async顶层await

20. async 函数 - 含义 - 《阮一峰 ECMAScript 6 (ES6) 标准入门教程 第三版》 - 书栈网 · BookStack

ES2017 标准引入了 async 函数，使得异步操作变得更加方便。

async 函数是什么？一句话，它就是 Generator 函数的语法糖。

前文有一个 Generator 函数，依次读取两个文件。

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。

async函数的返回值是 Promise 对象，这比 Generator 函数的返回值是 Iterator 对象方便多了。你可以用then方法指定下一步的操作。

进一步说，async函数完全可以看作多个异步操作，包装成的一个 Promise 对象，而await命令就是内部then命令的语法糖。

基本用法

async函数返回一个 Promise 对象，可以使用then方法添加回调函数。当函数执行的时候，一旦遇到await就会先返回，等到异步操作完成，再接着执行函数体内后面的语句。

下面是一个例子。

async function getStockPriceByName(name) {
  const symbol = await getStockSymbol(name);
  const stockPrice = await getStockPrice(symbol);
  return stockPrice;
}
getStockPriceByName('goog').then(function (result) {
  console.log(result);
}); 

上面代码是一个获取股票报价的函数，函数前面的async关键字，表明该函数内部有异步操作。调用该函数时，会立即返回一个Promise对象。

下面是另一个例子，指定多少毫秒后输出一个值。

function timeout(ms) {
  return new Promise((resolve) => {
    setTimeout(resolve, ms);
  });
}
async function asyncPrint(value, ms) {
  await timeout(ms);
  console.log(value);
}
asyncPrint('hello world', 50);

上面代码指定 50 毫秒以后，输出hello world。

由于async函数返回的是 Promise 对象，可以作为await命令的参数。所以，上面的例子也可以写成下面的形式。

async function timeout(ms) {
  await new Promise((resolve) => {
    setTimeout(resolve, ms);
  });
}
async function asyncPrint(value, ms) {
  await timeout(ms);
  console.log(value);
}
asyncPrint('hello world', 50);

async 函数有多种使用形式

// 函数声明
async function foo() {}
// 函数表达式
const foo = async function () {};
// 对象的方法
let obj = { async foo() {} };
obj.foo().then(...)
// Class 的方法
class Storage {
  constructor() {
    this.cachePromise = caches.open('avatars');
  }
  async getAvatar(name) {
    const cache = await this.cachePromise;
    return cache.match(`/avatars/${name}.jpg`);
  }
}
const storage = new Storage();
storage.getAvatar('jake').then(…);
// 箭头函数
const foo = async () => {};

语法

async函数的语法规则总体上比较简单，难点是错误处理机制。

返回 Promise 对象

async函数返回一个 Promise 对象。

async函数内部return语句返回的值，会成为then方法回调函数的参数。

async function f() {
  return 'hello world';
}
f().then(v => console.log(v))
// "hello world"

上面代码中，函数f内部return命令返回的值，会被then方法回调函数接收到。

async函数内部抛出错误，会导致返回的 Promise 对象变为reject状态。抛出的错误对象会被catch方法回调函数接收到。

async function f() {
  throw new Error('出错了');
}
f().then(
  v => console.log(v),
  e => console.log(e)
)
// Error: 出错了

Promise 对象的状态变化

async函数返回的 Promise 对象，必须等到内部所有await命令后面的 Promise 对象执行完，才会发生状态改变，除非遇到return语句或者抛出错误。也就是说，只有async函数内部的异步操作执行完，才会执行then方法指定的回调函数。

下面是一个例子。

async function getTitle(url) {
  let response = await fetch(url);
  let html = await response.text();
  return html.match(/<title>([\s\S]+)<\/title>/i)[1];
}
getTitle('https://tc39.github.io/ecma262/').then(console.log)
// "ECMAScript 2017 Language Specification"

上面代码中，函数getTitle内部有三个操作：抓取网页、取出文本、匹配页面标题。只有这三个操作全部完成，才会执行then方法里面的console.log。

await 命令

正常情况下，await命令后面是一个 Promise 对象，返回该对象的结果。如果不是 Promise 对象，就直接返回对应的值。

async function f() {
  // 等同于
  // return 123;
  return await 123;
}
f().then(v => console.log(v))
// 123

上面代码中，await命令的参数是数值123，这时等同于return 123。

另一种情况是，await命令后面是一个thenable对象（即定义了then方法的对象），那么await会将其等同于 Promise 对象。

class Sleep {
  constructor(timeout) {
    this.timeout = timeout;
  }
  then(resolve, reject) {
    const startTime = Date.now();
    setTimeout(
      () => resolve(Date.now() - startTime),
      this.timeout
    );
  }
}
(async () => {
  const sleepTime = await new Sleep(1000);
  console.log(sleepTime);
})();
// 1000

上面代码中，await命令后面是一个Sleep对象的实例。这个实例不是 Promise 对象，但是因为定义了then方法，await会将其视为Promise处理。

这个例子还演示了如何实现休眠效果。JavaScript 一直没有休眠的语法，但是借助await命令就可以让程序停顿指定的时间。下面给出了一个简化的sleep实现。

function sleep(interval) {
  return new Promise(resolve => {
    setTimeout(resolve, interval);
  })
}
// 用法
async function one2FiveInAsync() {
  for(let i = 1; i <= 5; i++) {
    console.log(i);
    await sleep(1000);
  }
}
one2FiveInAsync();

async 函数的实现原理

async 函数的实现原理，就是将 Generator 函数和自动执行器，包装在一个函数里。

async function fn(args) {
  // ...
}
// 等同于
function fn(args) {
  return spawn(function* () {
    // ...
  });
}

所有的async函数都可以写成上面的第二种形式，其中的spawn函数就是自动执行器。

下面给出spawn函数的实现，基本就是前文自动执行器的翻版。

function spawn(genF) {
  return new Promise(function(resolve, reject) {
    const gen = genF();
    function step(nextF) {
      let next;
      try {
        next = nextF();
      } catch(e) {
        return reject(e);
      }
      if(next.done) {
        return resolve(next.value);
      }
      Promise.resolve(next.value).then(function(v) {
        step(function() { return gen.next(v); });
      }, function(e) {
        step(function() { return gen.throw(e); });
      });
    }
    step(function() { return gen.next(undefined); });
  });
}

与其他异步处理方法的比较

我们通过一个例子，来看 async 函数与 Promise、Generator 函数的比较。

假定某个 DOM 元素上面，部署了一系列的动画，前一个动画结束，才能开始后一个。如果当中有一个动画出错，就不再往下执行，返回上一个成功执行的动画的返回值。

首先是 Promise 的写法。

function chainAnimationsPromise(elem, animations) {
  // 变量ret用来保存上一个动画的返回值
  let ret = null;
  // 新建一个空的Promise
  let p = Promise.resolve();
  // 使用then方法，添加所有动画
  for(let anim of animations) {
    p = p.then(function(val) {
      ret = val;
      return anim(elem);
    });
  }
  // 返回一个部署了错误捕捉机制的Promise
  return p.catch(function(e) {
    /* 忽略错误，继续执行 */
  }).then(function() {
    return ret;
  });
}

虽然 Promise 的写法比回调函数的写法大大改进，但是一眼看上去，代码完全都是 Promise 的 API（then、catch等等），操作本身的语义反而不容易看出来。

接着是 Generator 函数的写法。

function chainAnimationsGenerator(elem, animations) {
  return spawn(function*() {
    let ret = null;
    try {
      for(let anim of animations) {
        ret = yield anim(elem);
      }
    } catch(e) {
      /* 忽略错误，继续执行 */
    }
    return ret;
  });
}

上面代码使用 Generator 函数遍历了每个动画，语义比 Promise 写法更清晰，用户定义的操作全部都出现在spawn函数的内部。这个写法的问题在于，必须有一个任务运行器，自动执行 Generator 函数，上面代码的spawn函数就是自动执行器，它返回一个 Promise 对象，而且必须保证yield语句后面的表达式，必须返回一个 Promise。

最后是 async 函数的写法。

async function chainAnimationsAsync(elem, animations) {
  let ret = null;
  try {
    for(let anim of animations) {
      ret = await anim(elem);
    }
  } catch(e) {
    /* 忽略错误，继续执行 */
  }
  return ret;
}

可以看到 Async 函数的实现最简洁，最符合语义，几乎没有语义不相关的代码。它将 Generator 写法中的自动执行器，改在语言层面提供，不暴露给用户，因此代码量最少。如果使用 Generator 写法，自动执行器需要用户自己提供。

实例：按顺序完成异步操作

实际开发中，经常遇到一组异步操作，需要按照顺序完成。比如，依次远程读取一组 URL，然后按照读取的顺序输出结果。

Promise 的写法如下。

function logInOrder(urls) {
  // 远程读取所有URL
  const textPromises = urls.map(url => {
    return fetch(url).then(response => response.text());
  });
  // 按次序输出
  textPromises.reduce((chain, textPromise) => {
    return chain.then(() => textPromise)
      .then(text => console.log(text));
  }, Promise.resolve());
}

上面代码使用fetch方法，同时远程读取一组 URL。每个fetch操作都返回一个 Promise 对象，放入textPromises数组。然后，reduce方法依次处理每个 Promise 对象，然后使用then，将所有 Promise 对象连起来，因此就可以依次输出结果。

这种写法不太直观，可读性比较差。下面是 async 函数实现。

async function logInOrder(urls) {
  for (const url of urls) {
    const response = await fetch(url);
    console.log(await response.text());
  }
}

上面代码确实大大简化，问题是所有远程操作都是继发。只有前一个 URL 返回结果，才会去读取下一个 URL，这样做效率很差，非常浪费时间。我们需要的是并发发出远程请求。

async function logInOrder(urls) {
  // 并发读取远程URL
  const textPromises = urls.map(async url => {
    const response = await fetch(url);
    return response.text();
  });
  // 按次序输出
  for (const textPromise of textPromises) {
    console.log(await textPromise);
  }
}

上面代码中，虽然map方法的参数是async函数，但它是并发执行的，因为只有async函数内部是继发执行，外部不受影响。后面的for..of循环内部使用了await，因此实现了按顺序输出。

顶层 await

根据语法规格，await命令只能出现在 async 函数内部，否则都会报错。

// 报错
const data = await fetch('https://api.example.com');

上面代码中，await命令独立使用，没有放在 async 函数里面，就会报错。

目前，有一个语法提案，允许在模块的顶层独立使用await命令，使得上面那行代码不会报错了。这个提案的目的，是借用await解决模块异步加载的问题。

// awaiting.js
let output;
async function main() {
  const dynamic = await import(someMission);
  const data = await fetch(url);
  output = someProcess(dynamic.default, data);
}
main();
export { output };

上面代码中，模块awaiting.js的输出值output，取决于异步操作。我们把异步操作包装在一个 async 函数里面，然后调用这个函数，只有等里面的异步操作都执行，变量output才会有值，否则就返回undefined。

上面的代码也可以写成立即执行函数的形式。

// awaiting.js
let output;
(async function1 main() {
  const dynamic = await import(someMission);
  const data = await fetch(url);
  output = someProcess(dynamic.default, data);
})();
export { output };

下面是加载这个模块的写法。

// usage.js
import { output } from "./awaiting.js";
function outputPlusValue(value) { return output + value }
console.log(outputPlusValue(100));
setTimeout(() => console.log(outputPlusValue(100), 1000);

上面代码中，outputPlusValue()的执行结果，完全取决于执行的时间。如果awaiting.js里面的异步操作没执行完，加载进来的output的值就是undefined。

目前的解决方法，就是让原始模块输出一个 Promise 对象，从这个 Promise 对象判断异步操作有没有结束。

// awaiting.js
let output;
export default (async function main() {
  const dynamic = await import(someMission);
  const data = await fetch(url);
  output = someProcess(dynamic.default, data);
})();
export { output };

上面代码中，awaiting.js除了输出output，还默认输出一个 Promise 对象（async 函数立即执行后，返回一个 Promise 对象），从这个对象判断异步操作是否结束。

下面是加载这个模块的新的写法。

// usage.js
import promise, { output } from "./awaiting.js";
function outputPlusValue(value) { return output + value }
promise.then(() => {
  console.log(outputPlusValue(100));
  setTimeout(() => console.log(outputPlusValue(100), 1000);
});

上面代码中，将awaiting.js对象的输出，放在promise.then()里面，这样就能保证异步操作完成以后，才去读取output。

这种写法比较麻烦，等于要求模块的使用者遵守一个额外的使用协议，按照特殊的方法使用这个模块。一旦你忘了要用 Promise 加载，只使用正常的加载方法，依赖这个模块的代码就可能出错。而且，如果上面的usage.js又有对外的输出，等于这个依赖链的所有模块都要使用 Promise 加载。

顶层的await命令，就是为了解决这个问题。它保证只有异步操作完成，模块才会输出值。

// awaiting.js
const dynamic = import(someMission);
const data = fetch(url);
export const output = someProcess((await dynamic).default, await data);

上面代码的写法，与普通的模块加载完全一样。也就是说，模块的使用者完全不用关心，依赖模块的内部有没有异步操作，正常加载即可。

这时，模块的加载会等待依赖模块（上例是awaiting.js）的异步操作完成，才执行后面的代码，有点像暂停在那里。所以，它总是会得到正确的output，不会因为加载时机的不同，而得到不一样的值。

下面是顶层await的一些使用场景。

// import() 方法加载
const strings = await import(`/i18n/${navigator.language}`);
// 数据库操作
const connection = await dbConnector();
// 依赖回滚
let jQuery;
try {
  jQuery = await import('https://cdn-a.com/jQuery');
} catch {
  jQuery = await import('https://cdn-b.com/jQuery');
}

注意，如果加载多个包含顶层await命令的模块，加载命令是同步执行的。

// x.js
console.log("X1");
await new Promise(r => setTimeout(r, 1000));
console.log("X2");
// y.js
console.log("Y");
// z.js
import "./x.js";
import "./y.js";
console.log("Z");

上面代码有三个模块，最后的z.js加载x.js和y.js，打印结果是X1、Y、X2、Z。这说明，z.js并没有等待x.js加载完成，再去加载y.js。

顶层的await命令有点像，交出代码的执行权给其他的模块加载，等异步操作完成后，再拿回执行权，继续向下执行。