javascript异步编程

异步机制

JavaScript的执行环境是单线程的，单线程的好处是执行环境简单，不用去考虑诸如资源同步，死锁等多线程阻塞式编程等所需要面对的恼人的问题。但带来的坏处是当一个任务执行时间较长时，后面的任务会等待很长时间。在浏览器端就会出现浏览器假死，鼠标无法响应等情况。所以在浏览器端，耗时很长的操作都应该异步执行，避免浏览器失去响应。所谓异步执行，不同于同步执行（程序的执行顺序与任务的排列顺序是一致的、同步的），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。既然Javascript是单线程的，那它又如何能够异步的执行呢？

Javascript线程模型和事件驱动

JavaScript有一个基于事件循环的并发模式。这个模式与C语言和java有很大不同。

运行时的概念

• 栈
  函数调用形成堆栈帧。

  function f(b){
      var a = 12;
      return a+b+35;
  }
  
  function g(x){
      var m = 4;
      return f(m*x);
  }
  
  g(21);

  当调用函数g时，创建第一个包含g参数和局部变量的帧。当g函数调用f函数时，创建包含f参数和局部变量第二个堆栈帧并推到第一个堆栈帧的顶部。当f返回时，顶部的堆栈帧元素被弹出（只留下g调用）。当g函数返回时，堆栈为空。

• 堆
  堆是一个大型的非结构化区域，对象被分配到堆中。

• 队列
  一个javascript运行环境包含一个信息队列，这个队列是一系列将被执行的信息列表。每一个消息被关联到一个函数上。当堆栈为空时，从消息队列中取出一个消息并进行处理。该处理包含调用相关的函数（以及因此产生一个初始化的堆栈帧）。当堆栈再次为空时，消息处理结束。

事件循环

事件循环的名字源于它的实现，经常像下面这样：

while(queue.waitForMessage()){
  queue.processNextMessage();
}

queue.waitForMessage同步等待一个消息。

• 运行到完成
  每个消息完全处理之后，其它消息才会被处理。这样的好处就是当一个函数不能被提前，只能等其他函数执行完毕（并且可以修改数据的函数操作）。这不同于C，例如，如果一个函数在一个线程运行时，它可以停在任何点运行在另一个线程一些其他的代码。这种模式的缺点是，如果一个消息时间过长完成，Web应用程序无法处理像点击或滚动的用户交互。该浏览器可缓解此与“脚本花费的时间太长运行”对话框。一个很好的做法，遵循的是使信息处理短，如果可能削减一个消息到几条消息。

• 添加消息
  在网页浏览器中，事件可以在任何时候添加，一个事件发生并伴随事件监听绑定到事件上。如果没有事件监听，则事件丢失。就像点击一个元素，元素上绑定点击事件。调用setTimeout时，当函数的第二个参数时间被传递进去，将添加一个消息到队列中。如果在队列中没有其他消息，该消息被立即处理;然而，如果有消息，则setTimeout的信息将必须等待其它消息以进行处理。由于这个原因，第二个参数是最小的时间，而不是一个保证时间。

• 几个运行环境之间的通信
  一个web worker或跨域iframe都有自己的堆栈，堆，和消息队列。两个不同的运行环境只能通过postMessage的方法发送消息进行通信。这种方法增加了一个消息到其他运行时，如果后者监听消息事件。

从不阻塞

事件循环模型是javascript的一个很有意思的属性，不像其它语言，它从不阻塞。假定浏览器中有一个专门用于事件调度的实例（该实例可以是一个线程，我们可以称之为事件分发线程event dispatch thread），该实例的工作就是一个不结束的循环，从事件队列中取出事件，处理所有很事件关联的回调函数（event handler）。注意回调函数是在Javascript的主线程中运行的，而非事件分发线程中，以保证事件处理不会发生阻塞。通过事件和回调的I/O操作是一个典型的表现，所以当应用等待索引型数据库查询返回或XHR请求返回时，它仍然可以处理其他事情比如用户输入。

回调

回调是javascript的基础，函数被作为参数进行传递。像下面：

f1();
f2();
f3();

如果f1中执行了大量的耗时操作，而且f2需要在f1之后执行。则程序可以改为回调的形式。如下：

function f1(callback){
    setTimeout(function () {
　　    // f1的大量耗时任务代码并的到三个结果i,l,you.
　　    console.log("this is function1");
　　    var i = "i", l = "love", y = "you";
        if (callback && typeof(callback) === "function") {
            callback(i,l,y);
        }
    }, 50);
}

function f2(a, b, c) {
    alert(a + " " + b + " " + c);
    console.log("this is function2");
}

function f3(){console.log("this is function3");}
f1(f2);
f3();

运行结果：

this is function3

this is function1
i love you
this is function2

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，轻量级（不需要额外的库）。缺点是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。某个操作需要经过多个非阻塞的IO操作，每一个结果都是通过回调，产生意大利面条式（spaghetti）的代码。

operation1(function(err, result) {
    operation2(function(err, result) {
        operation3(function(err, result) {
            operation4(function(err, result) {
                operation5(function(err, result) {
                    // do something useful
                })
            })
        })
    })
})

事件监听

另一种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。

// plain, non-jQuery version of hooking up an event handler
var clickity = document.getElementById("clickity");
clickity.addEventListener("click", function (e) {
    //console log, since it's like ALL real world scenarios, amirite?
    console.log("Alas, someone is pressing my buttons…");
});

// the obligatory jQuery version
$("#clickity").on("click", function (e) {
    console.log("Alas, someone is pressing my buttons…");
});

也可以自定义事件进行监听，关于自定义事件，属于另外一部分的内容。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。

观察者模式

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）。

var pubsub  = (function(){
    var q = {}
        topics = {},
        subUid = -1;
    //发布消息
    q.publish = function(topic, args) {
        if(!topics[topic]) {return;}
        var subs = topics[topic],
            len = subs.length;
        while(len--) {
            subs[len].func(topic, args);
        }
        return this;
    };
    //订阅事件
    q.subscribe = function(topic, func) {
        topics[topic] = topics[topic] ? topics[topic] : [];
        var token = (++subUid).toString();
        topics[topic].push({
            token : token,
            func : func
        });
        return token;
    };
    return q;
    //取消订阅就不写了，遍历topics，然后通过保存前面返回token，删除指定元素
})();
//触发的事件
var f2 = function(topics, data) {
    console.log("logging:" + topics + ":" + data);
    console.log("this is function2");
}

function f1(){
   　setTimeout(function () {
　　　　　　// f1的任务代码
　　　　　　console.log("this is function1");
       //发布消息'done'
        pubsub .publish('done', 'hello world');
　　　　}, 1000);
}
pubsub.subscribe('done', f2);
f1();

上面代码的运行结果为：

this is function1

logging:done:hello world
this is function2

观察者模式的实现方法有很多种，也可以直接借用第三方库。这种方法的性质与"事件监听"类似（观察者模式和自定义事件非常相似），但是明显优于后者。观察者模式和事件监听一样具有良好的去耦性，并且有一个消息中心，通过对消息中心的处理，可以良好地监控程序运行。

Promises对象

Promises的概念是由CommonJS小组的成员在 Promises/A规范 中提出来的。Promises被逐渐用作一种管理异步操作回调的方法，但出于它们的设计，它们远比那个有用得多。Promise允许我们以同步的方式写代码，同时给予我们代码的异步执行。

function f1(){
    var def = $.Deferred();
    setTimeout(function () {
       // f1的任务代码
        console.log("this is f1");
        def.resolve();  
    }, 500);
    return def.promise();
}

function f2(){
    console.log("this is f2");
}

f1().then(f2);

上面代码的运行结果为：

this is f1

this is f2

上面引用的是jquery对Promises/A的实现，jquery中还有一系列方法，具体可参考：Deferred Object.关于Promises，强烈建议读一下You're Missing the Point of Promises.还有很多第三方库实现了Promises，如：Q、Bluebird、 mmDeferred 等。Promise（中文：承诺）其实为一个有限状态机，共有三种状态：pending（执行中）、fulfilled（执行成功）和rejected（执行失败）。其中pending为初始状态，fulfilled和rejected为结束状态（结束状态表示promise的生命周期已结束）。状态转换关系为：pending->fulfilled，pending->rejected。随着状态的转换将触发各种事件（如执行成功事件、执行失败事件等）。 下节具体讲述状态机实现js异步编程。

状态机

Promises的本质实际就是通过状态机来实现的，把异步操作与对象的状态改变挂钩，当异步操作结束的时候，发生相应的状态改变，由此再触发其他操作。这要比回调函数、事件监听、发布/订阅等解决方案，在逻辑上更合理，更易于降低代码的复杂度。关于Promises可参考：JS魔法堂：剖析源码理解Promises/A规范 。

ES6对异步的支持

这是一个新的技术，成为2015年的ECMAScript（ES6）标准的一部分。该技术的规范已经完成，但实施情况在不同的浏览器不同，在浏览器中的支持情况如下。
桌面端：

手机端：

var f1 = new Promise(function(resolve, reject) {
    setTimeout(function () {
       // f1的任务代码
       console.log("this is f1");
       resolve("Success");
        
    }, 500);  
});
function f2(val){
    console.log(val + ":" + "this is f2");
}
function f3(){
    console.log("this is f3")
}
f1.then(f2);
f3();

以上代码在Chrome 版本43中的运行结果为：

this is f3

this is f1
Success:this is f2

更多关于ES6的Promise对象的特性可参考MDN中的Promise.

其他参考

Asynchronous JS: Callbacks, Listeners, Control Flow Libs and Promises
Five Patterns to Help You Tame Asynchronous JavaScript
Javascript异步编程的4种方法
探索Javascript异步编程