异步编程的终极解决方案 async/await：用同步的方式去写异步代码

冷不防 2022-09-01 11:56 192阅读 0赞

## 早期的回调函数 ##

回调函数我们经常有写到，比如：

ajax(url, (res) => {
      console.log(res);
    })

但是这种回调函数有一个大缺陷，就是会写出 **回调地狱（`Callback hell`）**。比如，如果多个回调存在依赖，可能会写成：

ajax(url, (res) => {
      console.log(res);
      // ...处理代码
      ajax(url2, (res2) => {
        console.log(res2);
        // ...处理代码
        ajax(url3, (res3) => {
          console.log(res3);
          // ...处理代码
        })
      })
    })

这个就是 **回调地狱**：

*  内嵌函数存在耦合，牵一发而动全身，改一个会影响其它地方
 *  内嵌函数多了，发生错误要怎么处理呢？这是一个难题

早期回调函数的优缺点：

*  优点：解决了 **同步阻塞** 的问题（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）
 *  缺点：**回调地狱**；不能用 `try catch` 捕获错误；不能 `return`

## 过渡方案 `Generator` ##

ES6 新引入了 `Generator` 函数（生成器函数），可以通过 `yield` 关键字，把函数的执行流挂起，为改变执行流程提供了可能，从而为异步编程提供解决方案。最大的特点就是 **可以控制函数的执行**。`Generator` 有两个区分于普通函数的部分：

*  一是在 `function`后面，函数名之前有个 `*`,用来表示函数为 `Generator` 函数
 *  函数内部有 `yield` 表达式,用来定义函数内部的状态

`Generator` 函数的具体使用方式是：

*  在 `Generator` 函数内部执行一段代码，如果遇到 `yield` 关键字，那么 JS 引擎将返回关键字后面的内容给外部，并暂停该函数的执行。
 *  外部函数可以通过 `next` 方法恢复函数的执行。

function* fn() {
      console.log("one");
      yield '1';
      console.log("two");
      yield '2';
      console.log("three");
      return '3';
    }

调用 `Generator` 函数和调用普通函数一样，在函数名后面加上 `()` 即可，但是 `Generator` 函数不会像普通函数一样立即执行，而是 **返回一个指向内部状态对象的指针**，所以要调用遍历器对象 `Iterator` 的 `next` 方法，**指针就会从函数头部或者上一次停下来的地方开始执行**。如下：![40bdb976bc1c07ab4e66107ea4e4ea77.png][]`next` 方法:一般情况下， `next` 方法不传入参数的时候，`yield` 表达式的返回值是 `undefined`。当 `next` 传入参数的时候，该参数会作为上一步 `yield` 的返回值。`Generator` 生成器也是通过同步的方式写异步代码的，也可以解决回调地狱的问题，但是比较难以理解，希望下面的例子能够帮助你理解 `Generator` 生成器：

function* sum(a) {
      console.log('a:', a);
      let b = yield 1;
      console.log('b:', b);
      let c = yield 2;
      console.log('c:', c);
      let sum = a + b + c;
      console.log('sum:', sum)
      return sum;
    }

*  `next` 不传参时，`yield` 返回 `undefined`

如下图：![94e0c22461d548137bafa4daef6869ab.png][]

*  当第一次执行 `next` 时，传参会被忽略，并且函数暂停在 `yield 1` 处，所以返回 `1`
 *  当第二次执行 `next` 时，不传参，那么 `yield 1` 返回的是 `undefined` ，所以 `b` 的值是 `undefined`
 *  第三次同理，`c` 的值为 `undefined`
 *  当 `next` 传入参数时，该参数会作为上一步 `yield` 的返回值

如下图：![19c9a36d4346bc81e8895f75488f6d40.png][]

*  当第一次执行 `next` 时，传参（`20`）会被忽略，并且函数暂停在 `yield 1` 处，所以返回 `1`
 *  当第二次执行 `next` 时，传参 `30`，作为 `yield 1` 返回的值，所以 `b = yield 1`，`b` 的值是 `30`
 *  当第二次执行 `next` 时，传参 `40`，作为 `yield 2` 返回的值，所以 `c = yield 2`， `c` 的值是 `40`

## 协程 ##

我们知道，`async`/`await` 是一个自动执行的 `Generator` 函数，上面已经介绍了 `Generator` 函数，那么接下来很有必要介绍一下 **V8 引擎是如何实现一个函数的暂停和恢复** 的呢？要搞懂函数为何能暂停和恢复，首先要了解 **协程** 的概念。进程和线程我们都知道，那么协程是什么呢？**协程是一种比线程更加轻量级的存在**。可以把协程看成是跑在线程上的任务，**一个线程上可以存在多个协程，但是在线程上同时只能执行一个协程**，比如当前执行的是 A 协程，要启动 B 协程，那么 A 协程就需要将主线程的控制权交给 B 协程，这就体现在 A 协程暂停执行，B 协程恢复执行；同样，也可以从 B 协程中启动 A 协程。通常，**如果从 A 协程启动 B 协程，我们就把 A 协程称为 B 协程的父协程**。正如一个进程可以拥有多个线程一样，一个线程也可以拥有多个协程。最重要的是，协程不是被操作系统内核所管理，而是完全由**程序所控制**（即在用户态执行）。这样带来的好处就是性能得到了很大的提升，不会像线程切换那样消耗资源。可以结合代码理解：

function* genDemo() {
      console.log("开始执行第一段")
      yield 'generator 2'
    
      console.log("开始执行第二段")
      yield 'generator 2'
    
      console.log("开始执行第三段")
      yield 'generator 2'
    
      console.log("执行结束")
      return 'generator 2'
    }
    
    console.log('main 0')
    let gen = genDemo()
    console.log(gen.next().value)
    console.log('main 1')
    console.log(gen.next().value)
    console.log('main 2')
    console.log(gen.next().value)
    console.log('main 3')
    console.log(gen.next().value)
    console.log('main 4')

执行过程如下图所示，可以重点关注协程之间的切换：![3c4ac5e339354cf161bd1512d3d924bd.png][]从图中可以看出来协程的四点规则：

*  通过调用生成器函数 `genDemo` 来创建一个 **协程 `gen`**，创建之后，`gen` 协程并没有立即执行。
 *  要让 `gen` 协程执行，**需要通过调用 `gen.next`**。
 *  当协程正在执行的时候，可以 **通过 `yield` 关键字来暂停 `gen` 协程的执行**，并返回主要信息给父协程。
 *  如果协程在执行期间，遇到了 `return` 关键字，那么 JS 引擎会结束当前协程，并将 `return` 后面的内容返回给父协程。

协程之间的切换：

*  `gen` 协程和父协程是在主线程上交互执行的，并不是并发执行的，它们之前的切换是 **通过 `yield` 和 `gen.next` 来配合完成** 的。
 *  当在 `gen` 协程中调用了 `yield` 方法时，JS 引擎会保存 `gen` 协程当前的调用栈信息，并恢复父协程的调用栈信息。同样，当在父协程中执行 `gen.next` 时，JS 引擎会保存父协程的调用栈信息，并恢复 `gen` 协程的调用栈信息。

![8f43f2912be16e3cc2d16311f4259e19.png][]其实在 JS 中，`Generator` 生成器就是协程的一种实现方式。

## 成熟方案 `Promise` ##

关于 `Promise`，可以去看我上一篇文章：《异步编程 Promise：从使用到手写实现（4200字长文）》，在这一篇文章中详细介绍了 `Promise` 如何解决回调地狱的问题，了解 `Promise` 和微任务的渊源，然后带你一步一步的解构手写实现一个简单的 `Promise`，最后简单介绍并手写实现了一些 `Promise` 的 API，包括 `Promise.all`、`Promise.allSettled`、`Promise.race`、`Promise.finally` 等API。

## 终极解决方案 `async`/`await` ##

使用 `Promise` 能很好地解决回调地狱的问题，但是这种方式充满了 `Promise` 的 `then()` 方法，如果处理流程比较复杂的话，那么整段代码将充斥着 `then`，语义化不明显，代码不能很好地表示执行流程。基于这个原因，ES7 引入了 `async`/`await`，这是 JavaScript 异步编程的一个重大改进，提供了 **在不阻塞主线程的情况下使用同步代码实现异步访问资源的能力**，并且使得代码逻辑更加清晰。其实 `async`/`await` 技术背后的秘密就是 `Promise` 和 `Generator` 生成器应用，往低层说就是 **微任务和协程应用**。要搞清楚 `async` 和 `await` 的工作原理，我们得对 `async` 和 `await` 分开分析。

### `async` ###

`async` 到底是什么？根据 MDN 定义，`async` 是一个通过 **异步执行并隐式返回 `Promise`** 作为结果的函数。重点关注两个词：异步执行和隐式返回 `Promise`。先来看看是如何隐式返回 `Promise` 的，参考下面的代码：

async function async1() {
      return '秀儿';
    }
    console.log(async1()); // Promise {<fulfilled>: "秀儿"}

执行这段代码，可以看到调用 `async` 声明的 `async1` 函数返回了一个 `Promise` 对象，状态是 `resolved`，返回结果如下所示：`Promise {<fulfilled>: "秀儿"}`。和 `Promise` 的链式调用 `then` 中处理返回值一样。

### `await` ###

`await` 需要跟 `async` 搭配使用，结合下面这段代码来看看 `await` 到底是什么：

async function foo() {
      console.log(1)
      let a = await 100
      console.log(a)
      console.log(2)
    }
    console.log(0)
    foo()
    console.log(3)

站在 **协程** 的视角来看看这段代码的整体执行流程图：![85089ef4222feb5b0bce78e7ad06a5e4.png][]结合上图来分析 `async`/`await` 的执行流程：

*  首先，执行 `console.log(0)` 这个语句，打印出来 `0`。
 *  紧接着就是执行 `foo` 函数，由于 `foo` 函数是被 `async` 标记过的，所以当进入该函数的时候，JS 引擎会保存当前的调用栈等信息，然后执行 `foo` 函数中的 `console.log(1)` 语句，并打印出 `1`。
 *  当执行到 `await 100` 时，会默认创建一个 `Promise` 对象
 *  代码如下所示：`let promise_ = new Promise((resolve,reject){ resolve(100) })`
 *  在这个 `promise_` 对象创建的过程中，可以看到在 `executor` 函数中调用了 `resolve` 函数，JS 引擎会将该任务提交给微任务队列。
 *  然后 JS 引擎会暂停当前协程的执行，将主线程的控制权转交给父协程执行，同时会将 `promise_` 对象返回给父协程。
 *  主线程的控制权已经交给父协程了，这时候父协程要做的一件事是调用 `promise_.then` 来监控 `promise` 状态的改变。
 *  接下来继续执行父协程的流程，执行 `console.log(3)`，并打印出来 `3`。
 *  随后父协程将执行结束，在结束之前，会进入微任务的检查点，然后执行微任务队列，微任务队列中有 `resolve(100)` 的任务等待执行，执行到这里的时候，会触发 `promise_.then` 中的回调函数，如下所示：

promise_.then((value) => {
      // 回调函数被激活后
      // 将主线程控制权交给foo协程，并将vaule值传给协程
    })

*  该回调函数被激活以后，会将主线程的控制权交给 `foo` 函数的协程，并同时将 `value` 值传给该协程。
 *  `foo` 协程激活之后，会把刚才的 `value` 值赋给了变量 `a`，然后 `foo` 协程继续执行后续语句，执行完成之后，将控制权归还给父协程。

以上就是 `await`/`async` 的执行流程。正是因为 `async` 和 `await` 在背后做了大量的工作，所以我们才能用同步的方式写出异步代码来。当然也存在一些缺点，因为 `await` 将异步代码改造成了同步代码，如果多个异步代码没有依赖性却使用了 `await` 会导致性能上的降低。

### `async`/`await`总结 ###

*  `Promise` 的编程模型依然充斥着大量的 `then` 方法，虽然解决了回调地狱的问题，但是在语义方面依然存在缺陷，代码中充斥着大量的 `then` 函数，这就是 `async`/`await` 出现的原因。
 *  使用 `async`/`await` 可以实现用同步代码的风格来编写异步代码，这是因为 `async`/`await` 的基础技术使用了 `Generator` 生成器和 `Promise`，`Generator` 生成器是协程的实现，利用 `Generator` 生成器能实现生成器函数的暂停和恢复。
 *  另外，V8 引擎还为 `async`/`await` 做了大量的语法层面包装，所以了解隐藏在背后的代码有助于加深你对 `async`/`await` 的理解。
 *  `async`/`await` 无疑是异步编程领域非常大的一个革新，也是未来的一个主流的编程风格。其实，除了 JavaScript，Python、Dart、C\# 等语言也都引入了 `async`/`await`，使用它不仅能让代码更加整洁美观，而且还能确保该函数始终都能返回 `Promise`。

## 异步编程总结 ##

*  早期的异步回调函数虽然解决了同步阻塞的问题，但是容易写出回调地狱。
 *  `Generator` 生成器最大的特点是可以控制函数的执行，是协程的一种实现方式。
 *  `Promise` 的更多内容可以看我的这篇文章：《异步编程 Promise：从使用到手写实现（4200字长文）》
 *  `async`/`await` 可以算是异步编程的终极解决方案，它通过同步的方式写异步代码，可以把 `await` 看作是让出线程的标志，先去执行 `async` 函数外部的代码，等调用栈为空再回来调用 `await` 后面的代码。

关于本文

作者：起风了Q

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