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阮一峰 · 更新于 2018-11-28 11:00:43

异步操作

异步编程对 JavaScript 语言太重要。JavaScript 只有一根线程,如果没有异步编程,根本没法用,非卡死不可。

ES6 诞生以前,异步编程的方法,大概有下面四种。

  • 回调函数
  • 事件监听
  • 发布/订阅
  • Promise 对象

ES6 将 JavaScript 异步编程带入了一个全新的阶段。

基本概念

异步

所谓"异步",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。

比如,有一个任务是读取文件进行处理,任务的第一段是向操作系统发出请求,要求读取文件。然后,程序执行其他任务,等到操作系统返回文件,再接着执行任务的第二段(处理文件)。这种不连续的执行,就叫做异步。

相应地,连续的执行就叫做同步。由于是连续执行,不能插入其他任务,所以操作系统从硬盘读取文件的这段时间,程序只能干等着。

回调函数

JavaScript语言对异步编程的实现,就是回调函数。所谓回调函数,就是把任务的第二段单独写在一个函数里面,等到重新执行这个任务的时候,就直接调用这个函数。它的英语名字callback,直译过来就是"重新调用"。

读取文件进行处理,是这样写的。

fs.readFile('/etc/passwd', function (err, data) {
  if (err) throw err;
  console.log(data);
});

上面代码中,readFile函数的第二个参数,就是回调函数,也就是任务的第二段。等到操作系统返回了/etc/passwd这个文件以后,回调函数才会执行。

一个有趣的问题是,为什么Node.js约定,回调函数的第一个参数,必须是错误对象err(如果没有错误,该参数就是null)?原因是执行分成两段,在这两段之间抛出的错误,程序无法捕捉,只能当作参数,传入第二段。

Promise

回调函数本身并没有问题,它的问题出现在多个回调函数嵌套。假定读取A文件之后,再读取B文件,代码如下。

fs.readFile(fileA, function (err, data) {
  fs.readFile(fileB, function (err, data) {
    // ...
  });
});

不难想象,如果依次读取多个文件,就会出现多重嵌套。代码不是纵向发展,而是横向发展,很快就会乱成一团,无法管理。这种情况就称为“回调函数噩梦”(callback hell)。

Promise就是为了解决这个问题而提出的。它不是新的语法功能,而是一种新的写法,允许将回调函数的横向加载,改成纵向加载。采用Promise,连续读取多个文件,写法如下。

var readFile = require('fs-readfile-promise');

readFile(fileA)
.then(function(data){
  console.log(data.toString());
})
.then(function(){
  return readFile(fileB);
})
.then(function(data){
  console.log(data.toString());
})
.catch(function(err) {
  console.log(err);
});

上面代码中,我使用了fs-readfile-promise模块,它的作用就是返回一个Promise版本的readFile函数。Promise提供then方法加载回调函数,catch方法捕捉执行过程中抛出的错误。

可以看到,Promise 的写法只是回调函数的改进,使用then方法以后,异步任务的两段执行看得更清楚了,除此以外,并无新意。

Promise 的最大问题是代码冗余,原来的任务被Promise 包装了一下,不管什么操作,一眼看去都是一堆 then,原来的语义变得很不清楚。

那么,有没有更好的写法呢?

Generator函数

协程

传统的编程语言,早有异步编程的解决方案(其实是多任务的解决方案)。其中有一种叫做"协程"(coroutine),意思是多个线程互相协作,完成异步任务。

协程有点像函数,又有点像线程。它的运行流程大致如下。

  • 第一步,协程A开始执行。
  • 第二步,协程A执行到一半,进入暂停,执行权转移到协程B。
  • 第三步,(一段时间后)协程B交还执行权。
  • 第四步,协程A恢复执行。

上面流程的协程A,就是异步任务,因为它分成两段(或多段)执行。

举例来说,读取文件的协程写法如下。

function asnycJob() {
  // ...其他代码
  var f = yield readFile(fileA);
  // ...其他代码
}

上面代码的函数asyncJob是一个协程,它的奥妙就在其中的yield命令。它表示执行到此处,执行权将交给其他协程。也就是说,yield命令是异步两个阶段的分界线。

协程遇到 yield 命令就暂停,等到执行权返回,再从暂停的地方继续往后执行。它的最大优点,就是代码的写法非常像同步操作,如果去除yield命令,简直一模一样。

Generator函数的概念

Generator函数是协程在ES6的实现,最大特点就是可以交出函数的执行权(即暂停执行)。

整个Generator函数就是一个封装的异步任务,或者说是异步任务的容器。异步操作需要暂停的地方,都用yield语句注明。Generator函数的执行方法如下。

function* gen(x){
  var y = yield x + 2;
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next() // { value: 3, done: false }
g.next() // { value: undefined, done: true }

上面代码中,调用Generator函数,会返回一个内部指针(即遍历器)g 。这是Generator函数不同于普通函数的另一个地方,即执行它不会返回结果,返回的是指针对象。调用指针g的next方法,会移动内部指针(即执行异步任务的第一段),指向第一个遇到的yield语句,上例是执行到x + 2为止。

换言之,next方法的作用是分阶段执行Generator函数。每次调用next方法,会返回一个对象,表示当前阶段的信息(value属性和done属性)。value属性是yield语句后面表达式的值,表示当前阶段的值;done属性是一个布尔值,表示Generator函数是否执行完毕,即是否还有下一个阶段。

Generator函数的数据交换和错误处理

Generator函数可以暂停执行和恢复执行,这是它能封装异步任务的根本原因。除此之外,它还有两个特性,使它可以作为异步编程的完整解决方案:函数体内外的数据交换和错误处理机制。

next方法返回值的value属性,是Generator函数向外输出数据;next方法还可以接受参数,这是向Generator函数体内输入数据。

function* gen(x){
  var y = yield x + 2;
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next() // { value: 3, done: false }
g.next(2) // { value: 2, done: true }

上面代码中,第一个next方法的value属性,返回表达式x + 2的值(3)。第二个next方法带有参数2,这个参数可以传入 Generator 函数,作为上个阶段异步任务的返回结果,被函数体内的变量y接收。因此,这一步的 value 属性,返回的就是2(变量y的值)。

Generator 函数内部还可以部署错误处理代码,捕获函数体外抛出的错误。

function* gen(x){
  try {
    var y = yield x + 2;
  } catch (e){
    console.log(e);
  }
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next();
g.throw('出错了');
// 出错了

上面代码的最后一行,Generator函数体外,使用指针对象的throw方法抛出的错误,可以被函数体内的try ...catch代码块捕获。这意味着,出错的代码与处理错误的代码,实现了时间和空间上的分离,这对于异步编程无疑是很重要的。

异步任务的封装

下面看看如何使用 Generator 函数,执行一个真实的异步任务。

var fetch = require('node-fetch');

function* gen(){
  var url = 'https://api.github.com/users/github';
  var result = yield fetch(url);
  console.log(result.bio);
}

上面代码中,Generator函数封装了一个异步操作,该操作先读取一个远程接口,然后从JSON格式的数据解析信息。就像前面说过的,这段代码非常像同步操作,除了加上了yield命令。

执行这段代码的方法如下。

var g = gen();
var result = g.next();

result.value.then(function(data){
  return data.json();
}).then(function(data){
  g.next(data);
});

上面代码中,首先执行Generator函数,获取遍历器对象,然后使用next 方法(第二行),执行异步任务的第一阶段。由于Fetch模块返回的是一个Promise对象,因此要用then方法调用下一个next 方法。

可以看到,虽然 Generator 函数将异步操作表示得很简洁,但是流程管理却不方便(即何时执行第一阶段、何时执行第二阶段)。

Thunk函数

参数的求值策略

Thunk函数早在上个世纪60年代就诞生了。

那时,编程语言刚刚起步,计算机学家还在研究,编译器怎么写比较好。一个争论的焦点是"求值策略",即函数的参数到底应该何时求值。

var x = 1;

function f(m){
  return m * 2;
}

f(x + 5)

上面代码先定义函数f,然后向它传入表达式x + 5。请问,这个表达式应该何时求值?

一种意见是"传值调用"(call by value),即在进入函数体之前,就计算x + 5的值(等于6),再将这个值传入函数f 。C语言就采用这种策略。

f(x + 5)
// 传值调用时,等同于
f(6)

另一种意见是"传名调用"(call by name),即直接将表达式x + 5传入函数体,只在用到它的时候求值。Hskell语言采用这种策略。

f(x + 5)
// 传名调用时,等同于
(x + 5) * 2

传值调用和传名调用,哪一种比较好?回答是各有利弊。传值调用比较简单,但是对参数求值的时候,实际上还没用到这个参数,有可能造成性能损失。

function f(a, b){
  return b;
}

f(3 * x * x - 2 * x - 1, x);

上面代码中,函数f的第一个参数是一个复杂的表达式,但是函数体内根本没用到。对这个参数求值,实际上是不必要的。因此,有一些计算机学家倾向于"传名调用",即只在执行时求值。

Thunk函数的含义

编译器的"传名调用"实现,往往是将参数放到一个临时函数之中,再将这个临时函数传入函数体。这个临时函数就叫做Thunk函数。

function f(m){
  return m * 2;
}

f(x + 5);

// 等同于

var thunk = function () {
  return x + 5;
};

function f(thunk){
  return thunk() * 2;
}

上面代码中,函数f的参数x + 5被一个函数替换了。凡是用到原参数的地方,对Thunk函数求值即可。 这就是Thunk函数的定义,它是"传名调用"的一种实现策略,用来替换某个表达式。

JavaScript语言的Thunk函数

JavaScript语言是传值调用,它的Thunk函数含义有所不同。在JavaScript语言中,Thunk函数替换的不是表达式,而是多参数函数,将其替换成单参数的版本,且只接受回调函数作为参数。

// 正常版本的readFile(多参数版本)
fs.readFile(fileName, callback);

// Thunk版本的readFile(单参数版本)
var readFileThunk = Thunk(fileName);
readFileThunk(callback);

var Thunk = function (fileName){
  return function (callback){
    return fs.readFile(fileName, callback);
  };
};

上面代码中,fs模块的readFile方法是一个多参数函数,两个参数分别为文件名和回调函数。经过转换器处理,它变成了一个单参数函数,只接受回调函数作为参数。这个单参数版本,就叫做Thunk函数。

任何函数,只要参数有回调函数,就能写成Thunk函数的形式。下面是一个简单的Thunk函数转换器。

var Thunk = function(fn){
  return function (){
    var args = Array.prototype.slice.call(arguments);
    return function (callback){
      args.push(callback);
      return fn.apply(this, args);
    }
  };
};

使用上面的转换器,生成fs.readFile的Thunk函数。

var readFileThunk = Thunk(fs.readFile);
readFileThunk(fileA)(callback);

Thunkify模块

生产环境的转换器,建议使用Thunkify模块。

首先是安装。

$ npm install thunkify

使用方式如下。

var thunkify = require('thunkify');
var fs = require('fs');

var read = thunkify(fs.readFile);
read('package.json')(function(err, str){
  // ...
});

Thunkify的源码与上一节那个简单的转换器非常像。

function thunkify(fn){
  return function(){
    var args = new Array(arguments.length);
    var ctx = this;

    for(var i = 0; i < args.length; ++i) {
      args[i] = arguments[i];
    }

    return function(done){
      var called;

      args.push(function(){
        if (called) return;
        called = true;
        done.apply(null, arguments);
      });

      try {
        fn.apply(ctx, args);
      } catch (err) {
        done(err);
      }
    }
  }
};

它的源码主要多了一个检查机制,变量called确保回调函数只运行一次。这样的设计与下文的Generator函数相关。请看下面的例子。

function f(a, b, callback){
  var sum = a + b;
  callback(sum);
  callback(sum);
}

var ft = thunkify(f);
ft(1, 2)(console.log);
// 3

上面代码中,由于thunkify只允许回调函数执行一次,所以只输出一行结果。

Generator 函数的流程管理

你可能会问, Thunk函数有什么用?回答是以前确实没什么用,但是ES6有了Generator函数,Thunk函数现在可以用于Generator函数的自动流程管理。

以读取文件为例。下面的Generator函数封装了两个异步操作。

var fs = require('fs');
var thunkify = require('thunkify');
var readFile = thunkify(fs.readFile);

var gen = function* (){
  var r1 = yield readFile('/etc/fstab');
  console.log(r1.toString());
  var r2 = yield readFile('/etc/shells');
  console.log(r2.toString());
};

上面代码中,yield命令用于将程序的执行权移出Generator函数,那么就需要一种方法,将执行权再交还给Generator函数。

这种方法就是Thunk函数,因为它可以在回调函数里,将执行权交还给Generator函数。为了便于理解,我们先看如何手动执行上面这个Generator函数。

var g = gen();

var r1 = g.next();
r1.value(function(err, data){
  if (err) throw err;
  var r2 = g.next(data);
  r2.value(function(err, data){
    if (err) throw err;
    g.next(data);
  });
});

上面代码中,变量g是Generator函数的内部指针,表示目前执行到哪一步。next方法负责将指针移动到下一步,并返回该步的信息(value属性和done属性)。

仔细查看上面的代码,可以发现Generator函数的执行过程,其实是将同一个回调函数,反复传入next方法的value属性。这使得我们可以用递归来自动完成这个过程。

Thunk函数的自动流程管理

Thunk函数真正的威力,在于可以自动执行Generator函数。下面就是一个基于Thunk函数的Generator执行器。

function run(fn) {
  var gen = fn();

  function next(err, data) {
    var result = gen.next(data);
    if (result.done) return;
    result.value(next);
  }

  next();
}

run(gen);

上面代码的run函数,就是一个Generator函数的自动执行器。内部的next函数就是Thunk的回调函数。next函数先将指针移到Generator函数的下一步(gen.next方法),然后判断Generator函数是否结束(result.done 属性),如果没结束,就将next函数再传入Thunk函数(result.value属性),否则就直接退出。

有了这个执行器,执行Generator函数方便多了。不管有多少个异步操作,直接传入run函数即可。当然,前提是每一个异步操作,都要是Thunk函数,也就是说,跟在yield命令后面的必须是Thunk函数。

var gen = function* (){
  var f1 = yield readFile('fileA');
  var f2 = yield readFile('fileB');
  // ...
  var fn = yield readFile('fileN');
};

run(gen);

上面代码中,函数gen封装了n个异步的读取文件操作,只要执行run函数,这些操作就会自动完成。这样一来,异步操作不仅可以写得像同步操作,而且一行代码就可以执行。

Thunk函数并不是Generator函数自动执行的唯一方案。因为自动执行的关键是,必须有一种机制,自动控制Generator函数的流程,接收和交还程序的执行权。回调函数可以做到这一点,Promise 对象也可以做到这一点。

co函数库

如果并发执行异步操作,可以将异步操作都放入一个数组,跟在yield语句后面。

co(function* () {
  var values = [n1, n2, n3];
  yield values.map(somethingAsync);
});

function* somethingAsync(x) {
  // do something async
  return y
}

上面的代码允许并发三个somethingAsync异步操作,等到它们全部完成,才会进行下一步。

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