JavaScript异步编程的终极演变

摘要：在诞生以前，异步编程的方式大概有下面四种回调函数事件监听发布订阅对象将异步编程带入了一个全新的阶段，中的函数更是给出了异步编程的终极解决方案。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。

有一个有趣的问题：

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)?

原因是执行回调函数对应的异步操作，它的执行分成两段，这两段之间抛出的错误程序无法捕获，所以只能作为参数传入第二段。大家知道，JavaScript只有一个线程，如果没有异步编辑，复杂的程序基本没法使用。在ES6诞生以前，异步编程的方式大概有下面四种：

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，ES7中的async函数更是给出了异步编程的终极解决方案。下面将具体讲解异步编程的原理和值得注意的地方，待我细细道来～

所谓异步，简单地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，等做好准备再回过头执行第二段。

举个例子
读取一个文件进行处理，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，连续的执行就叫作同步。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。

所谓回调函数，就是把任务的第二段多带带写在一个函数中，等到重新执行该任务时直接调用这个函数。其英文名字 callback 直译过来就是 "重新调用"的意思。

拿上面的例子讲，读取文件操作是这样的：

fs.readFile(fileA, (err, data) => {
    if (err) throw err;
    console.log(data)
})

fs.readFile(fileB, (err, data) => {
    if (err) throw err;
    console.log(data)
})

注意：上面两段代码彼此是异步的，虽然开始执行的顺序是从上到下，但是第二段并不会等到第一段结束才执行，而是并发执行。

那么问题来了，如果想fileB等到fileA读取成功后再开始执行应该怎么处理呢？最简单的办法是通过 回调嵌套：

fs.readFile(fileA, (err, data) => {
    if (err) throw err;
    console.log(data)
    
    fs.readFile(fileB, (_err, _data) => { 
        if (_err) throw err;
        console.log(_data)
    })
})

这种方式我只能容忍个位数字的嵌套，而且它使得代码横向发展，实在是丑的一笔，次数多了根本是没法看。试想万一要同步执行100个异步操作呢？疯掉算了吧！有没有更好的办法呢？

要澄清一点，Promise的概念并不是ES6新出的，而是ES6整合了一套新的写法。同样继续上面的例子，使用Promise代码就变成这样了：

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

readFile(fileA)
.then((data)=>{console.log(data)})
.then(()=>{return readFile(fileB)})
.then((data)=>{console.log(data)})
// ... 读取n次
.catch((err)=>{console.log(err)})

注意：上面代码使用了Node封装好的Promise版本的readFile函数，它的原理其实就是返回一个Promise对象，咱也简单地写一个：

var fs = require("fs");

var readFile = function(path) {
    return new Promise((resolve, reject) => {
        fs.readFile(path, (err, data) => {
            if (err) reject(err)
            resolve(data)
        })
    })
}

module.export = readFile

但是，Promise的写法只是回调函数的改进，使用then()之后，异步任务的两段执行看得更清楚，除此之外并无新意。撇开优点，Promise的最大问题就是代码冗余，原来的任务被Promise包装一下，不管什么操作，一眼看上去都是一堆then()，原本的语意变得很不清楚。

把酒问苍天，MD还有更好的办法吗？

在引入generator之前，先介绍一下什么叫 协程

"携程在手，说走就走"。哈哈，别混淆了， "协程" 非 "携程"

所谓 "协程" ，就是多个线程相互协作，完成异步任务。协程有点像函数，又有点像线程。其运行流程大致如下：

第一步： 协程A开始执行

第二步：协程A执行到一半，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

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

上面的asyncJob()就是一个协程，它的奥妙就在于其中的yield命令。它表示执行到此处执行权交给其他协程，换而言之，yield就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，如果除去 yield命令，简直一模一样。

Generator函数是协程在ES6中的实现，最大的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，或者说就是异步任务的容器。

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 }

上面的代码中，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。

换而言之，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，即是否还有一个阶段。

Generator函数可以暂停执行和恢复执行，这是它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函数向外输出的数据；next()方法还可以接受参数，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 }

上面的代码中，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");

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。

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/usrs/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，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，因此需要用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（即合适执行第一阶段，何时执行第二阶段）

所谓async函数，其实是Generator函数的语法糖。

继续我们异步读取文件的例子，使用Generator实现

var fs = require("fs");

var readFile = (path) => {
    return new Promise((resolve, reject) => {
        fs.readFile(path, (err, data) => {
            if (err) reject(err)
            resolve(data)
        })
    })
}

var gen = function* () {
    var f1 = yield readFile(fileA);
    var f2 = yield readFile(fileB);
    console.log(f1.toString());
    console.log(f2.toString());
}

写成async函数，就是下面这样：

var asyncReadFile = async function() {
    var f1 = await readFile(fileA);
    var f2 = await readFile(fileB);
    console.log(f1.toString())
    console.log(f2.toString())
}

发现了吧，async函数就是将Generator函数的*替换成了async，将yield替换成await，除此之外，还对 Generator做了以下四点改进：

（1）内置执行器。Generator函数的执行比如靠执行器，所以才有了co模块等异步执行器，而async函数是自带执行器的。也就是说：async函数的执行，与普通函数一模一样，只要一行：

var result = asyncReadFile();

（2）上面的代码调用了asyncReadFile()，就会自动执行，输出最后结果。这完全不像Generator函数，需要调用next()方法，或者使用co模块，才能得到真正执行，从而得到最终结果。

（3）更好的语义。async和await比起星号和yield，语义更清楚。async表示函数里有异步操作，await表示紧跟在后面的表达式需要等待结果。

（4）更广的适用性。async函数的await命令后面可以是Promise对象和原始类型的值（数值、字符串和布尔值，而这是等同于同步操作）。

（5）返回值是Promise，这比Generator函数返回的是Iterator对象方便多了。你可以用then()指定下一步操作。

进一步说，async函数完全可以看作由多个异步操作包装成的一个Promise对象，而await命令就是内部then()命令的语法糖。

async函数的实现就是将Generator函数和自动执行器包装在一个函数中。如下代码：

async function fn(args) {
    // ...
}

// 等同于 
function fn(args) {
  return spawn(function*() {
    // ...
  })
}
// 自动执行器
function spawn(genF) {
  return new Promise(function(resolve, reject) {
    var gen = genF();
    function step(nextF) {
      try {
        var next = nextF()
      } catch(e) {
        return reject(e)
      }
      if (next.done) {
        return resolve(next.value)
      }
      Promise.resolve(next.value).then(function(v) {
        step(function() { return gen.next(v) })
      },function(e) {
        step(function() { return gen.throw(e) })
      })
    }
    step(function() { return gen.next(undefined) })
  })
}

（1）async函数返回一个Promise对象，可以是then()方法添加回调函数。
（2）当函数执行时，一旦遇到await()就会先返回，等到触发的异步操作完成，再接着执行函数体内后面的语句。

下面是一个延迟输出结果的例子：

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

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

// 延迟500ms后输出 "Hello World!"
asyncPrint("Hello World!", 500)

（1）await命令后面的Promise对象，运行结果可能是reject，所以最好把await命令放在try...catch代码块中。

（2）await命令只能用在async函数中，用在普通函数中会报错。

（3）ES6将await增加为保留字。如果使用这个词作为标识符，在ES5中是合法的，但是ES6会抛出 SyntaxError（语法错误）。

"倚天不出谁与争锋"，上面介绍了一大堆，最后还是让我们通过一个例子来看看 async 函数和Promise、Generator到底谁才是真正的老大吧！

需求：假定某个DOM元素上部署了一系列的动画，前一个动画结束才能开始后一个。如果当中又一个动画出错就不再往下执行，返回上一个成功执行动画的返回值。

function chainAnimationsPromise(ele, animations) {

  // 变量ret用来保存上一个动画的返回值 
  var ret = null;
  
  // 新建一个空的Promise 
  var p = Promise.resolve();

  // 使用then方法添加所有动画 
  for (var anim in animations) {
    p = p.then(function(val) {
      ret = val;
      return anim(ele);
    })
  }
  
  // 返回一个部署了错误捕获机制的Promise 
  return p.catch(function(e) {
    /* 忽略错误，继续执行 */
  }).then(function() {
    return ret;
  })
}

虽然Promise的写法比起回调函数的写法有很大的改进，但是操作本身的语义却变得不太明朗。

function chainAnimationsGenerator(ele, animations) {
  return spawn(function*() {
    var ret = null;
    try {
      for(var anim of animations) {
        ret = yield anim(ele)
      }
    } catch(e) {
      /* 忽略错误，继续执行 */
    }
    return ret;
  })
}

使用Generator虽然语义比Promise写法清晰不少，但是用户定义的操作全部出现在spawn函数的内部。这个写法的问题在于，必须有一个任务运行器自动执行Generator函数，它返回一个Promise对象，而且保证yield语句后的表达式返回的是一个Promise。上面的spawn就扮演了这一角色。它的实现如下：

function spawn(genF) {
  return new Promise(function(resolve, reject) {
    var gen = genF();
    function step(nextF) {
      try {
        var next = nextF()
      } catch(e) {
        return reject(e)
      }
      if (next.done) {
        return resolve(next.value)
      }
      Promise.resolve(next.value).then(function(v) {
        step(function() { return gen.next(v) })
      },function(e) {
        step(function() { return gen.throw(e) })
      })
    }
    step(function() { return gen.next(undefined) })
  })
}

async function chainAnimationAsync(ele, animations) {
  var ret = null;
  try {
    for(var anim of animations) {
      ret = await anim(ele)
    } 
  } catch(e) {
    /* 忽略错误，继续执行 */
  }
  return ret;
}

好了，光从代码量上就看出优势了吧！简洁又符合语义，几乎没有不相关代码。完胜！

注意一点：async属于ES7的提案，使用时请通过babel或者regenerator进行转码。

阮一峰 《ES6标准入门》

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