用 Generator 实现 JS 异步流程控制

前言

当初,JavaScript 引入异步(Asynchonrous)主要是为了解决浏览器端同步IO造成的UI假死现象,但是主流的编程语言和Web服务器都采取同步IO的模式,原因无非是:

  1. 采用同步IO编写的代码符合人和直觉,代码容易编写和维护。
  2. 对于同步IO造成的线程阻塞可以通过创建多线程(进程)的方式,通过增加服务器数量进行横向扩展来解决。

但是,在很多情况下,这种方式并不能很好地解决问题。比如对于静态资源服务器(CDN服务器)来说,每时每刻要处理大量的文件请求,如果对于每个请求都新开一个线程(进程),可想而知,性能开销是很大的,而且有种杀鸡用牛刀的感觉。所以Nginx采用了和JavaScript相同的策略来解决这个问题——单线程、非阻塞、异步IO。这样,当一个 IO 操作开始的时候,Nginx 不会等待操作完成就会去处理下一个请求,等到某个 IO 操作完成后,Nginx 再回过头去处理(回调)这次 IO 的后续工作。

然后2009年NodeJS的发布,又极大的推进了异步IO在服务端的应用,据闻,NodeJS在处理阿里巴巴“双十一”的海量请求高并发中发挥了很大的作用。

所以,异步IO真是个好东西,但是,编写异步代码却有一个无法回避的问题——回调函数嵌套太多、过多的回调层级造成阅读和维护上的困难——俗称“回调地狱(callback hell)”。

屏幕快照 2016-11-21 下午2.37.50

为了解决这个难题,出现了各种各样的解决方案。最先出来的方案是利用任务队列控制异步流程,著名的代表有Async。然后Promises/A+规范出来了,人们根据这个规范实现了Q。那时候AsyncQ各占边壁江山,两边都有不少忠实的拥趸, 虽然它们解决问题的思路不同,但是都很好的解决了地狱回调的问题。随着ES6(ECMA Script 6)Promise标准纳入旗下,Promise成了真正意义上解决地狱回调的最佳解决方案(在支持ES6的环境中,开箱即用,不用引入第三方库)。

但是,虽然AsyncPromise之流都在代码层面避免了地狱回调,但是代码组织结构上并没有完全摆脱异步的影子,和纯同步的写法相比,还是有很大的不同,写起来还是略麻烦。幸好,ES6引入了Generator的概念,利用Generator就可以很好的解决这个问题了。

可以看到,经过Generator重写后,代码形式上和我们熟悉的同步代码没什么二样了。😁

下面我们就来介绍这种神奇的黑魔法!

Generator 简介

GeneratorES6新引进的关键字,它用来定义一个Generator,用法和定义一个普通的函数(function)几乎一样,只是在function关键字和函数名之前加入了星号 *Generator最大的特点就是定义的函数可以被暂停执行,很类似我们打断点调试代码:点Run按钮代码就自动执行当前语句直到遇到下一个断点并暂停,不同的是Generator的这种暂停态和执行态是由代码来定义和控制的。

Generator里,yield关键字用来定义代码暂停的地方,类似于给代码打断点(但不是真的打断点,不要和debugger关键字混淆),而generator.next(value)则用来控制代码的运行并处理输入输出。下面用代码来说明:

这是一个利用Generator实现的自然数生成器。通过实例化一个Generator,然后每次通过gen.next()取得一个自然数,此过程可以无限进行下去。不过值得注意的是,通过gen.next()取得的输出是一个对象,包含valuedone两个属性,其中value是真正返回的值,而done则用来标识Generator是否已经执行完毕。因为自然数生成器是一个无限循环,所以不存在done: true的情况。

这个例子比较简单,下面来个稍微复杂点的例子(涉及到输入和输出)。

有人可能会对执行结果有疑问,不清楚外部的数据是如何传到Generator内部的,可能会猜想是通过gen.next("西")这句话传进去的,但是问题又来了,为什么'部', '世', '界' 都传进去了,'西'去哪了?别急,且听我慢慢道来。

首先我们要明白yield其实由两个动作组成,输入 + 输出(输入在输出前面),每次执行next,代码会暂停在yield 输出执行后,其它的语句不再执行(很重要)。其次对于上面的例子来说,两次next()才真正执行完一次while循环。比如上面的例子里,为什么第一次输出的是[],而不是['西']呢?那是因为第一次执行gen.next("西")的时候,首先会将'西'传进去,但是并没有接受的对象,虽然西确实是被传进来了,但是最后被丢弃了;然后代码执行完yield array输出之后就暂停。然后第二次执行gen.next("部")的时候,会先执行输入操作,执行array.push('部'), 然后进行第二次循环,执行输出操作。

现在总结一下:

  1. 每个yield将代码分割成两个部分,需要执行两次next才能执行完。
  2. yield其实由两个动作组成,输入 + 输出(输入在输出前面),每次执行next,代码会暂停在yield 输出执行后,其它的语句不再执行(很重要)。

如何利用Generator进行异步流程控制?

利用Generaotr可以暂停代码执行的特性,我们通过将异步操作用yield关键字进行修饰,每当执行异步操作的时候,代码便在此暂停执行了。异步操作结束后,通过在回调函数里利用next(data)来控制Generator的执行流程,并顺便将异步操作的结果data回传给Generator,执行下一步。到此,整个异步流程得到了完美的控制,我们可以看一个小例子

可以看到,Generator确实可以帮助我们来控制异步流程,但是上面的代比较很raw,存在以下两个问题:

  • 不能自动运行,需要手动启动。
  • 不能流程控制的代码需要自己写在异步回调函数里,且没有通用性。

所以我们需要构造一个运行器,自动处理上面提到的两个问题。

TJ大神的co就是用来解决这个问题的。

下面我来详细说一下解决此问题的两种方法:利用ThunkPromise

利用Thunk来构造generator自动运行器

这里引入了一个新的概念——thunk( 读音 [θʌŋk] ),为了帮助理解,下面单独来介绍一下thunk。

Thunk

维基百科上的介绍如下:

In computer programming, a thunk is a subroutine that is created, often automatically, to assist a call to another subroutine. Thunks are primarily used to represent an additional calculation that a subroutine needs to execute, or to call a routine that does not support the usual calling mechanism. They have a variety of other applications to compiler code generation) and in modular programming.

可以简单理解为,thunk就是为了满足函数(子程序)调用的特殊需要,对原函数(子程序)进行了特殊的改造,主要用在编译器的代码生成(传名调用)和模块化编程中。

JavaScript中的thunk化指的是将多参数函数,将其替换成单参数的版本,且只接受回调函数作为参数,比如NodeJsfs.readFile函数,tnunk化为:

为了接下来的方便,我们在这里先构造一个thunkify函数,专门对函数进行thunk化:

运行器

现在开始构造我们的运行器。思路也很简单,运行器接受一个Generator函数,实例化一个Generator对象,然后启动任务,通过next()取得返回值,这个返回值其实是一个函数,提供了一个入口可以让我们可以方便的注入控住逻辑,包括:控制Generator向下执行、将异步执行的结果返回给Generator

测试

下面我们来测试一下代码是否按照我们的预期运行。

可以看到,完全符合我们的预期!

缺陷

虽然以上Thunk函数能完美实现我们对异步流程的控制,但是对于同步任务却不能正确的做出反应,比如我写一个同步版的readFileSync

然后将var readFile = thunkify(_readFile); // 将_readFile thunk化改为var readFile = thunkify(_readFileSync)其余均保持不变,运行代码会发现执行不成功。什么原因造成的呢?其实只要仔细分析就会发现,主要问题主要出现在thunkify函数上面,在流程控制函数注入之前,任务函数就已经执行了,如果这个任务是异步的,那没问题,因为异步任务回调函数只会等主线程空闲了才会执行,所以异步任务能确保控制函数能够被成功注入。但是如果这个任务是同步的,那就不一样了。传给同步任务的回调函数会被立刻执行,之后给它注入控制逻辑已经没用了,因为同步任务早已执行完。

改进

为了改进thunkify函数,让它能适应同步的情况,可以考虑将任务函数的执行延后到控制逻辑注入后执行,这样就能确保无论任务函数异步也好,同步也罢,都能注入控制逻辑。

改进后的:

利用Promise来构造generator自动运行器

有了上面的基础,基于Promise就会容易理解多了。

toPromise

首先,我们应该将异步任务改造成Promsie的形式,为了兼容同步任务,我们先对任务进行thunkify统一化,然后再转化为Promise。

运行器

因为Promise是标准化的,所以构造Promise的运行器比较简单,我就直接show code了:

测试

经测试,完全符合要求。

小结

异步流程的控制一直是JavaScript比较令人头疼的一点,Generator的出现无疑是一件囍事,相信随着ES6的普及以及ES7的推进(ES 7的asyncawait),异步代码那反直觉的编写方式将一去不复返,编写和维护异步代码将会越来越容易,JavaScript也将会越来越成熟,受到越来越多人的喜爱。

参考文献

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