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你真的懂异步编程吗？

原创

西岭老湿

修改于 2021-01-12 09:59:27

8700

文章被收录于专栏：西岭老湿西岭老湿

为什么要学习异步编程？

在JS 代码中，异步无处不在，Ajax通信，Node中的文件读写等等等，只有搞清楚异步编程的原理和概念，才能在JS的世界中任意驰骋，随便撒欢；

单线程 JavaScript 异步方案

首先我们需要了解，JavaScript 代码的运行是单线程，采用单线程模式工作的原因也很简单，最早就是在页面中实现 Dom 操作，如果采用多线程，就会造成复杂的线程同步问题，如果一个线程修改了某个元素，另一个线程又删除了这个元素，浏览器渲染就会出现问题；

单线程的含义就是： JS执行环境中负责执行代码的线程只有一个；就类似于只有一个人干活；一次只能做一个任务，有多个任务自然是要排队的；

优点：安全，简单

缺点：遇到任务量大的操作，会阻塞，后面的任务会长时间等待，出现假死的情况；

为了解决阻塞的问题，Javascript 将任务的执行模式分成了两种，同步模式（ Synchronous）和异步模式( Asynchronous)

后面我们将分以下几个内容，来详细讲解 JavaScript 的同步与异步：

1、同步模式与异步模式

2、事件循环与消息队列

3、异步编程的几种方式

4、Promise 异步方案、宏任务/微任务队列

5、Generator 异步方案、 Async / Await语法糖

同步与异步

代码依次执行，后面的任务需要等待前面任务执行结束后，才会执行，同步并不是同时执行，而是排队执行；

先来看一段代码：

console.log('global begin')
function bar () {
  console.log('bar task')
}
function foo () {
  console.log('foo task')
  bar()
}
foo()
console.log('global end')

动画形式展现同步代码的执行过程：

代码会按照既定的语法规则，依次执行，如果中间遇到大量复杂任务，后面的代码则会阻塞等待；

再来看一段异步代码：

console.log('global begin')

setTimeout(function timer1 () {
  console.log('timer1 invoke')
}, 1800)

setTimeout(function timer2 () {
  console.log('timer2 invoke')
  setTimeout(function inner () {
    console.log('inner invoke')
  }, 1000)
}, 1000)

console.log('global end')

异步代码的执行，要相对复杂一些：

代码首先按照同步模式执行，当遇到异步代码时，会开启异步执行线程，在上面的代码中，setTimeout 会开启环境运行时的执行线程运行相关代码，代码运行结束后，会将结果放入到消息队列，等待 JS 线程结束后，消息队列的任务再依次执行；

流程图如下：

回调函数

通过上图，我们会看到，在整个代码的执行中，JS 本身的执行依然是单线程的，异步执行的最终结果，依然需要回到 JS 线程上进行处理，在JS中，异步的结果回到 JS 主线程的方式采用的是 “ 回调函数 ” 的形式 , 所谓的回调函数就是在 JS 主线程上声明一个函数，然后将函数作为参数传入异步调用线程，当异步执行结束后，调用这个函数，将结果以实参的形式传入函数的调用（也有可能不传参，但是函数调用一定会有），前面代码中 setTimeout 就是一个异步方法，传入的第一个参数就是回调函数，这个函数的执行就是消息队列中的 “回调”；

下面我们自己封装一个 ajax 请求，来进一步说明回调函数与异步的关系

Ajax 的异步请求封装

function myAjax(url,callback) {
    var xhr = new XMLHttpRequest();
    xhr.onreadystatechange = function () {
        if (this.readyState == 4) {
            if (this.status == 200) {
                // 成功的回调
                callback(null,this.responseText)
            } else {
                // 失败的回调
                callback(new Error(),null);
            }
        }
    }

    xhr.open('get', url)
    xhr.send();
}

上面的代码，封装了一个 myAjax 的函数，用于发送异步的 ajax 请求，函数调用时，代码实际是按照同步模式执行的，当执行到 xhr.send() 时，就会开启异步的网络请求，向指定的 url 地址发送网络请求，从建立网络链接到断开网络连接的整个过程是异步线程在执行的；换个说法就是 myAjax 函数执行到 xhr.send() 后，函数的调用执行就已经结束了，如果 myAjax 函数调用的后面有代码，则会继续执行，不会等待 ajax 的请求结果；

但是，myAjax 函数调用结束后，ajax 的网络请求却依然在进行着，如果想要获取到 ajax 网络请求的结果，我们就需要在结果返回后，调用一个 JS 线程的函数，将结果以实参的形式传入：

myAjax('./d1.json',function(err,data){
    console.log(data);
})

回调函数让我们轻松处理异步的结果，但是，如果代码是异步执行的，而逻辑是同步的；就会出现 “回调地狱”，举个栗子：

代码B需要等待代码A执行结束才能执行，而代码C又需要等待代码B，代码D又需要等待代码C，而代码 A、B、C都是异步执行的；

// 回调函数 回调地狱 
myAjax('./d1.json',function(err,data){
    console.log(data);
    if(!err){
        myAjax('./d2.json',function(err,data){
            console.log(data);
            if(!err){
                myAjax('./d3.json',function(){
                    console.log(data);
                })
            }
        })
    }
})

没错，代码执行是异步的，但是异步的结果，是需要有强前后顺序的，著名的"回调地狱"就是这么诞生的;

相对来说，代码逻辑是固定的，但是，这个编码体验，要差很多，尤其在后期维护的时候，层级嵌套太深，让人头皮发麻；

如何让我们的代码不在地狱中受苦呢？

有请 Promise 出山，拯救程序员的头发；

Promise

Promise 译为承诺、许诺、希望，意思就是异步任务交给我来做，一定(承诺、许诺)给你个结果；在执行的过程中，Promise 的状态会修改为 pending ，一旦有了结果，就会再次更改状态，异步执行成功的状态是 Fulfilled , 这就是承诺给你的结果，状态修改后，会调用成功的回调函数 onFulfilled 来将异步结果返回；异步执行成功的状态是 Rejected，这就是承诺给你的结果，然后调用 onRejected 说明失败的原因(异常接管)；

将前面对 ajax 函数的封装，改为 Promise 的方式；

Promise 重构 Ajax 的异步请求封装

function myAjax(url) {
    return new Promise(function (resolve, reject) {
        var xhr = new XMLHttpRequest();
        xhr.onreadystatechange = function () {
            if (this.readyState == 4) {
                if (this.status == 200) {
                    // 成功的回调
                    resolve(this.responseText)
                } else {
                    // 失败的回调
                    reject(new Error());
                }
            }
        }

        xhr.open('get', url)
        xhr.send();
    })
}

还是前面提到的逻辑，如果返回的结果中，又有 ajax 请求需要发送，可一定记得使用链式调用，不要在then中直接发起下一次请求，否则，又是地狱见了：

//  ==== Promise 误区====
myAjax('./d1.json').then(data=>{
    console.log(data);
    myAjax('./d2.json').then(data=>{
        console.log(data)
        // ……回调地狱……
    })
})

链式的意思就是在上一次 then 中，返回下一次调用的 Promise 对象，我们的代码，就不会进地狱了；

myAjax('./d1.json')
    .then(data=>{
    console.log(data);
    return myAjax('./d2.json')
})
    .then(data=>{
    console.log(data)
    return myAjax('./d3.json')
})
    .then(data=>{
    console.log(data);
})
    .catch(err=>{
    console.log(err);
})

虽然我们脱离了回调地狱，但是 .then 的链式调用依然不太友好，频繁的 .then 并不符合自然的运行逻辑，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。于是，在 Promise 的基础上，Async 函数来了；

终极异步解决方案，千呼万唤的在 ES2017中发布了；

Async/Await 语法糖

Async 函数使用起来，也是很简单，将调用异步的逻辑全部写进一个函数中，函数前面使用 async 关键字，在函数中异步调用逻辑的前面使用 await ，异步调用会在 await 的地方等待结果，然后进入下一行代码的执行，这就保证了，代码的后续逻辑，可以等待异步的 ajax 调用结果了，而代码看起来的执行逻辑，和同步代码几乎一样；

 async function callAjax(){
     var a = await myAjax('./d1.json')
     console.log(a);
     var b = await myAjax('./d2.json');
     console.log(b)
     var c = await myAjax('./d3.json');
     console.log(c)
 }
callAjax();

注意：await 关键词只能在 async 函数内部使用

因为使用简单，很多人也不会探究其使用的原理，无非就是两个单词，加到前面，用就好了，虽然会用，日常开发看起来也没什么问题，但是一遇到 Bug 调试，就凉凉，面试的时候也总是知其然不知其所以然，咱们先来一个面试题试试，你看你能运行出正确的结果吗？

async 面试题

请写出以下代码的运行结果：

setTimeout(function () {
    console.log('setTimeout')
}, 0)

async function async1() {
    console.log('async1 start')
    await async2();
    console.log('async1 end')
}

async function async2() {
    console.log('async2')
}

console.log('script start')

async1();

console.log('script end')

答案我放在最后面，你也可以自己写出来运行一下；

想要把结果搞清楚，我们需要引入另一个内容：Generator 生成器函数；

Generator 生成器函数，返回遍历器对象，先看一段代码：

Generator 基础用法

function * foo(){
    console.log('test');
    // 暂停执行并向外返回值 
    yield 'yyy'; // 调用 next 后，返回对象值
    console.log(33);
}

// 调用函数 不会立即执行，返回 生成器对象
const generator =  foo();

// 调用 next 方法，才会 *开始* 执行 
// 返回 包含 yield 内容的对象 
const yieldData = generator.next();

console.log(yieldData) //=> {value: "yyy", done: false}
// 对象中 done ,表示生成器是否已经执行完毕
// 函数中的代码并没有执行结束

// 下一次的 next 方法调用，会从前面函数的 yeild 后的代码开始执行
console.log(generator.next()); //=> {value: undefined, done: true}

你会发现，在函数声明的地方，函数名前面多了 * 星号，函数体中的代码有个 yield ，用于函数执行的暂停；简单点说就是，这个函数不是个普通函数，调用后不会立即执行全部代码，而是在执行到 yield 的地方暂停函数的执行，并给调用者返回一个遍历器对象，yield 后面的数据，就是遍历器对象的 value 属性值，如果要继续执行后面的代码，需要使用遍历器对象中的 next() 方法，代码会从上一次暂停的地方继续往下执行；

是不是so easy 啊；

同时，在调用next 的时候，还可以传递参数，函数中上一次停止的 yeild 就会接受到当前传入的参数；

function * foo(){
    console.log('test');
    // 下次 next 调用传参接受
    const res = yield 'yyy'; 
    console.log(res);
}

const generator =  foo();

// next 传值 
const yieldData = generator.next();
console.log(yieldData) 

// 下次 next 调用传参，可以在 yield 接受返回值
generator.next('test123');

Generator 的最大特点就是让函数的运行，可以暂停，不要小看他，有了这个暂停，我们能做的事情就太多，在调用异步代码时，就可以先 yield 停一下，停下来我们就可以等待异步的结果了；那么如何把 Generator 写到异步中呢？

Generator 异步方案

将调用ajax的代码写到生成器函数的 yield 后面，每次的异步执行，都要在 yield 中暂停，调用的返回结果是一个 Promise 对象，我们可以从迭代器对象的 value 属性获取到Promise 对象，然后使用 .then 进行链式调用处理异步结果，结果处理的代码叫做执行器，就是具体负责运行逻辑的代码；

function ajax(url) {
    ……
}

// 声明一个生成器函数
function * fun(){
    yield myAjax('./d1.json')
    yield myAjax('./d2.json')
    yield myAjax('./d3.json')
}

// 返回 遍历器对象 
var f = fun();
// 生成器函数的执行器 
// 调用 next 方法，执行异步代码
var g = f.next();
g.value.then(data=>{
    console.log(data);
    // console.log(f.next());
    g = f.next();
    g.value.then(data=>{
        console.log(data)
        // g.......
    })
})

而执行器的逻辑中，是相同嵌套的，因此可以写成递归的方式对执行器进行改造：

// 声明一个生成器函数
function * fun(){
    yield myAjax('./d1.json')
    yield myAjax('./d2.json')
    yield myAjax('./d3.json')
}

// 返回 遍历器对象 
var f = fun();
// 递归方式 封装
// 生成器函数的执行器
function handle(res){
    if(res.done) return;
    res.value.then(data=>{
        console.log(data)
        handle(f.next())
    })
}
handle(f.next());

然后，再将执行的逻辑，进行封装复用，形成独立的函数模块；

function co(fun) {
    // 返回 遍历器对象 
    var f = fun();
    // 递归方式 封装
    // 生成器函数的执行器
    function handle(res) {
        if (res.done) return;
        res.value.then(data => {
            console.log(data)
            handle(f.next())
        })
    }
    handle(f.next());
}

co(fun);

封装完成后，我们再使用时，只需要关注 Generator 中的 yield 部分就行了

function co(fun) {
    ……
}

function * fun(){
    yield myAjax('./d1.json')
    yield myAjax('./d2.json')
    yield myAjax('./d3.json')
}

此时你会发现，使用 Generator 封装后，异步的调用就变的非常简单了，但是，这个封装还是有点麻烦，有大神帮我们做了这个封装，相当强大：https://github.com/tj/co ，感兴趣看一研究一下，而随着 JS 语言的发展，更多的人希望类似 co 模块的封装，能够写进语言标准中，我们直接使用这个语法规则就行了；

其实你也可以对比一下，使用 co 模块后的 Generator 和 async 这两段代码：

//  async / await 
async function callAjax(){
     var a = await myAjax('./d1.json')
     console.log(a);
     var b = await myAjax('./d2.json');
     console.log(b)
     var c = await myAjax('./d3.json');
     console.log(c)
 }
 
 // 使用 co 模块后的 Generator
 function * fun(){
    yield myAjax('./d1.json')
    yield myAjax('./d2.json')
    yield myAjax('./d3.json')
}

你应该也发现了，async 函数就是 Generator 语法糖，不需要自己再去实现 co 执行器函数或者安装 co 模块，写法上将 * 星号去掉换成放在函数前面的 async ，把函数体的 yield 去掉，换成 await；完美……

async function callAjax(){
     var a = await myAjax('./d1.json')
     console.log(a);
     var b = await myAjax('./d2.json');
     console.log(b)
     var c = await myAjax('./d3.json');
     console.log(c)
 }
callAjax();

我们再来看一下 Generator ，相信下面的代码，你能很轻松的阅读；

function * f1(){
    console.log(11)
    yield 2;
    console.log('333')
    yield 4;
    console.log('555')
}

var g = f1();
g.next();
console.log(666);
g.next();
console.log(777);

代码运行结果：

带着 Generator 的思路，我们再回头看看那个 async 的面试题；

请写出以下代码的运行结果：

setTimeout(function () {
    console.log('setTimeout')
}, 0)

async function async1() {
    console.log('async1 start')
    await async2();
    console.log('async1 end')
}

async function async2() {
    console.log('async2')
}

console.log('script start')

async1();

console.log('script end')

运行结果：