JavaScript中的异步操作
什么是异步操作?
异步模式并不难理解,比如任务A、B、C,执行A之后执行B,但是B是一个耗时的工作,所以,把B放在任务队列中,去执行C,然后B的一些I/O等返回结果之后,再去执行B,这就是异步操作。
JavaScript为什么需要异步操作?
JavaScript语言的执行环境是“单线程”, 所谓单线程,就是一次只能完成一件任务, 如果有多个任务就需要排队,一个完成了,继续下一个,这种方式在实现来说是非常简单的,但是如果一个任务耗时很长,那么后面的任务就需要排队等着,会拖延整个程序的执行。 常见的浏览器无响应(假死)就是因为某一段JavaScript代码长时间运行(比如死循环),导致整个页面卡死,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为两种:同步(Synchronous)和异步(Asynchronous)。
同步任务执行的顺序和排队的顺序是一致的,而异步则需要有一个或者多个回调函数,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,后一个任务则是等着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, 异步操作甚至是唯一方式,因为执行环境是单线程的,如果允许同步执行所有的http请求,服务器性能会急剧下降,很快就会失去响应。
JavaScript中异步操作的几种类型。
JavaScript中异步编程的方法有:
- 回调函数
- 事件监听
- 发布/订阅
- promise
- generator(ES6)
- async/await (ES7)
下面我来分别介绍这几种异步方法:
一、回调函数
回调函数是异步编程中最基本的方法。假设有三个函数f1、f2、f3,f2需要等待f1的执行结果,而f3是独立的,不需要f1和f2的结果,如果我们写成同步,就是这样的:
f1();
f2();
f3()
如果f1执行的很快,可以; 但是如果f1执行的很慢,那么f2和f3就会被阻塞,无法执行。这样的效率是非常低的。但是我们可以改写,将f2写成是f1的回调函数,如下:
function f1(callback){ setTimeout(function () { // f1的任务代码 callback(); }, 1000); }
那么这时候执行代码就是这样:
f1(f2);
f3()
这样,就是一个异步的执行了,即使f1很费时间,但是由于是异步的,那么f3()就会很快的得到执行,而不会受到f1和f2的影响。
注意: 如果我们把f1写成这样呢?
function f1(callback){ // f1的任务代码 callback(); }
然后,我们同样可以这么调用:
f1(f2);
f3()
这时候还是异步的吗? 答案:不是异步。 这里的回调函数并非真正的回调函数,如果没有利用setTimeout含函数,那么f3()的执行同样需要等到f1(f2)完全执行完毕,这里要注意。而我们就是利用setTImeout才能做出真正的回调函数。
二、事件监听
另一种异步的思路是采用事件驱动模式。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、f2、f3为例子。 首先,为f1绑定一个事件(这里采用jquery的写法):
f1.on('done', f2); f3()
这里的意思是: 当f1发生了done事件,就执行f2, 然后,我们对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。
这种方法的优点就是比较容易理解,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,缺点就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。
三、发布/订阅
第二种方法的事件,实际上我们完全可以理解为“信号”,即f1完成之后,触发了一个 'done',信号,然后再开始执行f2。
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”这个信号, 从而知道什么时候自己可以开始执行。 这个就叫做“发布/订阅模式”, 又称为“观察者”模式 。
这个模式有多种实现, 下面采用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.pushlish("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);
这种方法的性质和“事件监听”非常类似,但是明显是优于前者的,因为我们可以通过查看“消息中心”,了解到存在多少信号、每个信号有多少个订阅者,从而监控程序的运行。
四、promise对象
promise是commonjs工作组提出来的一种规范,目的是为异步编程提供统一接口。
简答的说,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要进行下面的改写(这里使用jQuery的实现):
function f1(){ var dfd = $.Deferred(); setTimeout(function () { // f1的任务代码 dfd.resolve(); }, 500); return dfd.promise; }
这样的优点在于,回调函数编程了链式写法,程序的流程可以看得很清楚,而且有一整套的配套方法,可以实现很多强大的功能 。
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);
而且,他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者信号,这种方法的确定就是编写和理解,都比较困难。
五、generator函数的异步应用
在ES6诞生之前,异步编程的方法,大致有下面四种:
- 回调函数
- 事件监听
- 发布/订阅
- promise对象
没错,这就是上面讲得几种异步方法。 而generator函数将JavaScript异步编程带入了一个全新的阶段!
比如,有一个任务是读取文件进行处理,任务的第一段是向操作系统发出请求,要求读取文件。然后,程序执行其他任务,等到操作系统返回文件,再接着执行任务的第二段(处理文件)。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。由于是连续执行,不能插入其他任务,所以操作系统从硬盘读取文件的这段时间,程序只能干等着。
协程
传统的编程语言中,早就有了异步编程的解决方案,其中一种叫做协程,意思是多个线程互相协作,完成异步任务。
协程优点像函数,又有点像线程,运行流程如下:
- 第一步,协程
A
开始执行。 - 第二步,协程
A
执行到一半,进入暂停,执行权转移到协程B
。 - 第三步,(一段时间后)协程
B
交还执行权。 - 第四步,协程
A
恢复执行。
上面的协程A,就是异步任务,因为它分为两段(或者多段)执行。
举例来说,读取文件的协程写法如下:
function *asyncJob() { // ...其他代码 var f = yield readFile(fileA); // ...其他代码 }
上面代码的函数asyncJob是一个协程,奥妙就在于yield命令, 它表示执行到此处,执行权交给其他协程,也就是说yield命令是异步两个阶段的分界线。
协程遇到yield命令就暂停,等到执行权返回,再从暂停的地方继续向后执行,它的最大优点就是代码的写法非常像同步操作,如果去除yield命令,简直是一模一样。
协程的Generator函数实现
Generator函数是协程在ES6中的实现,最大特点就是可以交出函数的执行权(即暂停执行)。
整个Generator函数就是一个封装的异步任务,或者说异步任务的容器。 异步任务需要暂停的地方,都用yield语句注明。 如下:
function* gen(x) { var y = yield x + 2; return y; } var g = gen(1); g.next() // { value: 3, done: false } g.next() // { value: undefined, done: true }
在调用gen函数时 gen(1), 会返回一个内部指针(即遍历器)g。 这是Generator函数不同于普通函数的另一个地方,即执行它(调用函数)不会返回结果, 返回的一个指针对象 。调用指针g的next方法,会移动内部指针(即执行异步任务的第一阶段),指向第一个遇到的yield语句,这里我们是x + 2,但是实际上这里只是举例,实际上 x + 2 这句应该是一个异步操作,比如ajax请求。 换言之,next方法的作用是分阶段执行Generator函数。每次调用next方法,会返回一个对象,表示当前阶段的信息(value属性和done属性)。 value属性是yield语句后面表达式的值,表示当前阶段的值;done属性是一个布尔值,表示Generator函数是否执行完毕,即是否还有下一个阶段。
Generator函数的数据交换和错误处理
Generator 函数可以暂停执行和恢复执行,这是它能封装异步任务的根本原因。除此之外,它还有两个特性,使它可以作为异步编程的完整解决方案:函数体内外的数据交换和错误处理机制。
next
返回值的value属性,是 Generator 函数向外输出数据;next
方法还可以接受参数,向 Generator 函数体内输入数据。
function* gen(x){ var y = yield x + 2; return y; } var g = gen(1); g.next() // { value: 3, done: false } g.next(2) // { value: 2, done: true }
上面代码中,第一next
方法的value
属性,返回表达式x + 2
的值3
。第二个next
方法带有参数2
,这个参数可以传入 Generator 函数,作为上个阶段异步任务的返回结果,被函数体内的变量y
接收。因此,这一步的value
属性,返回的就是2
(变量y
的值)。
Generator 函数内部还可以部署错误处理代码,捕获函数体外抛出的错误。
function* gen(x){ try { var y = yield x + 2; } catch (e){ console.log(e); } return y; } var g = gen(1); g.next(); g.throw('出错了'); // 出错了
上面代码的最后一行,Generator 函数体外,使用指针对象的throw
方法抛出的错误,可以被函数体内的try...catch
代码块捕获。这意味着,出错的代码与处理错误的代码,实现了时间和空间上的分离,这对于异步编程无疑是很重要的。
异步任务的封装
下面看看如何使用 Generator 函数,执行一个真实的异步任务。
var fetch = require('node-fetch'); function* gen(){ var url = 'https://api.github.com/users/github'; var result = yield fetch(url); console.log(result.bio); }
上面代码中,Generator 函数封装了一个异步操作,该操作先读取一个远程接口,然后从 JSON 格式的数据解析信息。就像前面说过的,这段代码非常像同步操作,除了加上了yield
命令。
执行这段代码的方法如下。
var g = gen(); var result = g.next(); result.value.then(function(data){ return data.json(); }).then(function(data){ g.next(data); });
上面代码中,首先执行 Generator 函数,获取遍历器对象,然后使用next
方法(第二行),执行异步任务的第一阶段。由于Fetch
模块返回的是一个 Promise 对象,因此要用then
方法调用下一个next
方法。
可以看到,虽然 Generator 函数将异步操作表示得很简洁,但是流程管理却不方便(即何时执行第一阶段、何时执行第二阶段)。
如下:
function* gen(x) { yield 1; yield 2; yield 3; return 4; } var a = gen(); console.log(a.next()); console.log(a.next()); console.log(a.next()); console.log(a.next());
最终,打印台输出
即开始调用gen(),并没有真正的调用,而是返回了一个生成器对象,a.next()的时候,执行第一个yield,并立刻暂停执行,交出了控制权; 接着,我们就可以去a.next() 开始恢复执行。。。 如此循环往复。
每当调用生成器对象的next的方法时,就会运行到下一个yield表达式。 之所以称这里的gen()为生成器函数,是因为区别如下:
- 普通函数使用function来声明,而生成器函数使用 function * 来声明。
- 普通函数使用return来返回值,而生成器函数使用yield来返回值。
- 普通函数式run to completion模式 ,即一直运行到末尾; 而生成器函数式 run-pause-run 模式, 函数可以在执行过程中暂停一次或者多次。并且暂停期间允许其他代码执行。
async/await
async函数基于Generator又做了几点改进:
- 内置执行器,将Generator函数和自动执行器进一步包装。
- 语义更清楚,async表示函数中有异步操作,await表示等待着紧跟在后边的表达式的结果。
- 适用性更广泛,await后面可以跟promise对象和原始类型的值(Generator中不支持)
很多人都认为这是异步编程的终极解决方案,由此评价就可知道该方法有多优秀了。它基于Promise使用async/await来优化then链的调用,其实也是Generator函数的语法糖。 async 会将其后的函数(函数表达式或 Lambda)的返回值封装成一个 Promise 对象,而 await 会等待这个 Promise 完成,并将其 resolve 的结果返回出来。
await得到的就是返回值,其内部已经执行promise中resolve方法,然后将结果返回。使用async/await的方式写回调任务:
async function dolt(){ console.time('dolt'); const time1=300; const time2=await step1(time1); const time3=await step2(time2); const result=await step3(time3); console.log(`result is ${result}`); console.timeEnd('dolt'); } dolt();
可以看到,在使用await关键字所在的函数一定要是async关键字修饰的。
功能还很新,属于ES7的语法,但使用Babel插件可以很好的转义。另外await只能用在async函数中,否则会报错。
参考文章:
https://juejin.im/entry/58ed90268d6d8100580c715b