异步编程概述

1.JS单线程模型

单线程模型指的是， JavaScript只在一个线程上运行。（同时只能执行一个任务，其他任务必须排队等待）

注意，上述文字不代表JS引擎只有一个线程。事实上，JS引擎有多个线程，只是单个脚本只能在一个线程上运行(主线程),其他线程都是在后台配合。

JS使用单线程的原因

在设计之处，JS就是单线程的，原因是不想让浏览器渲染变得太复杂。

如果是JS有两个线程，其中一个线程是在网页中添加DOM节点，另一个线程则是在网页中删除该节点，那么该以谁为准呢？

所以，为了避免这种情况，JS从一开始就是单线程的，并且以后都不会改变。

带来的问题

这种设计模式虽然实现起来简单，但执行环境相对迟钝。而且，如果有一个任务耗时很长，将会阻塞后面任务的进行，从而影响整个程序的执行，像常见的浏览器无响应（假死），往往就是某一段JS代码出了问题，导致页面卡在这个地方。比如在使用Ajax请求返回结果时，若服务器一直未响应，或者网络不通畅，就会导致脚本长时间的停滞。

总结

单线程模型虽然对 JavaScript 构成了很大的限制，但也因此使它具备了其他语言不具备的优势。如果用得好，JavaScript 程序是不会出现堵塞的，这就是为什么 Node 可以用很少的资源，应付大流量访问的原因。

为了利用多核 CPU 的计算能力，HTML5 提出 Web Worker 标准，允许 JavaScript 脚本创建多个线程，但是子线程完全受主线程控制，且不得操作 DOM。所以，这个新标准并没有改变 JavaScript 单线程的本质。

2.同步任务和异步任务

JS程序里所有的任务可以分为两类，同步任务(synchronous)和异步任务(asynchronous)。

同步任务

同步任务是指那些没有被引擎挂起、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。

异步任务

异步任务是指那些被引擎挂起，不进入主线程，而是进入任务队列。只有当引擎认为它可以执行了（设置定时器/Ajax操作成功），该任务（以回调函数的形式）才会进入主线程执行。那些排在异步任务后面的代码，不用等待异步任务也能够执行，所以，异步任务不具有阻塞效应。

3.任务队列和时间循环

任务队列

JS运行时，除了一个正在运行的主线程，引擎还提供一个任务队列（task queue），里面包含着需要程序处理的异步任务。

首先，主线程会执行所有的异步任务，等到同步任务完成后，才会去判断异步任务是否开始执行。如果满足条件，该异步任务会重新进入到主线程，以同步任务的形式开始执行，执行完后，下一个满足条件的异步任务再进入到主线程，如此往复。当任务队列清空时，程序就停止执行。

事件循环

JS引擎怎么知道异步任务有没有结果，能不能进入主线程呢？答案就是引擎在不停地检查，一遍又一遍，只要同步任务执行完了，引擎就会去检查那些挂起来的异步任务，是否满足条件进入主线程。这种循环检查的机制，就叫做事件循环（Event Loop）。

4.异步操作的模式

下面总结一下异步操作的几种模式。

4.1回调函数

回调函数是异步操作最基本的方法。

下面呢程序的意图是f2必须等到f1执行完成，才能执行。

function f1() {
  // ...
}

function f2() {
  // ...
}

f1();
f2();

问题在于,如果f1是异步操作，f2会立即执行，不会等到f1结束再执行。

这时，可以考虑改写f1，把f2写成f1的回调函数。

function f1(callback) {
  // ...
  callback();
}

function f2() {
  // ...
}

f1(f2);

虽然回调函数容易理解与实现，但它会使各个函数高度耦合，使=使得程序结构混乱、流程难以追踪（尤其是多个回调函数嵌套的情况），而且每个任务只能指定一个回调函数。

4.2事件监听

另一种思路是采用事件驱动模式。异步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。

还是以f1和f2为例。首先，为f1绑定一个事件（这里采用的 jQuery 的写法）。

f1.on('done', f2);

上面这行代码的意思是，当f1发生done事件，就执行f2。然后，对f1进行改写：

function f1() {
  setTimeout(function () {
    // ...
    f1.trigger('done');
  }, 1000);
}

上面代码中，f1.trigger('done')表示，执行完成后，立即触发done事件，从而开始执行f2。

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。阅读代码的时候，很难看出主流程。

4.3发布/订阅

事件完全可以理解成“信号”，如果存在一个“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）。

这个模式有多种实现，下面采用的是 Ben Alman 的 Tiny Pub/Sub，这是 jQuery 的一个插件。

首先，f2向信号中心jQuery订阅done信号。

jQuery.subscribe('done', f2);
然后，f1进行如下改写。

function f1() {
  setTimeout(function () {
    // ...
    jQuery.publish('done');
  }, 1000);
}

上面代码中，jQuery.publish('done')的意思是，f1执行完成后，向信号中心jQuery发布done信号，从而引发f2的执行。

f2完成执行后，可以取消订阅（unsubscribe）。

jQuery.unsubscribe('done', f2); 这种方法的性质与“事件监听”类似，但是明显优于后者。因为可以通过查看“消息中心”，了解存在多少信号、每个信号有多少订阅者，从而监控程序的运行。

5.异步操作的流程控制

如果有多个异步操作，就存在一个流程控制的问题：如何确定异步操作执行的顺序，以及如何保证遵守这种顺序。

function async(arg, callback) {
  console.log('参数为 ' + arg +' , 1秒后返回结果');
  setTimeout(function () { callback(arg * 2); }, 1000);
}

上面代码的async函数是一个异步任务，非常耗时，每次执行需要1秒才能完成，然后再调用回调函数。

如果有六个这样的异步任务，需要全部完成后，才能执行最后的final函数。请问应该如何安排操作流程？

function final(value) {
  console.log('完成: ', value);
}

async(1, function (value) {
  async(2, function (value) {
    async(3, function (value) {
      async(4, function (value) {
        async(5, function (value) {
          async(6, final);
        });
      });
    });
  });
});
// 参数为 1 , 1秒后返回结果
// 参数为 2 , 1秒后返回结果
// 参数为 3 , 1秒后返回结果
// 参数为 4 , 1秒后返回结果
// 参数为 5 , 1秒后返回结果
// 参数为 6 , 1秒后返回结果
// 完成:  12

上面代码中，六个回调函数的嵌套，不仅写起来麻烦，容易出错，而且难以维护。

5.1串行执行

我们可以编写一个流程控制函数，让它来控制异步任务，一个任务完成以后，再执行另一个。这就叫串行执行。

var items = [ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ];
var results = [];

function async(arg, callback) {
  console.log('参数为 ' + arg +' , 1秒后返回结果');
  setTimeout(function () { callback(arg * 2); }, 1000);
}

function final(value) {
  console.log('完成: ', value);
}

function series(item) {
  if(item) {
    async( item, function(result) {
      results.push(result);
      return series(items.shift());
    });
  } else {
    return final(results[results.length - 1]);
  }
}

series(items.shift());

上面代码中，函数series就是串行函数，它会依次执行异步任务，所有任务都完成后，才会执行final函数。items数组保存每一个异步任务的参数，results数组保存每一个异步任务的运行结果。

注意，上面的写法需要六秒，才能完成整个脚本。

5.2并行执行

流程控制函数也可以是并行执行，即所有异步任务同时执行，等到全部完成以后，才执行final函数。

var items = [ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ];
var results = [];

function async(arg, callback) {
  console.log('参数为 ' + arg +' , 1秒后返回结果');
  setTimeout(function () { callback(arg * 2); }, 1000);
}

function final(value) {
  console.log('完成: ', value);
}

items.forEach(function(item) {
  async(item, function(result){
    results.push(result);
    if(results.length === items.length) {
      final(results[results.length - 1]);
    }
  })
});

上面代码中，forEach方法会同时发起六个异步任务，等到它们全部完成以后，才会执行final函数。

相比而言，上面的写法只要一秒，就能完成整个脚本。这就是说，并行执行的效率较高，比起串行执行一次只能执行一个任务，较为节约时间。但是问题在于如果并行的任务较多，很容易耗尽系统资源，拖慢运行速度。因此有了第三种流程控制方式。

5.3并行与串行的结合

所谓并行与串行的结合，就是设置一个门槛，每次最多只能并行执行n个异步任务，这样就避免了过分占用系统资源。

var items = [ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ];
var results = [];
var running = 0;
var limit = 2;

function async(arg, callback) {
  console.log('参数为 ' + arg +' , 1秒后返回结果');
  setTimeout(function () { callback(arg * 2); }, 1000);
}

function final(value) {
  console.log('完成: ', value);
}

function launcher() {
  while(running < limit && items.length > 0) {
    var item = items.shift();
    async(item, function(result) {
      results.push(result);
      running--;
      if(items.length > 0) {
        launcher();
      } else if(running == 0) {
        final(results);
      }
    });
    running++;
  }
}

launcher();

上面代码中，最多只能同时运行两个异步任务。变量running记录当前正在运行的任务数，只要低于门槛值，就再启动一个新的任务，如果等于0，就表示所有任务都执行完了，这时就执行final函数。

这段代码需要三秒完成整个脚本，处在串行执行和并行执行之间。通过调节limit变量，达到效率和资源的最佳平衡。

参考链接

JavaScript Modules: A Beginner’s Guide-----Preethi Kasireddy

最后，希望能和大家一起进步！