JS 的异步机制一探

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JavaScript 异步原理

对于 FEer 来说，JavaScript 是单线程，同一时间只能执行一个任务，这种模式的好处是实现起来比较简单，执行环境相对单纯；坏处是只要有一个任务耗时很长，后面的任务都必须排队等着，会拖延整个程序的执行。常见的浏览器无响应（假死），往往就是因为某一段 JavaScript 代码长时间运行（比如死循环），导致整个页面卡在这个地方，其他任务无法执行。对于计算类型的任务，需要使用到 CPU，就只能等待任务执行完毕；但是对于很多时候 CPU 都是闲着的，比如在执行 IO 操作（输入输出），ajax 请求，文件读写等，这些操作 CPU 完全可以不管 IO 操作，可以继续往下执行其他任务。异步机制就是为了解决这个问题，这种机制在 JavaScript 内部采用的事件循环机制（Event Loop）。

JavaScript 是单线程，同一时间只能执行一个任务。

当然，在浏览器上还是有可以开启多个线程的解决方案 Web Worker，但是它只能执行计算类的操作，无法操作 DOM。

事件循环

一个事件循环，有一个 Event 的队列（所有发生的 event 都存储在这里——下图中称为任务队列Task Queue）。还有一个Event Loop，它不断地将这些 event 从队列中取出，并调用事件中的回调（call stack 会执行所有的回调）。API 是用于处理异步函数的 API，比如说处理等待来自客户端或 server 的响应，读取本地文件，定时器 settimeout 等。

在此流程中，所有 function call 首先进入 call stack，然后通过 API 执行异步任务。当异步任务完成后，callback 进入任务队列，然后再次进入 call stack。当任务执行完之后，event loop 会再次去 task queue 重复上面的流程。

任务类型

上面提到了任务队列，在浏览器中，主要分成两种任务：宏任务、微任务。

它们都是通过调用浏览器提供的 API 产生。

以下把浏览器和 Nodejs 中能够生成异步任务的 api 都列出来。

宏任务（macrotask）

微任务（microtask）

事件循环流程图

一个事件循环完整执行过程，可以参考《带你了解事件循环机制(Event Loop)》[1]。

JavaScript 异步编程

浏览器中 JavaScript 异步编程的发展可以分为四个阶段

  1. 回调函数
  2. Promise
  3. Generator
  4. async/await

回调函数

回调函数非常简单容易理解和实现，缺点不利于代码的维护和阅读，各个部分之间高度耦合，还会造成回调地狱。

以实现红绿灯为例

function red() {
    console.log('red')
}

function green() {
    console.log('green')
}

function yellow() {
    console.log('yellow')
}

const light = (timer, light, callback) => {
    setTimout(() => {
        switch(light) {
            case 'red': red(); break;
            case 'green': green(); break;
            case 'yellow': yellow(); break;
        }
        callback()
    }, timer)
}

const work = () => {
    task(3000, 'red', () => {
        task(1000, 'green', () => {
            task(2000, 'yellow', work)
        })
    })
}
work()

Promise

Promise 是为了解决回调地狱才被提出来的，它允许将传统的嵌套回调函数写法转化为链式调用。

const promiseLight = (timer, light) => {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    setTimeout(() => {
      switch (light) {
        case 'red': red(); break;
        case 'green': green(); break;
        case 'yellow': yellow(); break;
      }
      resolve()
    }, timer)
  })
}

const work = () => {
  promiseLight(3000, 'red')
    .then(() => promiseLight(1000, 'green'))
    .then(() => promiseLight(2000, 'yellow'))
    .then(work)
}

Generator

Generator 函数可以暂停执行和恢复执行，同时它还具备两个特性：函数体内的数据转换和错误处理机制。相信很多同学在实际工作中，很少用到 generator，但是了解他可以让我们实现很多有趣的功能。详细介绍可以参考《什么是 JavaScript generator 以及如何使用它们》[2]和《Generator 函数的含义与用法》[3]两篇文章。

const promiseLight = (timer, light) => {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    setTimeout(() => {
      switch (light) {
        case 'red': red(); break;
        case 'green': green(); break;
        case 'yellow': yellow(); break;
      }
      resolve()
    }, timer)
  })
}

const work = () => {
  promiseLight(3000, 'red')
    .then(() => promiseLight(1000, 'green'))
    .then(() => promiseLight(2000, 'yellow'))
    .then(work)
}

async/await

这种语法能够让我们以写同步代码的习惯来编程异步代码。Generator 实际就是 asyc 函数的语法糖。

想更深入学些 async/await 用法，可以参考《async 函数的含义和用法》[4]

const asyncTask = async () => {
  await promiseLight(3000, 'red')
  await promiseLight(1000, 'green')
  await promiseLight(2000, 'yellow')
}
asyncTask()

浏览器与 Nodejs 中的异同

Node11.0.0（不包括 Nodejs 11） 以前的版本，Node 和浏览器的异步流程存在一些细节上的差异。

Nodejs 11.0.0.0 以前的版本一次事件循环：

执行完一个主队列中的所有任务后，再执行微任务队列中的任务

Node 的任务队列总共 6 个：包括 4 个主队列（main queue）和两个中间队列（intermediate queue）

具体介绍可以参看《[翻译]Node 事件循环系列——2、Timer 、Immediate 和 nextTick》[5]以及《The Node.js Event Loop, Timers, and process.nextTick()》[6]。

Nodejs 11.0.0 以后的版本一次事件循环和浏览器一样：

执行完主队列中的一个任务后，立即执行微任务队列中所有任务，然后再执行主任务队列中下一个任务

举一个小例子

setTimeout(() => {
  console.log("计时任务1")
  new Promise((resolve, reject) => {
    resolve();
  }).then(() => {
    console.log("微任务1")
  })
}, 1000);

setTimeout(() => {
  console.log("计时任务2")
  new Promise((resolve, reject) => {
    resolve();
  }).then(() => {
    console.log("微任务2")
  })
}, 1000);

在 Nodejs11 之前版本运行结果

在 Nodejs11 之后版本运行结果

异步编程的 BadCase

在实际开发过程中，无论是进行前端需求开发，还是 Nodejs 功能开发，都使用async/await语法，它给开发带来了巨大的便利，但是，如果对 JS 异步机制不够熟悉，就会导致使用错误，最终引发功能 bug，有时候还极其难以定位。

下面通过实际例子来进行讲解。

异步函数串行执行

有时候需要在同一个函数中调用多个异步函数，但是被调用的异步函数之间并没有前后依赖关系，本来可以并行执行，比如多个异步接口请求；使用 async/await 写法就很容易写成串行执行。如下例子

setTimeout(() => {
  console.log("计时任务1")
  new Promise((resolve, reject) => {
    resolve();
  }).then(() => {
    console.log("微任务1")
  })
}, 1000);

setTimeout(() => {
  console.log("计时任务2")
  new Promise((resolve, reject) => {
    resolve();
  }).then(() => {
    console.log("微任务2")
  })
}, 1000);

解决方法

对于在同一个执行栈中执行的异步函数，如果它们之间没有依赖关系，可以使用 Promise.all() 进行并行执行；或者不带 await 先执行函数，再 await 异步函数返回的 promise。

function sleep(time) {
  return new Promise((resolve) => setTimeout(resolve, time));
}

// 方式一
async function main() {
  const start = console.time('async');
  await Promise.all([sleep(1000), sleep(2000)]);
  const end = console.timeEnd('async');
}

// 方式二
async function main() {
  const start = console.time('async');
  const promise1 = sleep(1000);
  const promise2 = sleep(2000);
  const s1 = await promise1;
  const s2 = await promise2;
  const end = console.timeEnd('async');
}
//以上输出2s

无法捕获错误

使用 Promise 用法，只能通过.catch 的方式捕获在 promise 内发生的异常，try/catch 无法捕获；而 async/await 语法则需要使用 try/catch 进行捕获。

有些情况下，即使使用了 try/catch 将 async 函数体包起来，但还是会无法捕获错误。

async function err() {
  throw "error"
}

async function main() {
  try {
    return err();
  } catch (err) {
    console.log(err);
  }
}

main();

为了方便，直接将 async 函数返回，这种情况，err 函数发生异常，则异常无法被捕获。

应该尽可能避免直接在 async 函数中直接返回没有 await 的异步函数；以上可以通过两种方式解决。

1 . 在 async 函数体内使用 await 等待所有异步函数执行

async function err() {
  throw "error"
}

async function main() {
  try {
    return err();
  } catch (err) {
    console.log(err);
  }
}

main();

2 . 在 main 函数体外使用 catch 捕获异常

async function main() {
  try {
    return err();
  } catch (err) {
    console.log(err);
  }
}

main().catch(err => {
    console.log(err);
})

此外，可以使用await-to-js库进行捕获，其用法类似 Go 语言的错误处理。

async function main() {
  try {
    const [err, res] = await to(err());
    return err();
  } catch (err) {
    console.log(err);
  }
}

这个库的源码也非常简单，感兴趣的参看scopsy/await-to-js[7]。

同步思维编写异步代码

在使用 async/await 编写代码时，可能比较容易被它"骗了"，因为 async/await 声称可以以同步的写法来编写异步代码。在实现一些比较复杂的功能时，会很容易忽略异步场景的问题。

例如，前端页面需要实现一个任务功能，点击任务按钮（假设有 2 个任务按钮），会先去请求接口获取数据，然后修改页面颜色。

按钮 A，修改页面为红色；按钮 B，修改页面为蓝色；

预期的效果是，页面颜色应该是最后一次点击任务按钮所对应的颜色。

async function main() {
  try {
    const [err, res] = await to(err());
    return err();
  } catch (err) {
    console.log(err);
  }
}

以上代码，模拟先点击按钮 B，再点击按钮 A，按钮 A 请求先于按钮 B 返回，如果按照同步思维进行实现，可能的实现代码如上。最终的结果是，页面先变成红色，然后变成蓝色；而预期页面的最终颜色应该是红色。

以上问题需要考虑到异步操作完成时间的不可预知性，需要考虑不同异步操作对同一个数据所产生的影响。可以使用锁的思路解决以上问题。在执行改变页面颜色之前，先判断当前锁的类型是否和任务对应锁的类型相等，如果相当，才执行改变颜色，否则，不执行。

let workingLock = false;
async function taskA() {
  return new Promise((resolve) => {
    workingLock = 'red';
    setTimeout(() => {
      if (workingLock === 'red') {
        changePageColor('red')
      }
      resolve()
    }, 500);
  })
}

async function taskB() {
  return new Promise((resolve) => {
    workingLock = 'blue'
    setTimeout(() => {
      if (workingLock === 'blue') {
        changePageColor('blue')
      }
      resolve()
    }, 1000);
  })
}

function changePageColor(color) {
  console.log(color);
}

async function executeTask(task) {
  await task();
}

executeTask(taskB);
executeTask(taskA);

我们下期再见

参考资料

[1]《带你了解事件循环机制(Event Loop)》: https://blog.csdn.net/weixin_52092151/article/details/119788483

[2]《什么是 JavaScript generator 以及如何使用它们》: https://zhuanlan.zhihu.com/p/45599048

[3]《Generator 函数的含义与用法》: https://www.ruanyifeng.com/blog/2015/04/generator.html

[4]《async 函数的含义和用法》: https://www.ruanyifeng.com/blog/2015/05/async.html

[5]《[翻译]Node 事件循环系列——2、Timer 、Immediate 和 nextTick》: https://zhuanlan.zhihu.com/p/87579819

[6]《The Node.js Event Loop, Timers, and process.nextTick()》: https://nodejs.org/en/docs/guides/event-loop-timers-and-nexttick/

[7]scopsy/await-to-js: https://github.com/scopsy/await-to-js/blob/master/src/await-to-js.ts

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