JavaScript异步编程的模式

时间:2014-8-20  |  评论:  |  被查看了 3,967 次  |  标签:, , ,

Javascript语言的执行环境是"单线程"(single thread)。所谓"单线程",就是指一次只能完成一件任务。如果有多个任务,就必须排队,前面一个任务完成,再执行后面一个任务,以此类推。

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。

为了解决这个问题,Javascript语言将任务的执行模式分成两种:同步(Synchronous)和异步(Asynchronous)。

"同步模式"就是上一段的模式,后一个任务等待前一个任务结束,然后再执行,程序的执行顺序与任务的排列顺序是一致的、同步的;"异步模式"则完全 不同,每一个任务有一个或多个回调函数(callback),前一个任务结束后,不是执行后一个任务,而是执行回调函数,后一个任务则是不等前一个任务结 束就执行,所以程序的执行顺序与任务的排列顺序是不一致的、异步的。

"异步模式"非常重要。在浏览器端,耗时很长的操作都应该异步执行,避免浏览器失去响应,最好的例子就是Ajax操作。在服务器端,"异步模式"甚至是唯一的模式,因为执行环境是单线程的,如果允许同步执行所有http请求,服务器性能会急剧下降,很快就会失去响应。

以下总结了"异步模式"编程的4种方法,理解它们可以让你写出结构更合理、性能更出色、维护更方便的JavaScript程序。

回调函数

回调函数是异步编程最基本的方法。

假定有两个函数f1和f2,后者等待前者的执行结果。

f1();

f2();

如果f1是一个很耗时的任务,可以考虑改写f1,把f2写成f1的回调函数。

function f1(callback){
    setTimeout(function () {
        // f1的任务代码
        callback();
    }, 1000);
}

执行代码就变成下面这样:

f1(f2);

采用这种方式,我们把同步操作变成了异步操作,f1不会堵塞程序运行,相当于先执行程序的主要逻辑,将耗时的操作推迟执行。

回调函数的优点是简单、容易理解和部署,缺点是不利于代码的阅读和维护,各个部分之间高度耦合(Coupling),使得程序结构混乱、流程难以追踪(尤其是回调函数嵌套的情况),而且每个任务只能指定一个回调函数。

事件监听

另一种思路是采用事件驱动模式。任务的执行不取决于代码的顺序,而取决于某个事件是否发生。

还是以f1和f2为例。首先,为f1绑定一个事件(这里采用的jQuery的写法)。

f1.on('done', f2);

上面这行代码的意思是,当f1发生done事件,就执行f2。然后,对f1进行改写:

function f1(){
    setTimeout(function () {
        // f1的任务代码
        f1.trigger('done');
    }, 1000);
}

f1.trigger('done')表示,执行完成后,立即触发done事件,从而开始执行f2。

这种方法的优点是比较容易理解,可以绑定多个事件,每个事件可以指定多个回调函数,而且可以"去耦合"(Decoupling),有利于实现模块化。缺点是整个程序都要变成事件驱动型,运行流程会变得很不清晰。

发布/订阅

"事件"完全可以理解成"信号",如果存在一个"信号中心",某个任务执行完成,就向信号中心"发布"(publish)一个信号,其他任务可以向信号中心"订阅"(subscribe)这个信号,从而知道什么时候自己可以开始执行。这就叫做"发布/订阅模式"(publish-subscribe pattern),又称"观察者模式"(observer pattern)。

这个模式有多种实现,下面采用的是Ben Alman的Tiny Pub/Sub,这是jQuery的一个插件。

首先,f2向"信号中心"jQuery订阅"done"信号。

jQuery.subscribe("done", f2);

然后,f1进行如下改写:

function f1(){
    setTimeout(function () {
        // f1的任务代码
        jQuery.publish("done");
    }, 1000);
}

jQuery.publish("done")的意思是,f1执行完成后,向"信号中心"jQuery发布"done"信号,从而引发f2的执行。

f2完成执行后,也可以取消订阅(unsubscribe)。

jQuery.unsubscribe("done", f2);

这种方法的性质与"事件监听"类似,但是明显优于后者。因为我们可以通过查看"消息中心",了解存在多少信号、每个信号有多少订阅者,从而监控程序的运行。

Promises对象

简介

Promises对象是CommonJS工作组提出的一种规范,目的是为异步编程提供统一接口

那么,什么是Promises?首先,它是一个对象,也就是说与其他JavaScript对象的用法,没有什么两样;其次,它起到代理作用 (proxy),使得异步操作具备同步操作(synchronous code)的接口,即充当异步操作与回调函数之间的中介,使得程序具备正常的同步运行的流程,回调函数不必再一层层包裹起来。

简单说,它的思想是,每一个异步任务立刻返回一个Promise对象,由于是立刻返回,所以可以采用同步操作的流程。这个Promises对象有一个then方法,允许指定回调函数,在异步任务完成后调用。比如,f1的回调函数f2,可以写成:

(new Promise(f1)).then(f2);

这种写法对于嵌套的回调函数尤其有用。

// 传统写法

step1(function (value1) {
    step2(value1, function(value2) {
        step3(value2, function(value3) {
            step4(value3, function(value4) {
                // ...
            });
        });
    });
});

// Promises的写法

(new Promise(step1))
.then(step2)
.then(step3)
.then(step4);

从上面代码可以看到,采用Promises接口以后,程序流程变得非常清楚,十分易读。

总的来说,传统的回调函数写法使得代码混成一团,变得横向发展而不是向下发展。Promises规范就是为了解决这个问题而提出的,目标是使用正常 的程序流程(同步),来处理异步操作。它先返回一个Promise对象,后面的操作以同步的方式,寄存在这个对象上面。等到异步操作有了结果,再执行前期 寄放在它上面的其他操作。

Promises原本只是社区提出的一个构想,一些外部函数库率先实现了这个功能,目前ECMAScript 6正在考虑将其写入语言标准,Chrome和Firefox浏览器的最新版本都初步部署了这个功能。

Promises接口

当异步任务返回一个promise对象(小写表示这是Promise的实例)时,该对象只有三种状态:未完成(pending)、已完成(fulfilled)、失败(rejected)。

这三种的状态的变化途径只有两个,且只能发生一次:从“未完成”到“已完成”,或者从“未完成”到“失败”。一旦当前状态变为“已完成”或“失败”,就意味着不会再发生状态变化了。

promise对象的then方法用来添加回调函数。它可以接受两个回调函数,第一个是操作成功(fulfilled)时的回调函数,第二个是操作失败(rejected)时的回调函数(可以不提供)。一旦状态改变,就调用相应的回调函数。

(new Promise(step1))
.then(step2)
.then(step3)
.then(step4)
.then(console.log, console.error);

再来看上面的代码就很清楚,step1是一个耗时很长的异步任务,然后使用then方法,依次绑定了三个step1操作成功后的回调函数 step2、step3、step4,最后再用then方法绑定两个回调函数:操作成功时的回调函数console.log,操作失败时的回调函数 console.error。

console.log和console.error这两个最后的回调函数,用法上有一点重要的区别。console.log只显示回调函数 step4的返回值,而console.error可以显示step2、step3、step4之中任何一个发生的错误。也就是说,假定step2操作失 败,抛出一个错误,这时step3和step4都不会再运行了,promises对象开始寻找接下来的第一个错误回调函数,在上面代码中是 console.error。所以,结论就是Promises对象的错误有传递性。

Promises对象的实现

Promises只是一个规范,JavaScript语言原生还未提供支持。一般来说,总是选用现成的函数库。为了真正理解Promises对象,下面我们自己动手写一个Promises的实现。

首先,将Promise定义成构造函数。

var Promise = function () {
  this.state = 'pending';
  this.thenables = [];
};

上面代码表示,Promise的实例对象的state属性默认为“未完成”状态(pending),还有一个thenables属性指向一个数组,用来存放then方法生成的内部对象。

接下来,部署实例对象的resolve方法,该方法用来将实例对象的状态从“未完成”变为“已完成”。

Promise.prototype.resolve = function (value) {
  if (this.state != 'pending') return;

  this.state = 'fulfilled';
  this.value = value;
  this._handleThen();
  return this;
}

上面代码除了改变实例的状态,还将异步任务的返回值存入实例对象的value属性,然后调用内部方法_handleThen,最后返回实例对象本身。

类似地,部署实例对象的reject方法。

Promise.prototype.reject = function (reason) {
  if (this.state != 'pending') return;

  this.state = 'rejected';
  this.reason = reason;
  this._handleThen();
  return this;
};

然后,部署实例对象的then方法。它接受两个参数,分别是异步任务成功时的回调函数(onFulfilled)和出错时的回调函数(onRejected)。为了可以部署链式操作,它必须返回一个新的Promise对象。

Promise.prototype.then = function (onFulfilled, onRejected) {
  var thenable = {};

  if (typeof onFulfilled == 'function') {
    thenable.fulfill = onFulfilled;
  };

  if (typeof onRejected == 'function') {
    thenable.reject = onRejected;
  };

  if (this.state != 'pending') {
    setImmediate(function () {
      this._handleThen();
    }.bind(this));
  }

  thenable.promise = new Promise();
  this.thenables.push(thenable);

  return thenable.promise;
}

上面代码首先定义了一个内部变量thenable对象,将then方法的两个参数都加入这个对象的属性。然后,检查当前状态,如果不等于“未完 成”,则在当前操作结束后,立即调用_handleThen方法。接着,在thenable对象的promise属性上生成一个新的Promise对象, 并在稍后返回这个对象。最后,将thenable对象加入实例对象的thenables数组。

下一步就要部署内部方法_handleThen,它用来处理通过then方法绑定的回调函数。

Promise.prototype._handleThen = function () {
  if (this.state === 'pending') return;

  if (this.thenables.length) {
    for (var i = 0; i < this.thenables.length; i++) {
      var thenPromise = this.thenables[i].promise;
      var returnedVal;
      try {
        // 运行回调函数
      } catch (e) {
        thenPromise.reject(e);
      }
    }
    this.thenables = [];
  }
}

上面代码的逻辑是这样的:如果实例对象的状态是“未完成”,就返回,否则检查thenables属性是否有值。如果有值,表明里面储存了需要执行的回调函数,则依次运行回调函数。

之所以把回调函数的执行放在try...catch结构中,是因为一旦出错,就会自动执行catch代码块,从而可以运行下一个Promise实例对象的reject方法,这使得调用reject方法变得很简单。下面是try代码块中的代码。

try {
        switch (this.state) {
          case 'fulfilled':
            if (this.thenables[i].fulfill) {
              returnedVal = this.thenables[i].fulfill(this.value);
            } else {
              thenPromise.resolve(this.value);
            }
            break;
          case 'rejected':
            if (this.thenables[i].reject) {
              returnedVal = this.thenables[i].reject(this.reason);
            } else {
              thenPromise.reject(this.reason);
            }
            break;
        }

          if (returnedVal === null) { 
            this.thenables[i].promise.resolve(returnedVal);
          }
          else if (returnedVal instanceof Promise || typeof returnedVal.then === 'function') {
            returnedVal.then(thenPromise.resolve.bind(thenPromise), thenPromise.reject.bind(thenPromise));
          }
          else {
            this.thenables[i].promise.resolve(returnedVal);
          }
} 

上面代码首先根据实例对象的状态,分别调用fulfill或reject回调函数,并传入相应的参数,并将返回值存入returnVal变量。然后 再去改变this.thenables[i].promise对象的状态,触发下一个Promise对象的resolve或者reject方法。

最后,由于我们写的是供调用的函数库,需要将构造函数输出。

module.exports = Promise;

实例:Ajax操作

Ajax操作是典型的异步操作,传统上往往写成下面这样。

function search(term, onload, onerror) {
    var xhr, results, url;

    url = 'http://example.com/search?q=' + term;

    xhr = new XMLHttpRequest();
    xhr.open('GET', url, true);

    xhr.onload = function (e) {
        if (this.status === 200) {
            results = JSON.parse(this.responseText);
            onload(results);
        }
    };

    xhr.onerror = function (e) {
        onerror(e);
    };

    xhr.send();
}

search("Hello World", f1, f2);

上面代码的回调函数,必须直接传入。如果使用Promises方法,就可以写成下面这样。

function search(term) {

    var url = 'http://example.com/search?q=' + term;
    var p = new Promise();
    var xhr = new XMLHttpRequest();
    var result;

    xhr.open('GET', url, true);

    xhr.onload = function (e) {
        if (this.status === 200) {
            results = JSON.parse(this.responseText);
            p.resolve(results);
        }
    };

    xhr.onerror = function (e) {
        p.reject(e);
    };

    xhr.send();

    return p;
}

search("Hello World").then(f1, f2);

用了Promises以后,回调函数就可以用then方法加载。

小结

Promises的优点在于,让回调函数变成了规范的链式写法,程序流程可以看得很清楚。它的一整套接口,可以实现许多强大的功能,比如为多个异步操作部署一个回调函数、为多个回调函数中抛出的错误统一指定处理方法等等。

而且,它还有一个前面三种方法都没有的好处:如果一个任务已经完成,再添加回调函数,该回调函数会立即执行。所以,你不用担心是否错过了某个事件或信号。这种方法的缺点就是,编写和理解都相对比较难。

实际可以使用的Promises实现,参见jQuery的deferred对象一节。

分享: