JavaScript 異步編程

時間 2019-11-17

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內容提要：javascript

一、什麼是異步？爲何須要異步？
二、JS異步是如何實現的?
三、JS異步編程方式演化
四、實戰

一、什麼是異步？

同步：必定要等任務執行完了，獲得結果，才執行下一個任務。異步：不等任務執行完，直接執行下一個任務。html

平常工做的大部分場景，咱們均可以使用同步代碼來實現。告訴編譯器，你應該先作什麼，再作什麼：前端

do('來左邊兒 跟我一塊兒畫個龍'); // 第1步
do('在你右邊兒 畫一道彩虹（走起）'); // 第2步
do('來左邊兒 跟我一塊兒畫彩虹'); // 第3步
do('在你右邊兒 再畫個龍（別停）'); // 第4步
do('在你胸口上比劃一個郭富城'); // 第5步
do('...'') //...
複製代碼

若是函數是同步的，即便調用函數執行的任務比較耗時，也會一直等待直到獲得預期結果。java

可是也會有一些場景，同步並不能知足，這時就須要用到異步的寫法：面試

// 定時器
setTimeout(() => {
    console.log('Hello');
}, 3000)
//讀取文件
fs.readFile('hello.txt', 'utf8', function(err, data) {
    console.log(data);
});
//網絡請求
var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.onreadystatechange = xxx; // 添加回調函數
xhr.open('GET', url);
xhr.send(); // 發起函數
複製代碼

若是函數是異步的，發出調用以後，立刻返回，可是不會立刻返回預期結果。調用者沒必要主動等待，當被調用者獲得結果以後會經過回調函數主動通知調用者。編程

"異步模式"很是重要。在瀏覽器端，耗時很長的操做都應該異步執行，避免瀏覽器失去響應，最好的例子就是Ajax操做。在服務器端，"異步模式"甚至是惟一的模式，由於執行環境是單線程的，若是容許同步執行全部http請求，服務器性能會急劇降低，很快就會失去響應。promise

二、JS異步是如何實現的？

多線程 VS 單線程

在上面介紹異步的過程當中就可能會納悶：既然JavaScript是單線程，怎麼還存在異步，那些耗時操做到底交給誰去執行了？瀏覽器

衆所周知javascript是單線程的，它的設計之初是爲瀏覽器設計的GUI編程語言，GUI編程的特性之一是保證UI線程必定不能阻塞，不然體驗不佳，甚至界面卡死。bash

所謂"單線程"，就是指一次只能完成一件任務。若是有多個任務，就必須排隊，前面一個任務完成，再執行後面一個任務，以此類推。服務器

JavaScript其實就是一門語言，說是單線程仍是多線程得結合具體運行環境。JS的運行一般是在瀏覽器中進行的，具體由JS引擎去解析和運行。下面咱們來具體瞭解一下瀏覽器。

瀏覽器

目前最爲流行的瀏覽器爲：Chrome，IE，Safari，FireFox，Opera。瀏覽器的內核是多線程的。一個瀏覽器一般由如下幾個常駐的線程：

渲染引擎線程：顧名思義，該線程負責頁面的渲染
JS引擎線程：負責JS的解析和執行
定時觸發器線程：處理定時事件，好比setTimeout, setInterval
事件觸發線程：處理DOM事件
異步http請求線程：處理http請求

須要注意的是，渲染線程和JS引擎線程是不能同時進行的。渲染線程在執行任務的時候，JS引擎線程會被掛起。由於JS能夠操做DOM，若在渲染中JS處理了DOM，瀏覽器可能就不知所措了。

JS引擎

一般講到瀏覽器的時候，咱們會說到兩個引擎：渲染引擎和JS引擎。渲染引擎就是如何渲染頁面，Chrome／Safari／Opera用的是Webkit引擎，IE用的是Trident引擎，FireFox用的是Gecko引擎。不一樣的引擎對同一個樣式的實現不一致，就致使了常常被人詬病的瀏覽器樣式兼容性問題。這裏咱們不作具體討論。

JS引擎能夠說是JS虛擬機，負責JS代碼的解析和執行。一般包括如下幾個步驟：

詞法分析：將源代碼分解爲有意義的分詞
語法分析：用語法分析器將分詞解析成語法樹
代碼生成：生成機器能運行的代碼
代碼執行

不一樣瀏覽器的JS引擎也各不相同，Chrome用的是V8，FireFox用的是SpiderMonkey，Safari用的是JavaScriptCore，IE用的是Chakra。

之因此說JavaScript是單線程，就是由於瀏覽器在運行時只開啓了一個JS引擎線程來解析和執行JS。那爲何只有一個引擎呢？若是同時有兩個線程去操做DOM，瀏覽器是否是又要不知所措了。

因此，雖然JavaScript是單線程的，但是瀏覽器內部不是單線程的。一些I/O操做、定時器的計時和事件監聽（click, keydown...）等都是由瀏覽器提供的其餘線程來完成的。

消息隊列與事件循環

經過以上了解，能夠知道其實JavaScript也是經過JS引擎線程與瀏覽器中其餘線程交互協做實現異步。可是回調函數具體什麼時候加入到JS引擎線程中執行？執行順序是怎麼樣的？

這一切的解釋就須要繼續瞭解消息隊列和事件循環。

如上圖所示，左邊的棧存儲的是同步任務，就是那些能當即執行、不耗時的任務，如變量和函數的初始化、事件的綁定等等那些不須要回調函數的操做均可歸爲這一類。右邊的堆用來存儲聲明的變量、對象。下面的隊列就是消息隊列，一旦某個異步任務有了響應就會被推入隊列中。如用戶的點擊事件、瀏覽器收到服務的響應和setTimeout中待執行的事件，每一個異步任務都和回調函數相關聯。

JS引擎線程用來執行棧中的同步任務，當全部同步任務執行完畢後，棧被清空，而後讀取消息隊列中的一個待處理任務，並把相關回調函數壓入棧中，單線程開始執行新的同步任務。

JS引擎線程從消息隊列中讀取任務是不斷循環的，每次棧被清空後，都會在消息隊列中讀取新的任務，若是沒有新的任務，就會等待，直到有新的任務，這就叫事件循環。

上圖以AJAX異步請求爲例，發起異步任務後，由AJAX線程執行耗時的異步操做，而JS引擎線程繼續執行堆中的其餘同步任務，直到堆中的全部異步任務執行完畢。而後，從消息隊列中依次按照順序取出消息做爲一個同步任務在JS引擎線程中執行，那麼AJAX的回調函數就會在某一時刻被調用執行。

實例

引用一篇文章中提到的考察JavaScript異步機制的面試題來具體介紹。

執行下面這段代碼，執行後，在 5s 內點擊兩下，過一段時間（>5s）後，再點擊兩下，整個過程的輸出結果是什麼？

setTimeout(function(){
    for(var i = 0; i < 100000000; i++){}
    console.log('timer a');
}, 0)

for(var j = 0; j < 5; j++){
    console.log(j);
}

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

function waitFiveSeconds(){
    var now = (new Date()).getTime();
    while(((new Date()).getTime() - now) < 5000){}
    console.log('finished waiting');
}

document.addEventListener('click', function(){
    console.log('click');
})

console.log('click begin');
waitFiveSeconds();
複製代碼

要想了解上述代碼的輸出結果，首先介紹下定時器。 setTimeout 的做用是在間隔必定的時間後，將回調函數插入消息隊列中，等棧中的同步任務都執行完畢後，再執行。由於棧中的同步任務也會耗時，因此間隔的時間通常會大於等於指定的時間。 setTimeout(fn, 0) 的意思是，將回調函數fn馬上插入消息隊列，等待執行，而不是當即執行。看一個例子：

setTimeout(function() {
    console.log("a")
}, 0)

for(let i=0; i<10000; i++) {}
console.log("b")

// b a
複製代碼

打印結果代表回調函數並無馬上執行，而是等待棧中的任務執行完畢後才執行的。棧中的任務執行多久，它就得等多久。

理解了定時器的做用，那麼對於輸出結果就容易得出了。

首先，先執行同步任務。其中 waitFiveSeconds 是耗時操做，持續執行長達5s。

0
1
2
3
4
click begin
finished waiting
複製代碼

而後，在JS引擎線程執行的時候，'timer a'對應的定時器產生的回調、 'timer b'對應的定時器產生的回調和兩次 click 對應的回調被前後放入消息隊列。因爲JS引擎線程空閒後，會先查看是否有事件可執行，接着再處理其餘異步任務。所以會產生下面的輸出順序。。

click
click
timer a
timer b

複製代碼

最後，5s 後的兩次 click 事件被放入消息隊列，因爲此時JS引擎線程空閒，便被當即執行了。

click
click
複製代碼

理解了JS異步實現的機制後，咱們再看看JS異步編程方式的演化。

三、JS異步編程方式演化

異步發展史能夠簡單概括爲： callback -> promise -> generator + co -> async+await(語法糖)

下面會一步一步展示各類方式。

3.1 回調函數

這是異步編程最基本的用法。

實現1秒後打印消息：

function asyncPrint(value, ms) {
    setTimeout(() => {
        console.log(value);
    },ms)
}
asyncPrint('Hello World', 1000);
複製代碼

回調函數的優勢是簡單、容易理解和部署，缺點是不利於代碼的閱讀和維護，各個部分之間高度耦合（Coupling），流程會很混亂，並且每一個任務只能指定一個回調函數。

3.2 Promise

Promise 是異步編程的一種解決方案，比傳統的解決方案——回調函數和事件——更合理和更強大。它由社區最先提出和實現，ES6 將其寫進了語言標準，統一了用法，原生提供了Promise對象。

Promise 究竟是什麼。當咱們經過new Promise建立 Promise 的時候，你實際建立的只是一個簡單的 JavaScript 對象，這個對象能夠調用兩個方法then和catch。這是關鍵所在，當 Promise 的狀態變爲fulfilled的時候，傳遞給.then的函數將會被調用。若是 Promise 的狀態變爲rejected，傳遞給.catch的函數將會被調用。這就意味着，在你建立 Promise 的時候，要經過.then將你但願異步請求成功時調用的函數傳遞進來，經過.catch將你但願異步請求失敗時調用的函數傳遞進來。

const promise = new Promise(function(resolve, reject) {
  // ... some code

  if (/* 異步操做成功 */){
    resolve(value);
  } else {
    reject(error);
  }
});
複製代碼

好比，上面的例子,能夠寫成：

function asyncPrint(value, ms) {
    return new Promise((resolve,reject) => {
        setTimeout(resolve, ms, value);
    })
}

asyncPrint('Hello Wolrd', 1000).then((value) => {
  console.log(value);
});
複製代碼

Promise 不只能夠避免回調地獄，還能夠統一捕獲失敗的緣由。但這種方法的缺點就是編寫和理解，都相對比較難

3.3 Generator(ECMAScript6)

生成器是一個函數，須要加* ，能夠用來生成迭代器
生成器函數和普通函數不同，普通函數是一旦調用必定會執行完，可是生成器函數中間能夠暫停。
生成器和普通函數不同，調用它並不會當即執行
它會返回今生成器的迭代器,迭代器是一個對象，每調用一次next就能夠返回一個值對象

function* helloWorldGenerator() {
  yield 'hello';
  yield 'world';
  return 'ending';
}

var hw = helloWorldGenerator();

hw.next()
// { value: 'hello', done: false }

hw.next()
// { value: 'world', done: false }

hw.next()
// { value: 'ending', done: true }

hw.next()
// { value: undefined, done: true }
複製代碼

使用 Generator，上面的例子能夠改寫成：

function *asyncPrint(value, ms) {
    let timer = yield setTimeout((value)=>{console.log(value)}, ms, value);
    return timer;
}

var a = asyncPrint('Hello World', 1000);
a.next();
複製代碼

3.4 co

隨着前端的迅速發展，大神們以爲要像同步代碼同樣寫異步，co問世了，co是 TJ 大神結合了promise 和生成器的一個庫，實際上仍是幫助咱們自動執行迭代器

function asyncPrint(value, ms) {
    return new Promise((resolve,rejuect) => {
        setTimeout(resolve, ms, value);
    })
}
function *print() {
  let a = yield asyncPrint('Hello World', 1000);
  return a;
}
function co(gen) {
  let it = gen();//咱們要讓咱們的生成器持續執行
  return new Promise(function (resolve, reject) {
    !function next(lastVal) {
        let {value,done} = it.next(lastVal);
        if(done){
          resolve(value);
        }else{
          value.then(next,reject);
        }
    }()
  });
}
co(print).then(function (data) {
  console.log(data);
});
複製代碼

3.5 async/await

async await是語法糖，內部是generator+promise實現 async函數就是將Generator函數的星號（*）替換成async，將yield替換成await。

function timeout(ms) {
  return new Promise((resolve) => {
    setTimeout(resolve, ms);
  });
}

async function asyncPrint(value, ms) {
  await timeout(ms);
  console.log(value);
}

asyncPrint('hello world', 1000);
複製代碼