一个 generator 函数
，通过 let g = gen()
调用时不会执行其内部的代码，而是返回一个迭代器对象
，该对象拥有 next
、 throw
和 return
方法
。

当调用
next
方法时，generator 函数内部的语句会开始执行，直到下一个 yield 处（或 return），
next
方法的返回值是一个对象，此对象有两个属性：value 和 done，分别为 yield 后表达式的值以及代表是否执行完毕的布尔值。
next
方法可以接收一个参数，该参数会作为 generator 函数内部上一条 yield 表达式的值。（首次调用
next
方法时，不存在“上一条 yield 表达式”，因此第一个
next
方法的参数会被忽略。）

以上述代码为例，通过 let res1 = g.next()
首次调用了 next
方法，generator 函数内部会执行到第一个 yield
处暂停，并将控制权交回主线程，此时打印出“start”，此时 res1
为 { value: Promise {: "b"}, done: false }

。

接着通过 let res2 = g.next(123)
再次调用 next
方法，generator 函数内部会继续执行，由于此次调用 next
方法时的参数为 123
，第一个 yield
表达式的值为 123，故 a
的值为 124，于是 console.log(a)
打印出 124
，接下来代码会暂停在 yield 'OPPO'
处，并将控制权交回主线程，此时 res2
为 { value: "OPPO", done: false }
。

最后通过 let res3 = g.throw(1024)
继续执行 generator 函数内部的代码， throw
方法与 next
方法类似，都能使 generator 函数内部继续执行，且可以接收一个参数作为上一个 yield
表达式的值，区别在于 throw
抛出一个错误，可以被 try...catch
语句捕捉，因此打印出了 "error: 1024"
，而该赋值语句是没有执行的， typeof b
为 undefined
，由于错误已被处理，代码可以继续执行到下一个 yield
或 return
，最终返回了 "wow"
， res3
为 { value: "wow", done: true }
。

4.2 Generator / yield 实现异步操作

现在我们知道，Generator 可以在特定的地方暂停，还可以通过 next
方法传值并使其继续执行。为了完成异步操作，我们可以写出这样的代码：

function* gen() {

   console.log('start')

   let a = yield asyncFunc()

   console.log(a)

   console.log('end')

}




function asyncFunc() {

   return new Promise((resolve, reject) => {

       setTimeout(_ => {

           resolve(5)

      }, 500)

  })

}




let g = gen()

let res




res = g.next().value// 一个 Promise 实例

res.then(data => {

   g.next(data)

})




// start

// 5(about 500ms later)

// end

我们在
gen()
中使用了
let a = yield asyncFunc()
，然后
console.log(a)
，写起来像是同步的，但执行起来是异步的，看起来 Generator 实现了我们“小小的愿望”。但这里还有些小小的问题：

我们这里默认了返回值是个 Promise 实例，实际情况中可能不是；
我们需要手动写 then
方法，并在其中调用 next
方法。

4.3 Generator / yield + co

如果能确保返回值是个 Promise 实例，并且能自动调用 next
方法就好了……非常幸运的是，已经有人写了一个库帮我们实现了这两点—— TJ 的 co 库
。它接收一个 generator 函数作为参数，返回一个 Promise 实例，并能够自动执行其中的异步操作及相应回调。举个例子：

function* gen() {

console.log('a')

let a = yield Promise.resolve('b')

console.log(a)

return 1

}




let p = co(gen())




// co 函数可以将 generator 函数转换为如下的 Promise 实例：

let p = new Promise((resolve, reject) => {

 console.log('a')

 Promise.resolve('b').then(data => {

   let a = data

   console.log(a)

   resolve(1)

}, err => {

   reject(err)

})

})




// 接下来可以调用

p.then(data => {

   console.log(data)

})

co 库的代码量不多，但思想是很巧妙的。其关键点是，在异步操作的回调函数中调用
generator
的
next
方法，以实现自动的流程以及值的传递。在这里就不展开展开讨论其实现细节了，感兴趣的读者可以阅读源码学习。

4.4 小结

借助 Generator / yield + co，我们可以很好地实现“用同步的写法去写异步”，到这里看起来已经很棒了，只不过需要稍稍借助一下 co 库的帮助。

5. async/await

5.1 async/await 与 Generator/yield

ES2017 标准引入了 async 函数，async/await 可以说是 JS 异步编程的终极解决方案，官方出品，品质保证。它其实是 Generator 函数的语法糖，我们可以认为 Generator/yield + co => async/await。以上面的 gen 函数为例：

function* gen() {

   console.log('a')

   let a = yield Promise.resolve('b')

   console.log(a)

   return 1

}




let p = co(gen())




// 与之等价的 async/await 写法：

async function gen() {

   console.log('a')

   let a = await Promise.resolve('b')

   console.log(a)

   return 1

}

let p = gen()




// 两个 p 也都是 Promise 实例，接下来可以调用

p.then(data => {

   console.log(data)

})

比较后可
以发现，只是
*
换成了
async
，
yield
换成了
await
，省去了
co
，就这样。

借助 async/await，我们可以将回调函数一节中那个多层嵌套的例子改写为：

async function fun() {

   let data = await load('score')

   console.log(`score: ${data.score}`)

   if (data.score < 60) {

       let res = await sendToMon(data.score)

       console.log(`message: ${res}`)

       let comment = sendToTeacher(res)

       console.log(`comment: ${comment}`)

       let state = showComment(comment)

       if (state === 'success') {

           console.log('complete')

      }

  }

}

fun()// 得到一个 Promise 实例，可以继续 then

5.2 小结
虽然来得比较迟，但最终 async/await 还是到来了，我们借助它可以轻易地写出逻辑清晰的优雅代码。但需要注意一点，async 函数中的代码是同步的，对于没有依赖关系的异步代码不应该放在同一个 async 函数中，否则会造成性能的损失。

6. 总结

事出必有因，有因必有果。JavaScript 异步编程方法就这样一步步演化，从最初的回调函数方法，到 ES6 的 Promise，再到配合 co 库使用的 generator 函数，最后到 async 函数。其写法越来越接近同步模式，最终也摆脱了对第三方库的依赖，让我们可以使用 async/await 和 Promise 写出十分优雅的代码。

☆

END

☆

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JavaScript 异步之路

1. 基本介绍

2. 回调函数

2.1 回调函数的简单用法

2.2 异步网络请求

3. Promise

3.1 Promise 的简单用法

3.2 Promise/A+规范

3.3 ES6 Promise

3.4 一个小小的思考题

3.5 Promise 版的 load

3.6 小结

4. Generator / yield & co

4.1 Generator / yield 的简单用法

4.2 Generator / yield 实现异步操作

4.3 Generator / yield + co

4.4 小结

5. async/await

5.1 async/await 与 Generator/yield

6. 总结

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1. 基本介绍

2. 回调函数

2.1 回调函数的简单用法

2.2 异步网络请求

3. Promise

3.1 Promise 的简单用法

3.2 Promise/A+规范

3.3 ES6 Promise

3.4 一个小小的思考题

3.5 Promise 版的 load

3.6 小结

4. Generator / yield & co

4.1 Generator / yield 的简单用法

4.2 Generator / yield 实现异步操作

4.3 Generator / yield + co

4.4 小结

5. async/await

5.1 async/await 与 Generator/yield

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