JavaScript异步流程控制

JavaScript特性

JavaScript属于单线程语言，即在同一时间，只能执行一个任务。在执行任务时，所有任务需要排队，前一个任务结束，才会执行后一个任务。

当我们向后台发送一个请求时，主线程读取 “向后台发送请求” 这个事件并执行之后，到获取后台返回的数据这一过程会有段时间间隔，这时CPU处于空闲阶段，直到获取数据后再继续执行后面的任务，这就降低了用户体验度，使得页面加载变慢。于是，所有任务可以分成两种：同步任务和异步任务。

1. 同步任务：在主线程上排队执行的任务，只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务；
2. 异步任务：不进入主线程、而进入"任务队列"（task queue）的任务，只有"任务队列"通知主线程，某个异步任务可以执行了，该任务才会进入主线程执行。

只要主线程空了，就会去读取"任务队列"，这就是JavaScript的运行机制，这个过程会不断重复。"任务队列"是一个事件的队列（也可以理解成消息的队列），IO设备完成一项任务，就在"任务队列"中添加一个事件，表示相关的异步任务可以进入"执行栈"了。主线程从"任务队列"中读取事件，这个过程是循环不断的，所以整个的这种运行机制又称为Event Loop（事件循环）。

JavaScript异步实现的5种方式

1. callback（回调函数）

回调函数，也被称为高阶函数，是一个被作为参数传递给另一个函数并在该函数中被调用的函数。看一个在JQuery中简单普遍的例子：

// 注意: click方法是一个函数而不是变量

$("#button").click(function() {
  alert("Button Clicked");
});  

可以看到，上述例子将一个函数作为参数传递给了click方法，click方法会调用该函数，这是JavaScript中回调函数的典型用法，它在jQuery中广泛被使用。它不会立即执行，因为我们没有在后面加( )，而是在点击事件发生时才会执行。

比如，我们要下载一个gif，但是不希望在下载的时候阻断其他程序，可以实现如下：

downloadPhoto('http://coolcats.com/cat.gif', handlePhoto)

function handlePhoto (error, photo) {
  if (error) {
    console.error('Download error!', error)；
  } else {
    console.log('Download finished', photo)；
  }
}

console.log('Download started')

首先声明handlePhoto函数，然后调用downloadPhoto函数并传递handlePhoto作为其回调函数，最后打印出“Download started”。
请注意，handlePhoto尚未被调用,它只是被创建并作为回调传入downloadPhoto。但直到downloadPhoto完成其任务后才能运行，这可能需要很长时间，具体取决于Internet连接的速度，所以运行代码后，会先打印出Download started。

这个例子是为了说明两个重要的概念：

1. handlePhoto回调只是稍后存储一些事情的一种方式；
2. 事情发生的顺序不是从顶部到底部读取，而是基于事情完成时跳转；

1. callback hell（回调地狱）

var fs = require('fs');
/**
 * 如果三个异步api操作的话 无法保证他们的执行顺序
 * 我们在每个操作后用回调函数就可以保证执行顺序
 */
 
fs.readFile('./data1.json', 'utf8', function(err, data){
  if (err) {
    throw err;
  } else {
    console.log(data);
    fs.readFile('./data2.json', 'utf8', function(err, data){
      if (err) {
        throw err;
      } else {
        console.log(data)
        fs.readFile('./data3.json', 'utf8', function(err, data){
        if (err) {
          throw err;
        } else {
          console.log(data);
        }
      })
     }
   })
  }
})

有没有看到这些以"})"结尾的金字塔结构？由于回调函数是异步的，在上面的代码中每一层的回调函数都需要依赖上一层的回调执行完，所以形成了层层嵌套的关系最终形成类似上面的回调地狱。

2. 代码层面解决回调地狱

1. 保持代码简短

var form = document.querySelector('form')
form.onsubmit = function formSubmit (submitEvent) {
  var name = document.querySelector('input').value
  request({
    uri: "http://example.com/upload",
    body: name,
    method: "POST"
  }, function postResponse (err, response, body) {
    var statusMessage = document.querySelector('.status')
    if (err) return statusMessage.value = err
    statusMessage.value = body
  })
}

可以看到，上面的代码给两个函数加了描述性功能名称，使代码更容易阅读，当发生异常时,你将获得引用实际函数名称而不是“匿名”的堆栈跟踪。

现在我们可以将这些功能移到我们程序的顶层：

document.querySelector('form').onsubmit = formSubmit;

function formSubmit (submitEvent) {
  var name = document.querySelector('input').value;
  request({
    uri: "http://example.com/upload",
    body: name,
    method: "POST"
  }, postResponse);
}
    
function postResponse (err, response, body) {
  var statusMessage = document.querySelector('.status');
  if (err) return statusMessage.value = err;
  statusMessage.value = body;
}

重新整改代码结构之后，可以清晰的看到这段函数的功能。

2. 模块化

从上面取出样板代码,并将其分成几个文件，将其转换为模块。
这是一个名为formuploader.js的新文件，它包含了之前的两个函数：

module.exports.submit = formSubmit;

function formSubmit (submitEvent) {
  var name = document.querySelector('input').value;
  request({
    uri: "http://example.com/upload",
    body: name,
    method: "POST"
  }, postResponse)
}

function postResponse (err, response, body) {
  var statusMessage = document.querySelector('.status');
  if (err) return statusMessage.value = err;
  statusMessage.value = body;
}

把它们exports后，在应用程序中引入并使用，这就使得代码更加简洁易懂了：

var formUploader = require('formuploader');
document.querySelector('form').onsubmit = formUploader.submit;

3. error first

处理每一处错误，并且回调的第一个参数始终保留用于错误：

var fs = require('fs')
 fs.readFile('/Does/not/exist', handleFile);
 function handleFile (error, file) {
   if (error) return console.error('Uhoh, there was an error', error);
   // otherwise, continue on and use `file` in your code;
 }

有第一个参数是错误是一个简单的惯例，鼓励你记住处理你的错误。如果它是第二个参数，会更容易忽略错误。

除了上述代码层面的解决方法，还可以使用以下更高级的方法，也是另外4种实现异步的方法。但是请记住，回调是JavaScript的基本组成部分（因为它们只是函数），在学习更先进的语言特性之前学习如何读写它们，因为它们都依赖于对回调。

2. 发布订阅模式

订阅者把自己想订阅的事件注册到调度中心，当该事件触发时候，发布者发布该事件到调度中心（顺带上下文），由调度中心统一调度订阅者注册到调度中心的处理代码。

比如有个界面是实时显示天气，它就订阅天气事件（注册到调度中心，包括处理程序），当天气变化时（定时获取数据），就作为发布者发布天气信息到调度中心，调度中心就调度订阅者的天气处理程序。简单来说，发布订阅模式，有一个事件池，用来给你订阅(注册)事件，当你订阅的事件发生时就会通知你，然后你就可以去处理此事件。

使用发布订阅模式，来修改Ajax：

xhr.onreadystatechange = function () {//监听事件
  if (this.readyState === 4) {
    if (this.status === 200) {
      switch (dataType) {
        case 'json': {
          Event.emit('data '+method,JSON.parse(this.responseText));  //触发事件
          break;
        }
        case 'text': {
          Event.emit('data '+method,this.responseText);
          break;
        }
        case 'xml': {
          Event.emit('data '+method,this.responseXML);
          break;
        }
        default: {
          break;
        }
      }
    }
  }
}

3. Promise

ES6将Promise写进了语言标准，统一了用法，原生提供了Promise对象。Promise，简单说就是一个容器，里面保存着一个异步操作的结果。从语法上说，Promise是一个对象，从它可以获取异步操作的消息。

Promise有3种状态：pending（进行中）、fulfilled（成功）、rejected（失败）。

Promise很重要的两个特点：

1. 状态不受外界影响；只有异步操作的结果，可以决定当前是哪一种状态，任何其他操作都无法改变这个状态。
2. 一旦状态改变，就不会再变，任何时候都可以得到这个结果；Promise对象的状态改变，只有两种可能：从pending变为fulfilled和从pending变为rejected。只要这两种情况发生，状态就凝固了，不会再变了，会一直保持这个结果，这时就称为resolved（已定型）。

1. 基本用法

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

    // resolve在异步操作成功时调用
    resolve('success');
    
    // reject在异步操作失败时调用
    reject('error');
});

p.then(result => {
    console.log(result);
});

p.catch(result => {
    console.log(result);
})

ES6规定，Promise对象是一个构造函数，用来生成Promise实例。new一个Promise实例时，这个对象的起始状态就是Pending状态，再根据resolve或reject返回Fulfilled状态 / Rejected状态。

2. Promise.prototype.then( )

前面可以看到，Promise实例具有then方法，所以then方法是定义在原型对象Promise.prototype上的，它的作用是为Promise实例添加状态改变时的回调函数。

then方法返回的是一个新的Promise实例，因此then可以采用链式写法:

getJSON("/posts.json").then(function(json) {
  return json.post;
}).then(function(post) {
  // ...
});

3. Promise.prototype.catch( )

Promise.prototype.catch方法是.then(null, rejection)或.then(undefined, rejection)的别名，用于指定发生错误时的回调函数。

getJSON('/posts.json').then(function(posts) {
  // ...
}).catch(function(error) {
  // 处理 getJSON 和 前一个回调函数运行时发生的错误
  console.log('发生错误！', error);
});

4. Promise.all( )

Promise.all方法用于将多个Promise实例，包装成一个新的Promise实例。

const p = Promise.all([p1, p2, p3]);

上面代码中，p的状态由p1、p2、p3决定，分成两种情况:

1. 只有p1、p2、p3的状态都变成fulfilled，p的状态才会变成fulfilled，此时p1、p2、p3的返回值组成一个数组，传递给p的回调函数。
2. 只要p1、p2、p3之中有一个被rejected，p的状态就变成rejected，此时第一个被reject的实例的返回值，会传递给p的回调函数。

5. Promise.race( )

Promise.race方法同样是将多个Promise实例，包装成一个新的Promise实例。不同的是，race()接受的对象中，哪个对象返回快就返回哪个对象，如果指定时间内没有获得结果，就将Promise的状态变为reject。

const p = Promise.race([
  fetch('/resource-that-may-take-a-while'),
  new Promise(function (resolve, reject) {
    setTimeout(() => reject(new Error('request timeout')), 5000)
  })
]);

p
.then(console.log)
.catch(console.error);

上面代码中，如果 5 秒之内fetch方法无法返回结果，变量p的状态就会变为rejected，从而触发catch方法指定的回调函数。

6. Promise.resolve( )

Promise.resolve('foo')
// 等价于
new Promise(resolve => resolve('foo'))

7. Promise.reject( )

const p = Promise.reject('出错了');
// 等同于
const p = new Promise((resolve, reject) => reject('出错了'))

p.then(null, function (s) {
  console.log(s)
});
// 出错了

下面是一个用Promise对象实现的Ajax操作的例子：

const getJSON = function(url) {
  const promise = new Promise(function(resolve, reject){
    const handler = function() {
      if (this.readyState !== 4) {
        return;
      }
      if (this.status === 200) {
        resolve(this.response);
      } else {
        reject(new Error(this.statusText));
      }
    };
    const client = new XMLHttpRequest();
    client.open("GET", url);
    client.onreadystatechange = handler;
    client.responseType = "json";
    client.setRequestHeader("Accept", "application/json");
    client.send();

  });

  return promise;
};

getJSON("/posts.json").then(function(json) {
  console.log('Contents: ' + json);
}, function(error) {
  console.error('出错了', error);
});

8. callbackify & promisify

Node 8提供了两个工具函数util.promisify、util.callbackify用于在回调函数和Promise之间做方便的切换，我们也可以用JavaScript代码来实现一下。

1. promisify：把callback转化为promise

function promisify(fn_callback) { //接收一个有回调函数的函数,回调函数一般在最后一个参数
  if(typeof fn_callback !== 'function') throw new Error('The argument must be of type Function.');

  //返回一个函数
  return function (...args) {

    //返回Promise对象
    return new Promise((resolve, reject) => {
      try {
        if(args.length > fn_callback.length) reject(new Error('arguments too much.'));
        fn_callback.call(this,...args,function (...args) {
        
          //nodejs的回调，第一个参数为err, Error对象
          args[0] && args[0] instanceof Error && reject(args[0]);
          
          //除去undefined,null参数
          args = args.filter(v => v !== undefined && v !== null);
   
          resolve(args);
        }.bind(this)); //保证this还是原来的this
      } catch (e) {
        reject(e)
      }
    })
  }
}

2. callbackify：promise转换为callback

function callbackify(fn_promise) {
  if(typeof fn_promise !== 'function') throw new Error('The argument must be of type Function.');
  return function (...args) {

    //返回一个函数 最后一个参数是回调
    let callback = args.pop();
    if(typeof callback !== 'function') throw new Error('The last argument must be of type Function.');
    if(fn_promise() instanceof Promise){
      fn_promise(args).then(data => {
      
        //回调执行
        callback(null,data)
      }).catch(err => {
      
        //回调执行
        callback(err,null)
      })
    }else{
      throw new Error('function must be return a Promise object');
    }
  }
}

个人而言，最好直接把代码改成promise形式的，而不是对已有的callback加上这个中间层，因为其实改动的成本差不多。但总有各种各样的情况，比如，你的回调函数已经有很多地方使用了，牵一发而动全身，这时这个中间层还是比较有用的。

4. generator（生成器）函数

Generator函数是ES6提供的一种异步编程解决方案，通过yield标识位和next()方法调用，实现函数的分段执行。

1. next( )方法

先从下面的例子看一下Generator函数是怎么定义和运行的。

function *gen() {
  yield "hello";
  yield "generator";
  return;
}
gen();  // 没有输出结果
var g = gen();
console.log(g.next());  // { value: 'hello', done: false }
console.log(g.next());  // { value: 'generator', done: false }
console.log(g.next());  // { value: 'undefined', done: true }

从上面可以看到，Generator函数定义时要带*，在直接执行gen()时，没有像普通的函数一样，输出结果，而是通过调用next()方法得到了结果。

这个例子中我们引入了yield关键字，分析下这个执行过程：

1. 创建了g对象，指向gen的句柄
2. 第一次调用next()，执行到yield hello，暂缓执行，并返回了hello
3. 第二次调用next()，继续上一次的执行，执行到yield generator,暂缓执行，并返回了generator
4. 第三次调用next(),直接执行return，并返回done:true，表明结束。

经过上面的分析，yield实际就是暂缓执行的标示，每执行一次next()，相当于指针移动到下一个yield位置。
next()方法返回的结果是个对象，对象里面的value是运行结果，done表示是否运行完成。

2. throw( )方法

throw()方法在函数体外抛出一个错误，然后在函数体内捕获。

function *gen1() {
  try{
    yield;
  } catch(e) {
    console.log('内部捕获')
  }
}
let g1 = gen1();
g1.next();
g1.throw(new Error());

3. return( )方法

return()方法返回给定值，并终结生成器，在return后面的yield不会再被执行。

function *gen2(){
    yield 1;
    yield 2;
    yield 3;
}
let g2 = gen2();
g2.next();     // { value:1, done:false }
g2.return();   // { value:undefined, done:true }
g2.next();     // { value:undefined, done:true }

5. Promise + async & await

在ES2017中，提供了async / await两个关键字来实现异步，是异步编程的最高境界，就是根本不用关心它是否是异步，很多人认为它是异步编程的终极解决方案。
async / await寄生于Promise，本质上还是基于Generator函数，可以说是Generator函数的语法糖，async用于申明一个function是异步的，而await可以认为是async wait的简写，等待一个异步方法执行完成。

async function demo() {
  let result = await Promise.resolve(123);
  console.log(result);
}
demo();

async函数返回的是一个Promise对象，在上述例子中，表示demo是一个async函数，await只能用在async函数里面，表示等待Promise返回结果后，再继续执行，await后面应该跟着Promise对象（当然，跟着其他返回值也没关系，只是会立即执行，这样就没有意义了）。

Promise虽然一方面解决了callback的回调地狱，但是相对的把回调 “纵向发展” 了，形成了一个回调链：

function sleep(wait) {
  return new Promise((res,rej) => {
    setTimeout(() => {
      res(wait);
    },wait);
  });
}

/*
let p1 = sleep(100);
let p2 = sleep(200);
let p =*/

sleep(100).then(result => {
  return sleep(result + 100);
}).then(result02 => {
  return sleep(result02 + 100);
}).then(result03 => {
  console.log(result03);
})

将上述代码改成async/await写法：

async function demo() {
  let result01 = await sleep(100);

  //上一个await执行之后才会执行下一句
  let result02 = await sleep(result01 + 100);

  let result03 = await sleep(result02 + 100);

  // console.log(result03);
  return result03;
}

demo().then(result => {
  console.log(result);
});

因为async返回的也是promise对象，所以用then接收就行了。

如果是reject状态，可以用try-catch捕捉：

let p = new Promise((resolve,reject) => {
  setTimeout(() => {
    reject('error');
  },1000);
});

async function demo(params) {
  try {
    let result = await p;
  } catch(e) {
    console.log(e);
  }
}

demo();

这是基本的错误处理，但是当内部出现一些错误时，和Promise有点类似，demo()函数不会报错，还是需要catch回调捕捉，这就是内部的错误被 “静默” 处理了。

let p = new Promise((resolve,reject) => {
  setTimeout(() => {
    reject('error');
  },1000);
});

async function demo(params) {
  // try {
    let result = name;
  // } catch(e) {
  //  console.log(e);
  // }
}

demo().catch((err) => {
  console.log(err);
})

最后，总结一下JavaScript实现异步的5种方式的优缺点：

1. 回调函数：写起来方便，但是过多的回调会产生回调地狱，代码横向扩展，不易于维护和理解。
2. 发布订阅模式：方便管理和修改事件，不同的事件对应不同的回调，但是容易产生一些命名冲突的问题，事件到处触发，可能代码可读性不好。
3. Promise对象：通过then方法来替代掉回调，解决了回调产生的参数不容易确定的问题，但是相对的把回调 “纵向发展” 了，形成了一个回调链。
4. Generator函数：确实很好的解决了JavaScript中异步的问题，但是得依赖执行器函数。
5. async/await：这可能是javascript中，解决异步的最好的方式了，让异步代码写起来跟同步代码一样，可读性和维护性都上来了。