单线程与异步

Javascript是单线程运行、支持异步机制的语言。进入正题之前，我们有必要先理解这种运行方式。

以「起床上班」的过程为例，假设有以下几个步骤：

起床（10min）
洗刷（10min）
换衣（5min）
叫车（10min）
上班（15min）

最简单粗暴的执行方式就是按顺序逐步执行，这样从起床到上班共需50分钟，效率较低。如果能在「洗刷」之前先「叫车」，就可以节省10分钟的等车时间。

这样一来「叫车」就成了异步操作。但为何只有「叫车」可以异步呢？因为车不需要自己开过来，所以自己处于空闲状态，可以先干点别的。

把上面的过程写成代码：

function 起床() { console.info('起床'); }
function 洗刷() { console.info('洗刷'); }
function 换衣() { console.info('换衣'); }
function 上班() { console.info('上班'); }
function 叫车(cb) {
    console.info('叫车');
    setTimeout(function() {
        cb('车来了');
    }, 1000);
}

起床();
叫车(function() {
    上班();
});
洗刷();
换衣();

因为「上班」要在「叫车」之后才能执行，所以要作为「叫车」的回调函数。然而，「叫车」需要10分钟，「洗刷」也需要10分钟，「洗刷」执行完后刚好车就到了，此时会不会先执行「上班」而不是「换衣」呢？Javascript是单线程的语言，它会先把当前的同步代码执行完再去执行异步的回调。而异步的回调则是另一片同步代码，在这片代码执行完之前，其他的异步回调也不会被执行。所以「上班」不会先于「换衣」执行。

接下来考虑一种情况：手机没电了，想叫车得先充电。很明显，充电的过程也可以异步执行。整个过程应该是：

写成代码则是：

function 充电(cb) {
    console.info('充电');
    setTimeout(function() {
        cb(0.1); // 0.1表示充了10%
    }, 1000);
}

起床();
充电(function() {
    叫车(function() {
        上班();
    });
});
洗刷();
换衣()

充电、叫车、上班是异步串行（按顺序执行）的，所以要把后者作为前者的回调函数。可见，串行的异步操作越多，回调函数的嵌套就会越深，最终形成了回调金字塔（也叫回调地狱）：

充电(function() {
    叫车(function() {
        其他事情1(function() {
            其他事情2(function() {
                其他事情3(function() {
                    上班();
                });
            });
        });
    });
});

这样的代码极难阅读，也极难维护。此外，还有更复杂的问题：

除了异步串行，还有异步并行，甚至是串行、并行互相穿插。
异步代码的异常无法通过try...catch捕获，异常处理相当不方便。

可喜的是，随着异步编程的发展，上面提及的这些问题越来越好解决了，下面就给大家介绍四种解决方案。

Async库

Async是一个异步操作的工具库，包含流程控制的功能。

「async.series」即为执行异步串行任务的方法。例如：

// 充电 -> 叫车
async.series([
    function(next) {
        充电(function(battery) {
            next(null, battery);
        });
    },
    function(next) {
        叫车(function(msg) {
            next(null, msg);
        });
    }
], function(err, results) {
    if (err) {
        console.error(err);
    } else {
        console.dir(results); // [0.1, '车来了']
        上班();
    }
});

「async.series」的第一个参数是要执行的步骤（数组），每一个步骤都是一个函数。这个函数有一个参数「next」，异步操作完成后必须调用「next」：

如果异步操作顺利完成，则调用「next」时的第一个参数为null，第二个参数为执行结果；
如果出现异常，则调用「next」时的第一个参数为异常信息。

「async.series」的第二个参数则是这些步骤全部执行完成后的回调函数。其中：

第一个参数是异常信息，不为null时表示发生异常；
第二个参数是由执行结果汇总而成的数组，顺序与步骤的顺序相对应。

「async.waterfall」是另一个用得更多的异步串行方法，它与「async.series」的区别是：把上一步的结果传给下一步，而不是汇总到最后的回调函数。例如：

// 充电 -> 叫车
async.waterfall([
    function(next) {
        充电(function(battery) {
            next(null, battery);
        });
    },
    // battery为上一步的next所传的参数
    function(battery, next) {
        if (battery >= 0.1) {
            叫车(function(msg) {
                next(null, msg);
            });
        } else {
            next(new Error('电量不足'));
        }
    }
], function(err, result) {
    if (err) {
        console.error(err);
    } else {
        console.log(result); // '车来了'
        上班();
    }
});

而执行异步并行任务的方法则是「async.parallel」，用法与「async.series」类似，这里就不再详细说明了。

那串行、并行相互穿插又是怎样的呢？

// 从起床到上班的整个过程
async.series([
    function(next) {
        起床();
        next();
    },
    function(next) {
        async.parallel([
            function(next) {
                async.waterfall([
                    function(next) {
                        充电(function(battery) {
                            next(null, battery);
                        });
                    },
                    function(battery, next) {
                        if (battery >= 0.1) {
                            叫车(function(msg) {
                                next(null, msg);
                            });
                        } else {
                            next(new Error('电量不足'));
                        }
                    }
                ], next);
            },
            function(next) {
                洗刷();
                换衣();
                next();
            }
        ], next);
    }
], function(err, results) {
    if (err) {
        console.error(err);
    } else {
        上班();
    }
});

可见，如果串行和并行互相多穿插几次，还是会出现一定程度的回调金字塔现象。

Asycn库的优点是符合Node.js的异步编程模式（回调函数的第一个参数是异常信息，Node.js原生的异步接口都这样）。然而它的缺点也正是如此，回调函数中有一个异常信息参数，还占据了第一位，实在是太不方便了。

Promise

Promise是ES6标准的一部分，它提供了一种新的异步编程模式。但是ES6定稿比较晚，且旧的浏览器无法支持新的标准，因而有一些第三方的实现（比如Bluebird，不仅实现了Promise的标准，还进行了扩展）。顺带一提，Node.js 4.0+已经原生支持Promise。

那Promise究竟是什么玩意呢？Promise代表异步操作的最终结果，跟Promise交互的主要方式是通过它的「then」或者「catch」方法注册回调函数去接收最终结果或者是不能完成的原因（异常）。

使用Promise首先要把异步操作Promise化：

function 充电Promisify() {
    return new Promise(function(resolve) {
        充电(function(battery) {
            resolve(battery);
        });
        // 也可以简写为 充电(resolve)
    });
}

function 叫车Promisify(battery) {
    return new Promise(function(resolve, reject) {
        if (battery >= 0.1) {
            叫车(function(msg) {
                resolve(msg);
            });
            // 也可以简写为 叫车(resolve)
        } else {
            reject(new Error('电量不足'));
        }
    });
}

具体来说，就是创建一个Promise对象，创建时需要传入一个函数，这个函数有两个参数「resolve」和「reject」。操作成功时调用「resolve」，出现异常时调用「reject」。而想要获得异步操作的结果，正如前面所提到的，需要调用Promise对象的「then」方法：

叫车Promisify(0.1).then(function(result) {
    console.log(result); // '车来了'
}, function(err) {
    console.error(err);
});

叫车Promisify(0).then(function(result) {
    console.log(result);
}, function(err) {
    console.error(err.message);  // '电量不足'
});

「then」方法有两个参数：

第一个参数是操作成功（resolved）时的回调；
第二个参数是操作拒绝（rejected）时的回调。

要注意的是，创建Promise对象时传入的函数只会执行一次，即使多次调用了「then」方法，该函数也不会重复执行。这样一来，一个Promise实际上还缓存了异步操作的结果。

下面看一下基于Promise的异步串行是怎样的：

// 充电 -> 叫车
充电Promisify().then(function(battery) {
    return 叫车Promisify(battery);
}).then(function(result) {
    console.log(result); // '车来了'
    上班();
}).catch(function(err) {
    console.error(err);
});

如果「then」的回调函数返回的是一个Promise对象，那么下一个「then」的回调函数就会在这个Promise对象完成之后再执行。所以多个步骤只需要通过「then」链式调用即可。此外，这段代码的「then」只有一个参数，而异常则由「catch」方法统一处理。

接下来看一下异步并行，需要用到「Promise.all」这个方法：

// 充电、洗刷并行
Promise.all([
    充电Promisify(),
    new Promise(function(resolve) {
        洗刷();
        resolve();
    })
]).then(function(results) {
    console.dir(results); // [0.1, undefined]
}, function(err) {
    console.error(err);
});

最后是串行和并行穿插：

// 从起床到上班的过程
new Promise(function(resolve) {
    起床();
    resolve();
}).then(function() {
    return Promise.all([
        充电Promisify().then(function(battery) {
            return 叫车Promisify(battery);
        }),
        new Promise(function(resolve) {
            洗刷();
            换衣();
            resolve();
        })
    ]);
}).then(function(results) {
    console.dir(results); // ['车来了', undefined]
    上班();
}).catch(function(err) {
    console.error(err);
});

可见，基于Promise的异步代码比Async库的要简洁得多，通过「then」的链式调用可以很好地控制执行顺序。但是由于现有的大部分异步接口都不是基于Promise写的，所以要进行二次封装。

顺带一提，其实jQuery的「$.ajax」方法返回的就是一个不完全的Promise（没有实现Promise的所有接口）：

$.ajax('a.txt').then(function(resultA) {
    console.log(resultA);
    return $.ajax('b.txt');
}).then(function(resultB) {
    console.log(resultB);
});

Generator Function

Generator Function，中文译名为生成器函数，是ES6中的新特性。这种函数通过「function *」进行声明，函数内部可以通过「yield」关键字暂停函数执行。

这是一个生成器函数的例子：

function* genFn() {
    console.log('begin');
    var value = yield 'a';
    console.log(value); // 'B'
    return 'end';
}

var gen = genFn();
console.log(typeof gen); // 'object'
var g1 = gen.next();
g1.value; // 'a'
g1.done; // false
var g2 = gen.next('B');
g2.value; // 'end'
g2.done; // true

如果是普通的函数，执行「genFn()」后就会返回「end」，但生成器函数并不是这样。执行「genFn()」后，实际上是创建了一个生成器函数对象，此时函数内的代码不会执行。而调用这个对象（gen）的「next」方法时，函数开始执行，直到「yield」暂停。「next」方法的返回值是一个对象，它有两个属性：

value：yield关键字后面的值（如果为表达式，则为表达式的计算结果）；
done：函数是否执行完毕。

第二次调用「gen.next」时，传入了一个参数值「B」。「next」方法的参数值即为当前暂停函数的「yield」的返回值，所以函数内部value的值为「B」。然后函数继续执行，返回「end」。所以「g2.value」为的值「end」，此时函数执行完毕，「g2.done」的值为「true」。

那到底这玩意对异步编程有何助益呢？且看这段代码：

function* 叫车Gen(battery) {
    try {
        var result = yield 叫车Promisify(battery);
        console.log(result); // '车来了'
    } catch (e) {
        console.error(e);
    }
}

var gen = 叫车Gen(0.1), promise = gen.next().value;
promise.then(function(result) {
    gen.next(result);
}, function(err) {
    gen.throw(err);
});

其执行过程大概是：执行异步操作后就暂停了「叫车Gen」的执行，异步操作完成后通过「gen.next」把「result」回传到「叫车Gen」中；如果出现异常，就通过「gen.throw」抛出以便在「叫车Gen」里面捕获。

但是这样绕来绕去又有什么好处呢？仔细观察可以发现，「叫车Gen」内部虽然执行的是异步操作，但完全就是同步的写法（没有回调函数，异常捕获也是用常规的「try...catch」）。进一步思考，如果能把后面的细节封装起来，那就真的可以用同步的方式写异步的代码了。而后面的细节部分也是有规律可循的，封装起来并不是难事（只是有点绕）：

function asyncByGen(genFn) {
    var gen = genFn();

    function nextStep(g) {
        if (g.done) { return; }

        if (g.value instanceof Promise) {
            g.value.then(function(result) {
                nextStep(gen.next(result));
            }, function(err) {
                gen.throw(err);
            });
        } else {
            nextStep(gen.next(g.value));
        }
    }

    nextStep(gen.next());
}

借助这个函数，异步编程可以前所未有地简单：

// 异步串行：充电 -> 叫车
asyncByGen(function *() {
    try {
        var battery = yield 充电Promisify();
        console.log(
            yield 叫车Promisify(battery)
        ); // '车来了'
    } catch (e) {
        console.error(e);
    }
});

// 异步并行：充电、洗刷并行
asyncByGen(function *() {
    try {
    console.dir(
        yield Promise.all([
            充电Promisify(),
            new Promise(function(resolve) {
                洗刷();
                resolve()
            })
        ])
    ); // [0.1, undefined]
    } catch (e) {
        console.error(e);
    }
});

// 串行、并行互相穿插：从起床到上班的过程
asyncByGen(function*() {
    try {
        起床();
        console.dir(
            yield Promise.all([
                充电Promisify().then(function(battery) {
                    return 叫车Promisify(battery);
                }),
                new Promise(function(resolve) {
                    洗刷();
                    换衣();
                    resolve();
                })
            ])
        ); // [0.1, undefined]
        上班();
    } catch (e) {
         console.error(e);
    }
});

生成器函数是一种比较新的特性，虽然Node.js 4.0+已经原生支持，但在旧版本浏览器上肯定无法运行。因此如果要在浏览器端使用还得通过编译器（如Babel）编译成ES5的代码，这也是这种解决方案的最大缺点。

讲到这里，顺便介绍一下「co」库。这个库的功能类似于「asyncByGen」，但它封装得更好，功能也更多，是用生成器函数写异步代码必不可少的利器。

async/await

如果你还是看不懂生成器函数的执行过程，那也没关系，因为它已经“过时”了！ES7提供了「async」、「await」两个关键字，可以达到跟「asyncByGen」一样的效果。

首先给大家介绍一个这两个关键字的用法。「async」是用来声明异步函数的，这种函数的返回值总是Promise对象（即使函数内部返回的不是Promise对象，也会返回一个结果为undefined的Promise对象）。

async function asyncFnA() {
    return Promise.resolve('A');
}
asyncFnA().then(function(result) {
    console.log(result); // 'A'
});

async function asyncFnB() {

}
asyncFnB().then(function(result) {
    console.log(result); // undefined
});

「await」只能用在由「async」声明的异步函数的内部，它会等待其后的Promise对象确定状态后再执行后续的语句：

(async function() {
    var battery = await 充电Promisify();
    console.log(battery); // 0.1
})();

顺带提一下，「await」后面不一定非要跟着Promise对象，也可以是一个普通的值，这样相当于是执行同步代码。

下面用「async/await」重写上面的例子：

// 异步串行：充电 -> 洗刷
(async function() {
    try {
        var battery = await 充电Promisify();
        return await 叫车Promisify(battery);
    } catch (e) {
        console.error(e);
    }
})().then(function(msg) {
    console.log(msg); // 车来了
});

// 异步并行：充电、洗刷并行
(async function() {
    try {
        return await Promise.all([
            充电Promisify(),
            (async function() {
                洗刷();
            })()
        ]);
    } catch (e) {
        console.error(e);
    }
})().then((results) => {
    console.dir(results); // [0.1, undefined]
});

// 串行、并行互相穿插：从起床到上班的过程
(async function() {
    try {
        起床();
        console.dir(
            await Promise.all([
                充电Promisify().then(function(battery) {
                    return 叫车Promisify(battery);
                }),
                (async function() {
                    洗刷();
                    换衣();
                })()
            ])
        ); // [0.1, undefined]
        上班();
    } catch (e) {
        console.error(e);
    }
})();

可见，与生成器函数相比，「async/await」又使异步编程变得更为简单了。Node.js 7.6+以及大部分主流浏览器的最新版本都已经支持这两个关键字了，但还是那句话：如果要在浏览器端使用，编译器（如Babel）是少不了的。

后记

本文的第一版写于2015年年底，现在（2017年中）重读一遍，觉得有不少可以改进的地方，而且技术也在不断发展，于是又修改了一遍。改动包括：

把示例代码由原来的「AJAX读取文件」改成文章开头所述的「从起床到上班的过程」。虽然用到了中文函数名，但都是可以运行的。
新增「async/await」一节。

本文也发表在作者个人博客：异步流程控制 | Node.js开发 | Heero's Blog

文章同步发布在：[贝聊知乎]