探索Javascript异步编程

异步编程带来的问题在客户端Javascript中并不明显,但随着服务器端Javascript越来越广的被使用,大量的异步IO操作使得该问题变得明显。许多不同的方法都可以解决这个问题,本文讨论了一些方法,但并不深入。大家需要根据自己的情况选择一个适于自己的方法。

笔者在之前的一片博客中简单的讨论了Python和Javascript的异同,其实作为一种编程语言Javascript的异步编程是一个非常值得讨论的有趣话题。

JavaScript 异步编程简介

回调函数和异步执行

所谓的异步指的是函数的调用并不直接返回执行的结果,而往往是通过回调函数异步的执行。

我们先看看回调函数是什么:

回调函数,其实就是调用用户提供的函数,该函数往往是以参数的形式提供的。回调函数并不一定是异步执行的。比如上述的例子中,回调函数是被同步执行的。大部分语言都支持回调,C++可用通过函数指针或者回调对象,Java一般也是使用回调对象。

在Javascript中有很多通过回调函数来执行的异步调用,例如setTimeout()或者setInterval()。

在以上的例子中,setTimeout直接返回,匿名函数会在1000毫秒(不一定能保证是1000毫秒)后异步触发并执行,完成打印控制台的操作。也就是说在异步操作的情境下,函数直接返回,把控制权交给回调函数,回调函数会在以后的某一个时间片被调度执行。那么为什么需要异步呢?为什么不能直接在当前函数中完成操作呢?这就需要了解Javascript的线程模型了。

Javascript线程模型和事件驱动

Javascript最初是被设计成在浏览器中辅助提供HTML的交互功能。在浏览器中都包含一个Javascript引擎,Javscript程序就运行在这个引擎之中,并且只有一个线程。单线程能都带来很多优点,程序员们可以很开心的不用去考虑诸如资源同步,死锁等多线程阻塞式编程所需要面对的恼人的问题。但是很多人会问,既然Javascript是单线程的,那它又如何能够异步的执行呢?

这就需要了解到Javascript在浏览器中的事件驱动(event driven)机制。事件驱动一般通过事件循环(event loop)和事件队列(event queue)来实现的。假定浏览器中有一个专门用于事件调度的实例(该实例可以是一个线程,我们可以称之为事件分发线程event dispatch thread),该实例的工作就是一个不结束的循环,从事件队列中取出事件,处理所有很事件关联的回调函数(event handler)。注意回调函数是在Javascript的主线程中运行的,而非事件分发线程中,以保证事件处理不会发生阻塞。

Event Loop Code:

通过事件驱动机制,我们可以想象Javascript的编程模型就是响应一系列的事件,执行对应的回调函数。很多UI框架都采用这样的模型(例如Java Swing)。

那为什要异步呢,同步不是很好么?

异步的主要目的是处理非阻塞,在和HTML交互的过程中,会需要一些IO操作(典型的就是Ajax请求,脚本文件加载),如果这些操作是同步的,就会阻塞其它操作,用户的体验就是页面失去了响应。

综上所述Javascript通过事件驱动机制,在单线程模型下,以异步回调函数的形式来实现非阻塞的IO操作。

Javascript异步编程带来的挑战

Javascript的单线程模型有很多好处,但同时也带来了很多挑战。

代码可读性

想象一下,如果某个操作需要经过多个非阻塞的IO操作,每一个结果都是通过回调,程序有可能会看上去像这个样子。

我们称之为意大利面条式(spaghetti)的代码。这样的代码很难维护。这样的情况更多的会发生在server side的情况下。

流程控制

异步带来的另一个问题是流程控制,举个例子,我要访问三个网站的内容,当三个网站的内容都得到后,合并处理,然后发给后台。代码可以这样写:

上述代码通过检查result的长度的方式来决定是否所有的请求都处理完成,这是一个很丑陋方法,也很不可靠。

异常和错误处理

通过上一个例子,我们还可以看出,为了使程序更健壮,我们还需要加入异常处理。 在异步的方式下,异常处理分布在不同的回调函数中,我们无法在调用的时候通过try…catch的方式来处理异常, 所以很难做到有效,清楚。

更好的Javascript异步编程方式

“这是最好的时代,也是最糟糕的时代”

为了解决Javascript异步编程带来的问题,很多的开发者做出了不同程度的努力,提供了很多不同的解决方案。然而面对如此众多的方案应该如何选择呢?我们这就来看看都有哪些可供选择的方案吧。

Promise

Promise 对象曾经以多种形式存在于很多语言中。这个词最先由C++工程师用在Xanadu 项目中,Xanadu 项目是Web 应用项目的先驱。随后Promise 被用在E编程语言中,这又激发了Python 开发人员的灵感,将它实现成了Twisted 框架的Deferred 对象。

2007 年,Promise 赶上了JavaScript 大潮,那时Dojo 框架刚从Twisted框架汲取灵感,新增了一个叫做dojo.Deferred 的对象。也就在那个时候,相对成熟的Dojo 框架与初出茅庐的jQuery 框架激烈地争夺着人气和名望。2009 年,Kris Zyp 有感于dojo.Deferred 的影响力提出了CommonJS 之Promises/A 规范。同年,Node.js 首次亮相。

在编程的概念中,future,promise,和delay表示同一个概念。Promise翻译成中文是“承诺”,也就是说给你一个东西,我保证未来能够做到,但现在什么都没有。它用来表示异步操作返回的一个对象,该对象是用来获取未来的执行结果的一个代理,初始值不确定。许多语言都有对Promise的支持。

Promise的核心是它的then方法,我们可以使用这个方法从异步操作中得到返回值,或者是异常。then有两个可选参数(有的实现是三个),分别处理成功和失败的情景。

异步调用doSomethingAync返回一个Promise对象promise,调用promise的then方法来处理成功和失败。这看上去似乎并没有很大的改进。仍然需要回调。但是和以前的区别在于,首先异步操作有了返回值,虽然该值只是一个对未来的承诺;其次通过使用then,程序员可以有效的控制流程异常处理,决定如何使用这个来自未来的值。

对于嵌套的异步操作,有了Promise的支持,可以写成这样的链式操作:

Promise提供更便捷的流程控制,例如Promise.all()可以解决需要并发的执行若干个异步操作,等所有操作完成后进行处理。

对于异常处理,

如果doA失败,它的Promise会被拒绝,处理链上的下一个onRejected会被调用,在这个例子中就是匿名函数function(error){}。比起原始的回调方式,不需要在每一步都对异常进行处理。这生了不少事。

以上只是对于Promise概念的简单陈述,Promise拥有许多不同规范建议(A,A+,B,KISS,C,D等),名字(Future,Promise,Defer),和开源实现。大家可以参考一下的这些链接。

如果你有选择困难综合症,面对这么多的开源库不知道如何决断,先不要急,这还只是一部分,还有一些库没有或者不完全采用Promise的概念

Non-Promise

下面列出了其它的一些开源的库,也可以帮助解决Javascript中异步编程所遇到的诸多问题,它们的解决方案各不相同,我这里就不一一介绍了。大家有兴趣可以去看看或者试用一下。

Non-3rd Party

其实,为了解决Javascript异步编程带来的问题,不一定非要使用Promise或者其它的开源库,这些库提供了很好的模式,但是你也可以通过有针对性的设计来解决。

比如,对于层层回调的模式,可以利用消息机制来改写,假定你的系统中已经实现了消息机制,你的code可以写成这样:

这样我们就把嵌套的异步调用,改写成了顺序执行的事件处理。

更多的方式,请大家参考这篇文章,它提出了解决异步的五种模式:回调、观察者模式(事件)、消息、Promise和有限状态机(FSM)。

下一代Javscript对异步编程的增强

ECMAScript6

下一代的Javascript标准Harmony,也就是ECMAScript6正在酝酿中,它提出了许多新的语言特性,比如箭头函数、类(Class)、生成器(Generator)、Promise等等。其中Generator和Promise都可以被用于对异步调用的增强。

Nodejs的开发版V0.11已经可以支持ES6的一些新的特性,使用node –harmony命令来运行对ES6的支持。

co、Thunk、Koa

koa是由Express原班人马(主要是TJ)打造,希望提供一个更精简健壮的nodejs框架。koa依赖ES6中的Generator等新特性,所以必须运行在相应的Nodejs版本上。

利用Generator、coThunk,可以在Koa中有效的解决Javascript异步调用的各种问题。

co是一个异步流程简化的工具,它利用Generator把一层层嵌套的调用变成同步的写法。

通过co可以把异步的fs.readFile当成同步一样调用,只需要把异步函数fs.readFile用闭包的方式封装。

利用Thunk可以进一步简化为如下的code, 这里Thunk的作用就是用闭包封装异步函数,返回一个生成函数的函数,供生成器来调用。

利用co可以串行或者并行的执行异步调用。

串行

并行

更多详细的内容,大家可以参考这两篇文章12

总结

异步编程带来的问题在客户端Javascript中并不明显,但随着服务器端Javascript越来越广的被使用,大量的异步IO操作使得该问题变得明显。许多不同的方法都可以解决这个问题,本文讨论了一些方法,但并不深入。大家需要根据自己的情况选择一个适于自己的方法。

同时,随着ES6的定义,Javascript的语法变得越来越丰富,更多的功能带来了很多便利,然而原本简洁,单一目的的Javascript变得复杂,也要承担更多的任务。Javascript何去何从,让我们拭目以待。

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