Generator函数异步应用以及构建自执行流程

Yanglinxiao

异步基本概念

所谓"异步",简单说就是一个任务不是连续完成的,可以理解成该任务被人为分成两段,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。

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。

在JavaScript中处理异步传统方法是回调函数和Promise,现在多了一种方式:就是Generator函数。当然,Async函数是Generator的语法糖,也可以处理异步。

Generator函数

协程

传统的编程语言,早有异步编程的解决方案(其实是多任务的解决方案)。其中有一种叫做"协程"(coroutine),意思是多个线程互相协作,完成异步任务。

协程有点像函数,又有点像线程。它的运行流程大致如下:

  • 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。

上面流程的协程A,就是异步任务,因为它分成两段(或多段)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,它的奥妙就在其中的yield命令。它表示执行到此处,执行权将交给其他协程。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往后执行。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,简直一模一样。

协程的 Generator 函数实现

Generator 函数是协程在ES6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,或者说是异步任务的容器。异步操作需要暂停的地方,都用yield语句注明。

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 }

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

异步任务的封装

var fetch = require('node-fetch');

function* gen(){
  var url = 'https://api.github.com/users/github';
  var result = yield fetch(url);
  console.log(result.bio);
}

var g = gen();
var result = g.next();

result.value.then(function(data){
  return data.json();
}).then(function(data){
  g.next(data);
});

Thunk函数

JavaScript的Thunk函数

在 JavaScript语言中,Thunk函数替换的是多参数函数,将其替换成一个只接受回调函数作为参数的单参数函数。

// 正常版本的readFile(多参数版本)
fs.readFile(fileName, callback);

// Thunk版本的readFile(单参数版本)
var Thunk = function (fileName) {
  return function (callback) {
    return fs.readFile(fileName, callback);
  };
};

var readFileThunk = Thunk(fileName);
readFileThunk(callback);

上面代码中,fs模块的readFile方法是一个多参数函数,两个参数分别为文件名和回调函数。经过转换器处理,它变成了一个单参数函数,只接受回调函数作为参数。这个单参数版本,就叫做 Thunk 函数。

任何函数,只要参数有回调函数,就能写成 Thunk 函数的形式。下面是一个简单的Thunk函数转换器:

// ES5版本
var Thunk = function(fn){
  return function (){
    var args = Array.prototype.slice.call(arguments);
    return function (callback){
      args.push(callback);
      return fn.apply(this, args);
    }
  };
};

// ES6版本
const Thunk = function(fn) {
  return function (...args) {
    return function (callback) {
      return fn.call(this, ...args, callback);
    }
  };
};

使用上面的转换器,生成fs.readFile的 Thunk 函数:

var readFileThunk = Thunk(fs.readFile);
readFileThunk(fileA)(callback);

Thunkify 模块

生产环境的转换器,使用方式如下:

var thunkify = require('thunkify');
var fs = require('fs');

var read = thunkify(fs.readFile);
read('package.json')(function(err, str){
  // ...
});

Thunkify 的源码与上面那个简单的转换器非常像:

function thunkify(fn) {
  return function() {
    var args = new Array(arguments.length);
    var ctx = this;

    for (var i = 0; i < args.length; ++i) {
      args[i] = arguments[i];
    }

    return function (done) {
      var called;

      args.push(function () {
        if (called) return;//多了一个检查机制,变量called确保回调函数只运行一次。
        called = true;
        done.apply(null, arguments);
      });

      try {
        fn.apply(ctx, args);
      } catch (err) {
        done(err);
      }
    }
  }
};

Generator 函数的流程管理

Thunk 函数可以用于Generator函数的自动流程管理。

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

var g = gen();
var res = g.next();

while(!res.done){
  console.log(res.value);
  res = g.next();
}

上面代码中,Generator函数gen会自动执行完所有步骤。

但是,这不适合异步操作。如果必须保证前一步执行完,才能执行后一步,上面的自动执行就不可行。这时,Thunk函数就能派上用处。以读取文件为例:

var fs = require('fs');
var thunkify = require('thunkify');
var readFileThunk = thunkify(fs.readFile);

var gen = function* (){
  var r1 = yield readFileThunk('/etc/fstab');
  console.log(r1.toString());
  var r2 = yield readFileThunk('/etc/shells');
  console.log(r2.toString());
};

上面代码中,yield命令用于将程序的执行权移出 Generator 函数,那么就需要一种方法,将执行权再交还给 Generator 函数

这种方法就是Thunk函数,它可以在回调函数里,将执行权交还给Generator函数。为了便于理解,我们先看如何手动执行上面这个 Generator 函数:

var g = gen();

var r1 = g.next();
r1.value(function (err, data) {
  if (err) throw err;
  var r2 = g.next(data);
  r2.value(function (err, data) {
    if (err) throw err;
    g.next(data);
  });
});

仔细查看上面的代码,可以发现 Generator 函数的执行过程,其实是将同一个回调函数,反复传入next方法的value属性。这使得我们可以用递归来自动完成这个过程。

Thunk 函数的自动流程管理

Thunk 函数真正的威力,在于可以自动执行 Generator 函数。下面就是一个基于 Thunk 函数的 Generator 执行器:

function run(fn) {
  var gen = fn();

  function next(err, data) {
    var result = gen.next(data);
    if (result.done) return;
    result.value(next);
  }

  next();
}

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

run(g);

上面代码的run函数,就是一个 Generator 函数的自动执行器。内部的next函数就是 Thunk 的回调函数。next函数先将指针移到 Generator 函数的下一步(gen.next方法),然后判断 Generator 函数是否结束(result.done属性),如果没结束,就将next函数再传入 Thunk 函数(result.value属性),否则就直接退出。

有了这个执行器,执行 Generator 函数方便多了。不管内部有多少个异步操作,直接把 Generator 函数传入run函数即可。当然,前提是每一个异步操作,都要是 Thunk 函数,也就是说,跟在yield命令后面的必须是 Thunk 函数。

var g = function* (){
  var f1 = yield readFileThunk('fileA');
  var f2 = yield readFileThunk('fileB');
  // ...
  var fn = yield readFileThunk('fileN');
};

run(g);

上面代码中,函数g封装了n个异步的读取文件操作,只要执行run函数,这些操作就会自动完成。这样一来,异步操作不仅可以写得像同步操作,而且一行代码就可以执行。

Thunk 函数并不是Generator函数自动执行的唯一方案。因为自动执行的关键是,必须有一种机制,自动控制 Generator函数的流程,接收和交还程序的执行权。回调函数可以做到这一点,Promise 对象也可以做到这一点。

co 模块

基本用法

co 模块可以让你不用编写Generator函数的执行器,它会自动执行Generator函数。

var co = require('co');
co(gen);

上面代码中,Generator函数只要传入co函数,就会自动执行,co函数返回一个Promise对象。

co(gen).then(function (){
  console.log('Generator 函数执行完成');
});

上面代码中,等到Generator函数执行结束,就会输出一行提示。

co 模块的原理

为什么 co 可以自动执行 Generator 函数?

前面说过,Generator 就是一个异步操作的容器。它的自动执行需要一种机制,当异步操作有了结果,能够自动交回执行权。

两种方法可以做到这一点:

  • 回调函数。将异步操作包装成 Thunk 函数,在回调函数里面交回执行权。
  • Promise 对象。将异步操作包装成 Promise 对象,用then方法交回执行权。

co 模块其实就是将两种自动执行器(Thunk函数和 Promise 对象),包装成一个模块。使用 co 的前提条件是,Generator函数的yield命令后面,只能是 Thunk函数或Promise对象。如果数组或对象的成员,全部都是 Promise 对象,也可以使用 co,详见后文的例子。

基于 Promise 对象的自动执行

沿用上面的例子,把fs模块的readFile方法包装成一个 Promise 对象:

var fs = require('fs');

var readFile = function (fileName){
  return new Promise(function (resolve, reject){
    fs.readFile(fileName, function(error, data){
      if (error) return reject(error);
      resolve(data);
    });
  });
};

var gen = function* (){
  var f1 = yield readFile('/etc/fstab');
  var f2 = yield readFile('/etc/shells');
  console.log(f1.toString());
  console.log(f2.toString());
};

然后,手动执行上面的 Generator 函数:

var g = gen();

g.next().value.then(function(data){
  g.next(data).value.then(function(data){
    g.next(data);
  });
});

手动执行其实就是用then方法,层层添加回调函数。理解了这一点,就可以写出一个自动执行器:

function run(gen){
  var g = gen();

  function next(data){
    var result = g.next(data);
    if (result.done) return result.value;
    result.value.then(function(data){
      next(data);
    });
  }

  next();
}

run(gen);

co 模块的源码

co 就是上面那个自动执行器的扩展,它的源码只有几十行,非常简单。

首先,co 函数接受 Generator 函数作为参数,返回一个 Promise 对象。

function co(gen) {
  var ctx = this;

  return new Promise(function(resolve, reject) {
  });
}

在返回的 Promise 对象里面,co 先检查参数gen是否为 Generator 函数。如果是,就执行该函数,得到一个内部指针对象;如果不是就返回,并将 Promise 对象的状态改为resolved。

function co(gen) {
  var ctx = this;

  return new Promise(function(resolve, reject) {
    if (typeof gen === 'function') gen = gen.call(ctx);
    if (!gen || typeof gen.next !== 'function') return resolve(gen);
  });
}

接着,co 将 Generator 函数的内部指针对象的next方法,包装成onFulfilled函数。这主要是为了能够捕捉抛出的错误。

function co(gen) {
  var ctx = this;

  return new Promise(function(resolve, reject) {
    if (typeof gen === 'function') gen = gen.call(ctx);
    if (!gen || typeof gen.next !== 'function') return resolve(gen);

    onFulfilled();
    function onFulfilled(res) {
      var ret;
      try {
        ret = gen.next(res);
      } catch (e) {
        return reject(e);
      }
      next(ret);
    }
  });
}

最后,就是关键的next函数,它会反复调用自身。

function next(ret) {
  if (ret.done) return resolve(ret.value);
  var value = toPromise.call(ctx, ret.value);
  if (value && isPromise(value)) return value.then(onFulfilled, onRejected);
  return onRejected(
    new TypeError(
      'You may only yield a function, promise, generator, array, or object, '
      + 'but the following object was passed: "'
      + String(ret.value)
      + '"'
    )
  );
}

上面代码中,next函数的内部代码,一共只有四行命令。

第一行,检查当前是否为 Generator 函数的最后一步,如果是就返回。

第二行,确保每一步的返回值,是 Promise 对象。

第三行,使用then方法,为返回值加上回调函数,然后通过onFulfilled函数再次调用next函数。

第四行,在参数不符合要求的情况下(参数非 Thunk 函数和 Promise 对象),将 Promise 对象的状态改为rejected,从而终止执行。

处理并发的异步操作

co 支持并发的异步操作,即允许某些操作同时进行,等到它们全部完成,才进行下一步。

这时,要把并发的操作都放在数组或对象里面,跟在yield语句后面。

// 数组的写法
co(function* () {
  var res = yield [
    Promise.resolve(1),
    Promise.resolve(2)
  ];
  console.log(res);
}).catch(onerror);

// 对象的写法
co(function* () {
  var res = yield {
    1: Promise.resolve(1),
    2: Promise.resolve(2),
  };
  console.log(res);
}).catch(onerror);

下面是另一个例子。

co(function* () {
  var values = [n1, n2, n3];
  yield values.map(somethingAsync);
});

function* somethingAsync(x) {
  // do something async
  return y
}

上面的代码允许并发三个somethingAsync异步操作,等到它们全部完成,才会进行下一步。

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