深入前端-JavaScript异步编程

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JavaScript的执行机制在上篇文章中进行了深入的探讨,那么既然是一门单线程语言,如何进行良好体验的异步编程呢

回调函数Callbacks

当程序跑起来时,一般情况下,应用程序(application program)会时常通过API调用库里所预先备好的函数。但是有些库函数(library function)却要求应用先传给它一个函数,好在合适的时候调用,以完成目标任务。这个被传入的、后又被调用的函数就称为回调函数(callback function)。

什么是异步

"调用"在发出之后,这个调用就直接返回了,所以没有返回结果。换句话说,当一个异步过程调用发出后,调用者不会立刻得到结果。而是在"调用"发出后,"被调用者"通过状态、通知来通知调用者,或通过回调函数处理这个调用。异步调用发出后,不影响后面代码的执行。
简单说就是一个任务分成两段,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。
在异步执行的模式下,每一个异步的任务都有其自己一个或着多个回调函数,这样当前在执行的异步任务执行完之后,不会马上执行事件队列中的下一项任务,而是执行它的回调函数,而下一项任务也不会等当前这个回调函数执行完,因为它也不能确定当前的回调合适执行完毕,只要引它被触发就会执行,

地狱回调阶段

异步最早的解决方案是回调函数,如事件的回调,setInterval/setTimeout中的回调。但是回调函数有一个很常见的问题,就是回调地狱的问题
下面这几种都属于回调

  • 事件回调
  • Node API
  • setTimeout/setInterval中的回调函数
  • ajax 请求

异步回调嵌套会导致代码难以维护,并且不方便统一处理错误,不能 try catch会陷入回调地狱

fs.readFile(A, 'utf-8', function(err, data) {
    fs.readFile(B, 'utf-8', function(err, data) {
        fs.readFile(C, 'utf-8', function(err, data) {
            fs.readFile(D, 'utf-8', function(err, data) {
                //....
            });
        });
    });
});

ajax(url, () => {
    // 处理逻辑
    ajax(url1, () => {
        // 处理逻辑
        ajax(url2, () => {
            // 处理逻辑
        })
    })
})

Promise解决地狱回调阶段

Promise 一定程度上解决了回调地狱的问题,Promise 最早由社区提出和实现,ES6 将其写进了语言标准,统一了用法,原生提供了Promise对象。

  • Promise存在三个状态(state)pending、fulfilled、rejected
  • pending(等待态)为初始态,并可以转化为fulfilled(成功态)和rejected(失败态)
  • 成功时,不可转为其他状态,且必须有一个不可改变的值(value)
  • 失败时,不可转为其他状态,且必须有一个不可改变的原因(reason)
  • new Promise((resolve, reject)=>{resolve(value)}) resolve为成功,接收参数value,状态改变为fulfilled,不可再次改变。
  • new Promise((resolve, reject)=>{reject(reason)}) reject为失败,接收参数reason,状态改变为rejected,不可再次改变。
  • 若是executor函数报错 直接执行reject();

Promise 是一个构造函数,new Promise 返回一个 promise对象

const promise = new Promise((resolve, reject) => {
       // 异步处理
       // 处理结束后、调用resolve 或 reject
});

then方法注册 当resolve(成功)/reject(失败)的回调函数


// onFulfilled 参数是用来接收promise成功的值,
// onRejected 参数是用来接收promise失败的原因
//两个回调返回的都是promise,这样就可以链式调用
promise.then(onFulfilled, onRejected); 
const promise = new Promise((resolve, reject) => {
   resolve('fulfilled'); // 状态由 pending => fulfilled
});
promise.then(result => { // onFulfilled
    console.log(result); // 'fulfilled' 
}, reason => { // onRejected 不会被调用
    
})

then方法的链式调用

Promise对象的then方法返回一个新的Promise对象,因此可以通过链式调用then方法。then方法接收两个函数作为参数,第一个参数是Promise执行成功时的回调,第二个参数是Promise执行失败时的回调。两个函数只会有一个被调用,函数的返回值将被用作创建then返回的Promise对象。这两个参数的返回值可以是以下三种情况中的一种:

  • return 一个同步的值 ,或者 undefined(当没有返回一个有效值时,默认返回undefined),then方法将返回一个resolved状态的Promise对象,Promise对象的值就是这个返回值。
  • return 另一个 Promise,then方法将根据这个Promise的状态和值创建一个新的Promise对象返回。
  • throw 一个同步异常,then方法将返回一个rejected状态的Promise, 值是该异常。

解决层层回调问题

//对应上面第一个node读取文件的例子
function read(url) {
    return new Promise((resolve, reject) => {
        fs.readFile(url, 'utf8', (err, data) => {
            if(err) reject(err);
            resolve(data);
        });
    });
}
read(A).then(data => {
    return read(B);
}).then(data => {
    return read(C);
}).then(data => {
    return read(D);
}).catch(reason => {
    console.log(reason);
});
//对应第二个ajax请求例子
ajax(url)
  .then(res => {
      console.log(res)
      return ajax(url1)
  }).then(res => {
      console.log(res)
      return ajax(url2)
  }).then(res => console.log(res))

可以看到,Promise在一定程度上其实改善了回调函数的书写方式,最明显的一点就是去除了横向扩展,无论有再多的业务依赖,通过多个then(...)来获取数据,让代码只在纵向进行扩展;另外一点就是逻辑性更明显了,将异步业务提取成单个函数,整个流程可以看到是一步步向下执行的,依赖层级也很清晰,最后需要的数据是在整个代码的最后一步获得。
所以,Promise在一定程度上解决了回调函数的书写结构问题,但回调函数依然在主流程上存在,只不过都放到了then(...)里面,和我们大脑顺序线性的思维逻辑还是有出入的。

Promise缺点

  • 无法取消 Promise
  • 当处于pending状态时,无法得知目前进展到哪一个阶段
  • 错误不能被 try catch

生成器Generators/ yield

什么是Generator

Generator 函数是 ES6 提供的一种异步编程解决方案,语法行为与传统函数完全不同
Generator 函数有多种理解角度。语法上,首先可以把它理解成,Generator 函数是一个状态机,封装了多个内部状态。
执行 Generator 函数会返回一个遍历器对象,也就是说,Generator 函数除了状态机,还是一个遍历器对象生成函数。返回的遍历器对象,可以依次遍历 Generator 函数内部的每一个状态。形式上,Generator 函数是一个普通函数,但是有两个特征。

  • 一是,function关键字与函数名之间有一个星号;
  • 二是,函数体内部使用yield表达式,定义不同的内部状态

Generator调用方式

Generator 函数的调用方法与普通函数一样,也是在函数名后面加上一对圆括号。不同的是,调用 Generator 函数后,该函数并不执行,返回的也不是函数运行结果,而是一个指向内部状态的指针对象,也就是上一章介绍的遍历器对象(Iterator Object)。
下一步,必须调用遍历器对象的next方法,使得指针移向下一个状态。也就是说,每次调用next方法,内部指针就从函数头部或上一次停下来的地方开始执行,直到遇到下一个yield表达式(或return语句)为止。换言之,Generator 函数是分段执行的,yield表达式是暂停执行的标记,而next方法可以恢复执行。

function* foo () {  
  var index = 0;
  while (index < 2) {
    yield index++; //暂停函数执行,并执行yield后的操作
  }
}
var bar =  foo(); // 返回的其实是一个迭代器

console.log(bar.next());    // { value: 0, done: false }  
console.log(bar.next());    // { value: 1, done: false }  
console.log(bar.next());    // { value: undefined, done: true }  

了解Co

可以看到上个例子当中我们需要一步一步去调用next这样也会很麻烦,这时我们可以引入co来帮我们控制
Co是一个为Node.js和浏览器打造的基于生成器的流程控制工具,借助于Promise,你可以使用更加优雅的方式编写非阻塞代码。
Co 函数库约定,yield 命令后面只能是 Thunk 函数或 Promise 对象,而 async 函数的 await 命令后面,可以跟 Promise 对象和原始类型的值(数值、字符串和布尔值,但这时等同于同步操作)。
说白了就是帮你自动执行你的Generator不用手动调用next

解决异步问题

我们可以通过 Generator 函数解决回调地狱的问题,可以把之前的回调地狱例子改写为如下代码:

const co = require('co');
co(
function* read() {
    yield readFile(A, 'utf-8');
    yield readFile(B, 'utf-8');
    yield readFile(C, 'utf-8');
    //....
}
).then(data => {
    //code
}).catch(err => {
    //code
});
function *fetch() {
    yield ajax(url, () => {})
    yield ajax(url1, () => {})
    yield ajax(url2, () => {})
}
let it = fetch()
let result1 = it.next()
let result2 = it.next()
let result3 = it.next()

终极解决方案Async/ await

async 函数是Generator 函数的语法糖,是对Generator做了进一步的封装。

Async特点

  • 当调用一个 async 函数时,会返回一个 Promise 对象。
    async function async1() {
      return "1"
    }
    console.log(async1()) // -> Promise {<resolved>: "1"}
  • 当这个 async 函数返回一个值时,Promise 的 resolve 方法会负责传递这个值;
  • 当 async 函数抛出异常时,Promise 的 reject 方法也会传递这个异常值。
  • async 函数中可能会有 await 表达式,这会使 async 函数暂停执行,等待 Promise 的结果出来,然后恢复async函数的执行并返回解析(resolved)。
  • 内置执行器。 Generator 函数的执行必须靠执行器,所以才有了 co 函数库,而 async 函数自带执行器。也就是说,async 函数的执行,与普通函数一模一样,只要一行。
  • 更广的适用性。co 模块约定,yield 命令后面只能是 Thunk 函数或 Promise对象。而 async 函数的 await 命令后面则可以是 Promise 或者 原始类型的值(Number,string,boolean,但这时等同于同步操作)

await特点

  • await 操作符用于等待一个Promise 对象。它只能在异步函数 async function 中使用。
  • [return_value] = await expression;
  • await 表达式会暂停当前 async function 的执行,等待 Promise 处理完成。若 Promise 正常处理(fulfilled),其回调的resolve函数参数作为 await 表达式的值,继续执行 async function。
  • 若 Promise 处理异常(rejected),await 表达式会把 Promise 的异常原因抛出。
  • 另外,如果 await 操作符后的表达式的值不是一个 Promise,则返回该值本身。

重点:遇到 await 表达式时,会让 async 函数 暂停执行,等到 await 后面的语句(Promise)状态发生改变(resolved或者rejected)之后,再恢复 async 函数的执行(再之后 await 下面的语句),并返回解析值(Promise的值)

为什么await可以暂停执行并等到Promise的状态改变再恢复执行呢

promise就是做这件事的 , 它会自动等到Promise决议以后的返回值,resolve(...)或者reject(...)都可以。
async内部会在promise.then(callback),回调函数里调用 next()... (还有用Thunk的, 也是为了做这个事的);

Async执行方式

简单说 , async/awit 就是对上面gennerator自动化流程的封装 , 让每一个异步任务都是自动化的执行 , 当第一个异步任务readFile(A)执行完如上一点说明的, async内部自己执行next(),调用第二个任务readFile(B);

这里引入ES6阮一峰老师的例子
const fs = require('fs');

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


async function read() {
    await readFile(A);//执行到这里停止往下执行,等待readFile内部resolve(data)后,再往下执行
    await readFile(B);
    await readFile(C);
    //code
}

//这里可用于捕获错误
read().then((data) => {
    //code
}).catch(err => {
    //code
});

参考文章

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