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Javascript异步编程的方法

你可能知道,Javascript语言的执行环境是"单线程"(single thread)。

所谓"单线程",就是指一次只能完成一件任务。如果有多个任务,就必须排队,前面一个任务完成,再执行后面一个任务,以此类推。

这种模式的好处是实现起来比较简单,执行环境相对单纯;坏处是只要有一个任务耗时很长,后面的任务都必须排队等着,会拖延整个程序的执行。常见的浏览器无响应(假死),往往就是因为某一段Javascript代码长时间运行(比如死循环),导致整个页面卡在这个地方,其他任务无法执行。

为了解决这个问题,Javascript语言将任务的执行模式分成两种:同步(Synchronous)和异步(Asynchronous)。

"同步模式"就是上一段的模式,后一个任务等待前一个任务结束,然后再执行,程序的执行顺序与任务的排列顺序是一致的、同步的;"异步模式"则完全不同,每一个任务有一个或多个回调函数(callback),前一个任务结束后,不是执行后一个任务,而是执行回调函数,后一个任务则是不等前一个任务结束就执行,所以程序的执行顺序与任务的排列顺序是不一致的、异步的。

"异步模式"非常重要。在浏览器端,耗时很长的操作都应该异步执行,避免浏览器失去响应,最好的例子就是Ajax操作。在服务器端,"异步模式"甚至是唯一的模式,因为执行环境是单线程的,如果允许同步执行所有http请求,服务器性能会急剧下降,很快就会失去响应。

本文总结了"异步模式"编程的4种方法,理解它们可以让你写出结构更合理、性能更出色、维护更方便的Javascript程序。

一、回调函数

这是异步编程最基本的方法。

假定有两个函数f1和f2,后者等待前者的执行结果。

  f1();

  f2();

如果f1是一个很耗时的任务,可以考虑改写f1,把f2写成f1的回调函数。

  function f1(callback){

    setTimeout(function () {

      // f1的任务代码

      callback();

    }, 1000);

  }

执行代码就变成下面这样:

  f1(f2);

采用这种方式,我们把同步操作变成了异步操作,f1不会堵塞程序运行,相当于先执行程序的主要逻辑,将耗时的操作推迟执行。

回调函数的优点是简单、容易理解和部署,缺点是不利于代码的阅读和维护,各个部分之间高度耦合(Coupling),流程会很混乱,而且每个任务只能指定一个回调函数。

二、事件监听

另一种思路是采用事件驱动模式。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的任务代码

      f1.trigger('done');

    }, 1000);

  }

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。

三、发布/订阅

上一节的"事件",完全可以理解成"信号"。

我们假定,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 () {

      // f1的任务代码

      jQuery.publish("done");

    }, 1000);

  }

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。

此外,f2完成执行后,也可以取消订阅(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。因为我们可以通过查看"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。

四、Promises对象

Promises对象是CommonJS工作组提出的一种规范,目的是为异步编程提供统一接口

简单说,它的思想是,每一个异步任务返回一个Promise对象,该对象有一个then方法,允许指定回调函数。比如,f1的回调函数f2,可以写成:

  f1().then(f2);

f1要进行如下改写(这里使用的是jQuery的实现):

  function f1(){

    var dfd = $.Deferred();

    setTimeout(function () {

      // f1的任务代码

      dfd.resolve();

    }, 500);

    return dfd.promise;

  }

这样写的优点在于,回调函数变成了链式写法,程序的流程可以看得很清楚,而且有一整套的配套方法,可以实现许多强大的功能。

比如,指定多个回调函数:

  f1().then(f2).then(f3);

再比如,指定发生错误时的回调函数:

  f1().then(f2).fail(f3);

而且,它还有一个前面三种方法都没有的好处:如果一个任务已经完成,再添加回调函数,该回调函数会立即执行。所以,你不用担心是否错过了某个事件或信号。这种方法的缺点就是编写和理解,都相对比较难。

五、asyncawait

使用asyncawait关键词编写异步代码,具有与同步代码相当的结构和简单性,并且摒弃了异步编程的复杂结构。

JavaScript 中的 async/await 是 AsyncFunction 特性 中的关键字。目前为止,除了 IE 之外,常用浏览器和 Node (v7.6+) 都已经支持该特性。具体支持情况可以在 这里 查看。

async

async 用于申明一个 function 是异步的,而 await 用于等待一个异步方法执行完成。另外还有语法规定,await 只能出现在 async 函数中。

文档中也可以得到这个信息。async 函数(包含函数语句、函数表达式、Lambda表达式)会返回一个 Promise 对象,如果在函数中 return 一个直接量,async 会把这个直接量通过 Promise.resolve() 封装成 Promise 对象。

Promise.resolve(x) 可以看作是 new Promise(resolve => resolve(x)) 的简写,可以用于快速封装字面量对象或其他对象,将其封装成 Promise 实例。

所以在没有 await 的情况下执行 async 函数,它会立即执行,返回一个 Promise 对象,并且,绝不会阻塞后面的语句。这和普通返回 Promise 对象的函数并无二致。

await

一般来说,都认为 await 是在等待一个 async 函数完成。不过按语法说明,await 等待的是一个表达式,这个表达式的计算结果是 Promise 对象或者其它值(换句话说,就是没有特殊限定)。

await 等到了它要等的东西,一个 Promise 对象,或者其它值,然后呢?我不得不先说,await 是个运算符,用于组成表达式,await 表达式的运算结果取决于它等的东西。

如果它等到的不是一个 Promise 对象,那 await 表达式的运算结果就是它等到的东西。

如果它等到的是一个 Promise 对象,await 就忙起来了,它会阻塞后面的代码,等着 Promise 对象 resolve,然后得到 resolve 的值,作为 await 表达式的运算结果。

看到上面的阻塞一词,心慌了吧……放心,这就是 await 必须用在 async 函数中的原因。async 函数调用不会造成阻塞,它内部所有的阻塞都被封装在一个 Promise 对象中异步执行。

async/await 帮我们做了什么

async/await 的优势在于处理 then 链,单一的 Promise 链并不能发现 async/await 的优势,但是,如果需要处理由多个 Promise 组成的 then 链的时候,优势就能体现出来了(很有意思,Promise 通过 then 链来解决多层回调的问题,现在又用 async/await 来进一步优化它)。

假设一个业务,分多个步骤完成,每个步骤都是异步的,而且依赖于上一个步骤的结果。我们仍然用 setTimeout 来模拟异步操作:

/**
 * 传入参数 n,表示这个函数执行的时间(毫秒)
 * 执行的结果是 n + 200,这个值将用于下一步骤
 */
function takeLongTime(n) {
    return new Promise(resolve => {
        setTimeout(() => resolve(n + 200), n);
    });
}

function step1(n) {
    console.log(`step1 with ${n}`);
    return takeLongTime(n);
}

function step2(n) {
    console.log(`step2 with ${n}`);
    return takeLongTime(n);
}

function step3(n) {
    console.log(`step3 with ${n}`);
    return takeLongTime(n);
}
复制代码

现在用 Promise 方式来实现这三个步骤的处理

function doIt() {
    console.time("doIt");
    const time1 = 300;
    step1(time1)
        .then(time2 => step2(time2))
        .then(time3 => step3(time3))
        .then(result => {
            console.log(`result is ${result}`);
            console.timeEnd("doIt");
        });
}

doIt();

// c:\var\test>node --harmony_async_await .
// step1 with 300
// step2 with 500
// step3 with 700
// result is 900
// doIt: 1507.251ms
复制代码

输出结果 result 是 step3() 的参数 700 + 200 = 900doIt() 顺序执行了三个步骤,一共用了 300 + 500 + 700 = 1500 毫秒,和 console.time()/console.timeEnd() 计算的结果一致。

如果用 async/await 来实现呢,会是这样

async function doIt() {
    console.time("doIt");
    const time1 = 300;
    const time2 = await step1(time1);
    const time3 = await step2(time2);
    const result = await step3(time3);
    console.log(`result is ${result}`);
    console.timeEnd("doIt");
}

doIt();
复制代码

结果和之前的 Promise 实现是一样的,但是这个代码看起来是不是清晰得多,几乎跟同步代码一样

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