JavaScript異步編程

jopen 9年前發布 | 27K 次閱讀 JavaScript開發 JavaScript

原文 http://blog.csdn.net/sdsunhui/article/details/46658723

異步機制

JavaScript的執行環境是單線程的，單線程的好處是執行環境簡單，不用去考慮諸如資源同步，死鎖等多線程阻塞式編程等所需要面對的惱人的問題。但帶來的壞處是當一個任務執行時間較長時，后面的任務會等待很長時間。在瀏覽器端就會出現瀏覽器假死，鼠標無法響應等情況。所以在瀏覽器端，耗時很長的操作都應該異步執行，避免瀏覽器失去響應。所謂異步執行，不同于同步執行（程序的執行順序與任務的排列順序是一致的、同步的），每一個任務有一個或多個回調函數（callback），前一個任務結束后，不是執行后一個任務，而是執行回調函數，后一個任務則是不等前一個任務結束就執行，所以程序的執行順序與任務的排列順序是不一致的、異步的。既然Javascript是單線程的，那它又如何能夠異步的執行呢？

Javascript線程模型和事件驅動

JavaScript有一個基于事件循環的并發模式。這個模式與C語言和java有很大不同。

運行時的概念

JavaScript異步編程

棧函數調用形成堆棧幀。

function f(b){
  var a = 12;
  return a+b+35;
}
function g(x){
  var m = 4;
  return f(m*x);
}
g(21);

當調用函數g時，創建第一個包含g參數和局部變量的幀。當g函數調用f函數時，創建包含f參數和局部變量第二個堆棧幀并推到第一個堆棧幀的頂部。當f返回時，頂部的堆棧幀元素被彈出（只留下g調用）。當g函數返回時，堆棧為空。
堆堆是一個大型的非結構化區域，對象被分配到堆中。
隊列一個javascript運行環境包含一個信息隊列，這個隊列是一系列將被執行的信息列表。每一個消息被關聯到一個函數上。當堆棧為空時，從消息隊列中取出一個消息并進行處理。該處理包含調用相關的函數（以及因此產生一個初始化的堆棧幀）。當堆棧再次為空時，消息處理結束。

事件循環

事件循環的名字源于它的實現，經常像下面這樣：

while(queue.waitForMessage()){
  queue.processNextMessage();
}

queue.waitForMessage同步等待一個消息。

運行到完成每個消息完全處理之后，其它消息才會被處理。這樣的好處就是當一個函數不能被提前，只能等其他函數執行完畢（并且可以修改數據的函數操作）。這不同于C，例如，如果一個函數在一個線程運行時，它可以停在任何點運行在另一個線程一些其他的代碼。這種模式的缺點是，如果一個消息時間過長完成，Web應用程序無法處理像點擊或滾動的用戶交互。該瀏覽器可緩解此與“腳本花費的時間太長運行”對話框。一個很好的做法，遵循的是使信息處理短，如果可能削減一個消息到幾條消息。
添加消息

在網頁瀏覽器中，事件可以在任何時候添加，一個事件發生并伴隨事件監聽綁定到事件上。如果沒有事件監聽，則事件丟失。就像點擊一個元素，元素上綁定點擊事件。調用setTimeout時，當函數的第二個參數時間被傳遞進去，將添加一個消息到隊列中。如果在隊列中沒有其他消息，該消息被立即處理;然而，如果有消息，則setTimeout的信息將必須等待其它消息以進行處理。由于這個原因，第二個參數是最小的時間，而不是一個保證時間。
幾個運行環境之間的通信一個web worker或跨域iframe都有自己的堆棧，堆，和消息隊列。兩個不同的運行環境只能通過postMessage的方法發送消息進行通信。這種方法增加了一個消息到其他運行時，如果后者監聽消息事件。

從不阻塞

事件循環模型是javascript的一個很有意思的屬性，不像其它語言，它從不阻塞。假定瀏覽器中有一個專門用于事件調度的實例（該實例可以是一個線程，我們可以稱之為事件分發線程event dispatch thread），該實例的工作就是一個不結束的循環，從事件隊列中取出事件，處理所有很事件關聯的回調函數（event handler）。注意回調函數是在Javascript的主線程中運行的，而非事件分發線程中，以保證事件處理不會發生阻塞。通過事件和回調的I/O操作是一個典型的表現，所以當應用等待索引型數據庫查詢返回或XHR請求返回時，它仍然可以處理其他事情比如用戶輸入。

回調

回調是javascript的基礎，函數被作為參數進行傳遞。像下面：

f1(); f2(); f3();

如果f1中執行了大量的耗時操作，而且f2需要在f1之后執行。則程序可以改為回調的形式。如下：

function f1(callback){
  setTimeout(function () {
    // f1的大量耗時任務代碼并的到三個結果i,l,you.
    console.log("this is function1");
    var i = "i", l = "love", y = "you";
    if (callback && typeof(callback) === "function") {
      callback(i,l,y);
    }
  }, 50);
}
function f2(a, b, c) {
  alert(a + " " + b + " " + c);
  console.log("this is function2");
}
function f3(){console.log("this is function3");}
f1(f2);
f3();

運行結果：

this is function3

this is function1

i love you

this is function2

采用這種方式，我們把同步操作變成了異步操作，f1不會堵塞程序運行，相當于先執行程序的主要邏輯，將耗時的操作推遲執行。回調函數的優點是簡單，輕量級（不需要額外的庫）。缺點是各個部分之間高度耦合（Coupling），流程會很混亂，而且每個任務只能指定一個回調函數。某個操作需要經過多個非阻塞的IO操作，每一個結果都是通過回調，產生意大利面條式（spaghetti）的代碼。

operation1(function(err, result) {
  operation2(function(err, result) {
    operation3(function(err, result) {
      operation4(function(err, result) {
        operation5(function(err, result) {
          // do something useful
        })
      })
    })
  })
})

事件監聽

另一種思路是采用事件驅動模式。任務的執行不取決于代碼的順序，而取決于某個事件是否發生。

// plain, non-jQuery version of hooking up an event handler
var clickity = document.getElementById("clickity");
clickity.addEventListener("click", function (e) {
  //console log, since it's like ALL real world scenarios, amirite?
  console.log("Alas, someone is pressing my buttons…");
});
// the obligatory jQuery version
$("#clickity").on("click", function (e) {
  console.log("Alas, someone is pressing my buttons…");
});

也可以自定義事件進行監聽，關于自定義事件，屬于另外一部分的內容。這種方法的優點是比較容易理解，可以綁定多個事件，每個事件可以指定多個回調函數，而且可以”去耦合”（Decoupling），有利于實現模塊化。缺點是整個程序都要變成事件驅動型，運行流程會變得很不清晰。

觀察者模式

我們假定，存在一個”信號中心”，某個任務執行完成，就向信號中心”發布”（publish）一個信號，其他任務可以向信號中心”訂閱” （subscribe）這個信號，從而知道什么時候自己可以開始執行。這就叫做”發布/訂閱模式”（publish-subscribe pattern），又稱”觀察者模式”（observer pattern）。

var pubsub  = (function(){
  var q = {}
    topics = {},
    subUid = -1;
  //發布消息
  q.publish = function(topic, args) {
    if(!topics[topic]) {return;}
    var subs = topics[topic],
      len = subs.length;
    while(len--) {
      subs[len].func(topic, args);
    }
    return this;
  };
  //訂閱事件
  q.subscribe = function(topic, func) {
    topics[topic] = topics[topic] ? topics[topic] : [];
    var token = (++subUid).toString();
    topics[topic].push({
      token : token,
      func : func
    });
    return token;
  };
  return q;
  //取消訂閱就不寫了，遍歷topics，然后通過保存前面返回token，刪除指定元素
})();
//觸發的事件
var f2 = function(topics, data) {
  console.log("logging:" + topics + ":" + data);
  console.log("this is function2");
}
function f1(){
  setTimeout(function () {
    // f1的任務代碼
    console.log("this is function1");
     //發布消息'done'
    pubsub .publish('done', 'hello world');
  }, 1000);
}
pubsub.subscribe('done', f2);
f1();

上面代碼的運行結果為：

this is function1

logging:done:hello world

this is function2

觀察者模式的實現方法有很多種，也可以直接借用第三方庫。這種方法的性質與”事件監聽”類似（觀察者模式和自定義事件非常相似），但是明顯優于后者。觀察者模式和事件監聽一樣具有良好的去耦性，并且有一個消息中心，通過對消息中心的處理，可以良好地監控程序運行。

Promises對象

Promises的概念是由CommonJS小組的成員在 Promises/A規范中提出來的。Promises被逐漸用作一種管理異步操作回調的方法，但出于它們的設計，它們遠比那個有用得多。Promise允許我們以同步的方式寫代碼，同時給予我們代碼的異步執行。

function f1(){
  var def = $.Deferred();
  setTimeout(function () {
     // f1的任務代碼
    console.log("this is f1");
    def.resolve();  
  }, 500);
  return def.promise();
}
function f2(){
  console.log("this is f2");
}
f1().then(f2);

上面代碼的運行結果為：

this is f1this is f2

上面引用的是jquery對Promises/A的實現，jquery中還有一系列方法，具體可參考： Deferred Object .關于Promises，強烈建議讀一下 You’re Missing the Point of Promises .還有很多第三方庫實現了Promises，如： Q 、 Bluebird 、 mmDeferred 等。Promise（中文：承諾）其實為一個有限狀態機，共有三種狀態：pending（執行中）、fulfilled（執行成功）和 rejected（執行失敗）。其中pending為初始狀態，fulfilled和rejected為結束狀態（結束狀態表示promise的生命周期已結束）。狀態轉換關系為：pending->fulfilled，pending->rejected。隨著狀態的轉換將觸發各種事件（如執行成功事件、執行失敗事件等）。下節具體講述狀態機實現js異步編程。

狀態機

Promises的本質實際就是通過狀態機來實現的，把異步操作與對象的狀態改變掛鉤，當異步操作結束的時候，發生相應的狀態改變，由此再觸發其他操作。這要比回調函數、事件監聽、發布/訂閱等解決方案，在邏輯上更合理，更易于降低代碼的復雜度。關于Promises可參考： JS魔法堂：剖析源碼理解Promises/A規范。

ES6對異步的支持

這是一個新的技術，成為2015年的ECMAScript（ES6）標準的一部分。該技術的規范已經完成，但實施情況在不同的瀏覽器不同，在瀏覽器中的支持情況如下。

桌面端：

手機端：

var f1 = new Promise(function(resolve, reject) {
  setTimeout(function () {
     // f1的任務代碼
     console.log("this is f1");
     resolve("Success");
  }, 500);  
});
function f2(val){
  console.log(val + ":" + "this is f2");
}
function f3(){
  console.log("this is f3")
}
f1.then(f2);
f3();

以上代碼在Chrome 版本43中的運行結果為：

this is f3

this is f1

Success:this is f2

更多關于ES6的Promise對象的特性可參考MDN中的 Promise .

其他參考

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從不阻塞

回調

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Promises對象

狀態機

ES6對異步的支持

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