【第2068期】高级程序4:异步函数
前言
最近Promise被翻译成期约,大家好像有所讨论?今日早读文章由360@李松峰授权分享。
@李松峰,资深技术图书译者,翻译出版过40余部技术及交互设计专著,现任360奇舞团Web前端开发资深专家,360前端技术委员会委员、W3C AC代表。
正文从这开始~~
本文内容来自于李松峰老师翻译的《JavaScript高级程序设计》第 4 版第 11 章 - 期约与异步函数,本文只是第 11 章部分内容,文中提到的规约是指Promises。
异步函数,也称为“async/await”(语法关键字),是 ES6 期约模式在 ECMAScript 函数中的应用。async/await 是 ES8 规范新增的。这个特性从行为和语法上都增强了 JavaScript,让以同步方式写的代码能够异步执行。下面来看一个最简单的例子,这个期约在超时之后会解决为一个值:
let p = new Promise((resolve, reject) => setTimeout(resolve, 1000, 3));
这个期约在 1000 毫秒之后解决为数值 3。如果程序中的其他代码要在这个值可用时访问它,则需要写一个解决处理程序:
let p = new Promise((resolve, reject) => setTimeout(resolve, 1000, 3));
p.then((x) => console.log(x)); // 3
这其实是很不方便的,因为其他代码都必须塞到期约处理程序中。不过可以把处理程序定义为一个函数:
function handler(x) { console.log(x); }
let p = new Promise((resolve, reject) => setTimeout(resolve, 1000, 3));
p.then(handler); // 3
这个改进其实也不大。这是因为任何需要访问这个期约所产生值的代码,都需要以处理程序的形式来接收这个值。也就是说,代码照样还是要放到处理程序里。ES8 为此提供了 async/await 关键字。
异步函数
ES8 的 async/await 旨在解决利用异步结构组织代码的问题。为此,ECMAScript 对函数进行了扩展,为其增加了两个新关键字:async 和 await。
async
async 关键字用于声明异步函数。这个关键字可以用在函数声明、函数表达式、箭头函数和方法上:
async function foo() {}
let bar = async function() {};
let baz = async () => {};
class Qux {
async qux() {}
}
使用 async 关键字可以让函数具有异步特征,但总体上其代码仍然是同步求值的。而在参数或闭包方面,异步函数仍然具有普通 JavaScript 函数的正常行为。正如下面的例子所示,foo()函数仍然会在后面的指令之前被求值:
async function foo() {
console.log(1);
}
foo();
console.log(2);
// 1
// 2
不过,异步函数如果使用 return 关键字返回了值(如果没有 return 则会返回 undefined),这个值会被 Promise.resolve()包装成一个期约对象。异步函数始终返回期约对象。在函数外部调用这个函数可以得到它返回的期约:
async function foo() {
console.log(1);
return 3;
}
// 给返回的期约添加一个解决处理程序
foo().then(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// 3
当然,直接返回一个期约对象也是一样的:
async function foo() {
console.log(1);
return Promise.resolve(3);
}
// 给返回的期约添加一个解决处理程序
foo().then(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// 3
异步函数的返回值期待(但实际上并不要求)一个实现 thenable 接口的对象,但常规的值也可以。如果返回的是实现 thenable 接口的对象,则这个对象可以由提供给 then()的处理程序“解包”。如果不是,则返回值就被当作已经解决的期约。下面的代码演示了这些情况:
// 返回一个原始值
async function foo() {
return 'foo';
}
foo().then(console.log);
// foo
// 返回一个没有实现 thenable 接口的对象
async function bar() {
return ['bar'];
}
bar().then(console.log);
// ['bar']
// 返回一个实现了 thenable 接口的非期约对象
async function baz() {
const thenable = {
then(callback) { callback('baz'); }
};
return thenable;
}
baz().then(console.log);
// baz
// 返回一个期约
async function qux() {
return Promise.resolve('qux');
}
qux().then(console.log);
// qux
与在期约处理程序中一样,在异步函数中抛出错误会返回拒绝的期约:
async function foo() {
console.log(1);
throw 3;
}
// 给返回的期约添加一个拒绝处理程序
foo().catch(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// 3
不过,拒绝期约的错误不会被异步函数捕获:
async function foo() {
console.log(1);
Promise.reject(3);
}
// Attach a rejected handler to the returned promise
foo().catch(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// Uncaught (in promise): 3
await
因为异步函数主要针对不会马上完成的任务,所以自然需要一种暂停和恢复执行的能力。使用 await 关键字可以暂停异步函数代码的执行,等待期约解决。来看下面这个本章开始就出现过的例子:
let p = new Promise((resolve, reject) => setTimeout(resolve, 1000, 3));
p.then((x) => console.log(x)); // 3
使用 async/await 可以写成这样:
async function foo() {
let p = new Promise((resolve, reject) => setTimeout(resolve, 1000, 3));
console.log(await p);
}
foo();
// 3
注意,await 关键字会暂停执行异步函数后面的代码,让出 JavaScript 运行时的执行线程。这个行 为与生成器函数中的 yield 关键字是一样的。await 关键字同样是尝试“解包”对象的值,然后将这个值传给表达式,再异步恢复异步函数的执行。
await 关键字的用法与 JavaScript 的一元操作一样。它可以单独使用,也可以在表达式中使用,如下面的例子所示:
// 异步打印"foo"
async function foo() {
console.log(await Promise.resolve('foo'));
}
foo();
// foo
// 异步打印"bar"
async function bar() {
return await Promise.resolve('bar');
}
bar().then(console.log);
// bar
// 1000 毫秒后异步打印"baz"
async function baz() {
await new Promise((resolve, reject) => setTimeout(resolve, 1000));
console.log('baz');
}
baz();
// baz(1000 毫秒后)
await 关键字期待(但实际上并不要求)一个实现 thenable 接口的对象,但常规的值也可以。如 果是实现 thenable 接口的对象,则这个对象可以由 await 来“解包”。如果不是,则这个值就被当作已经解决的期约。下面的代码演示了这些情况:
// 等待一个原始值
async function foo() {
console.log(await 'foo');
}
foo();
// foo
// 等待一个没有实现 thenable 接口的对象
async function bar() {
console.log(await ['bar']);
}
bar();
// ['bar']
// 等待一个实现了 thenable 接口的非期约对象
async function baz() {
const thenable = {
then(callback) { callback('baz');}
};
console.log(await thenable);
}
baz();
// baz
// 等待一个期约
async function qux() {
console.log(await Promise.resolve('qux'));
}
qux();
// qux
等待会抛出错误的同步操作,会返回拒绝的期约:
async function foo() {
console.log(1);
await (() => { throw 3; })();
}
// 给返回的期约添加一个拒绝处理程序
foo().catch(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// 3
如前面的例子所示,单独的 Promise.reject()不会被异步函数捕获,而会抛出未捕获错误。不过,对拒绝的期约使用 await 则会释放(unwrap)错误值(将拒绝期约返回):
async function foo() {
console.log(1);
await Promise.reject(3);
console.log(4); // 这行代码不会执行
}
// 给返回的期约添加一个拒绝处理程序
foo().catch(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// 3
await 的限制
await 关键字必须在异步函数中使用,不能在顶级上下文如 <script>
标签或模块中使用。不过,定义并立即调用异步函数是没问题的。下面两段代码实际是相同的:
async function foo() {
console.log(await Promise.resolve(3));
}
foo();
// 3
// 立即调用的异步[函数](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTA1MjAxMQ==&mid=2651223317&idx=1&sn=87da37c1d46c2b75da9fbbb8306a76e4&chksm=bd49ac918a3e2587622147dbfa7aaaa472a964023d904ace05a1ba1ea557a9b52b5d09ebf95b&scene=4&subscene=126#wechat_redirect)表达式
(async function() {
console.log(await Promise.resolve(3));
})();
// 3
此外,异步函数的特质不会扩展到嵌套函数。因此,await 关键字也只能直接出现在异步函数的定 义中。在同步函数内部使用 await 会抛出 SyntaxError。
下面展示了一些会出错的例子:
// 不允许:await 出现在了箭头[函数](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTA1MjAxMQ==&mid=2651223317&idx=1&sn=87da37c1d46c2b75da9fbbb8306a76e4&chksm=bd49ac918a3e2587622147dbfa7aaaa472a964023d904ace05a1ba1ea557a9b52b5d09ebf95b&scene=4&subscene=126#wechat_redirect)中
function foo() {
const syncFn = () => {
return await Promise.resolve('foo');
};
console.log(syncFn());
}
// 不允许:await 出现在了同步[函数](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTA1MjAxMQ==&mid=2651223317&idx=1&sn=87da37c1d46c2b75da9fbbb8306a76e4&chksm=bd49ac918a3e2587622147dbfa7aaaa472a964023d904ace05a1ba1ea557a9b52b5d09ebf95b&scene=4&subscene=126#wechat_redirect)声明中
function bar() {
function syncFn() {
return await Promise.resolve('bar');
}
console.log(syncFn());
}
// 不允许:await 出现在了同步[函数](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTA1MjAxMQ==&mid=2651223317&idx=1&sn=87da37c1d46c2b75da9fbbb8306a76e4&chksm=bd49ac918a3e2587622147dbfa7aaaa472a964023d904ace05a1ba1ea557a9b52b5d09ebf95b&scene=4&subscene=126#wechat_redirect)表达式中
function baz() {
const syncFn = function() {
return await Promise.resolve('baz');
};
console.log(syncFn());
}
// 不允许:IIFE 使用同步[函数](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTA1MjAxMQ==&mid=2651223317&idx=1&sn=87da37c1d46c2b75da9fbbb8306a76e4&chksm=bd49ac918a3e2587622147dbfa7aaaa472a964023d904ace05a1ba1ea557a9b52b5d09ebf95b&scene=4&subscene=126#wechat_redirect)表达式或箭头[函数](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTA1MjAxMQ==&mid=2651223317&idx=1&sn=87da37c1d46c2b75da9fbbb8306a76e4&chksm=bd49ac918a3e2587622147dbfa7aaaa472a964023d904ace05a1ba1ea557a9b52b5d09ebf95b&scene=4&subscene=126#wechat_redirect)
function qux() {
(function () { console.log(await Promise.resolve('qux')); })();
(() => console.log(await Promise.resolve('qux')))();
}
停止和恢复执行
使用 await 关键字之后的区别其实比看上去的还要微妙一些。比如,下面的例子中按顺序调用了 3个函数,但它们的输出结果顺序是相反的:
async function foo() {
console.log(await Promise.resolve('foo'));
}
async function bar() {
console.log(await 'bar');
}
async function baz() {
console.log('baz');
}
foo();
bar();
baz();
// baz
// bar
// foo
async/await 中真正起作用的是 await。async 关键字,无论从哪方面来看,都不过是一个标识符。毕竟,异步函数如果不包含 await 关键字,其执行基本上跟普通函数没有什么区别:
async function foo() {
console.log(2);
}
console.log(1);
foo();
console.log(3);
// 1
// 2
// 3
要完全理解 await 关键字,必须知道它并非只是等待一个值可用那么简单。JavaScript 运行时在碰 到 await 关键字时,会记录在哪里暂停执行。等到 await 右边的值可用了,JavaScript 运行时会向消息队列中推送一个任务,这个任务会恢复异步函数的执行。
因此,即使 await 后面跟着一个立即可用的值,函数的其余部分也会被异步求值。下面的例子演示了这一点:
async function foo() {
console.log(2);
await null;
console.log(4);
}
console.log(1);
foo();
console.log(3);
// 1
// 2
// 3
// 4
控制台中输出结果的顺序很好地解释了运行时的工作过程:
打印 1;
调用异步函数 foo();
(在 foo()中)打印 2;
(在 foo()中)await 关键字暂停执行,为立即可用的值 null 向消息队列中添加一个任务;(5) foo()退出;
打印 3;
同步线程的代码执行完毕;
JavaScript 运行时从消息队列中取出任务,恢复异步函数执行;
(在 foo()中)恢复执行,await 取得 null 值(这里并没有使用);
(在 foo()中)打印 4;
foo()返回。
如果 await 后面是一个期约,则问题会稍微复杂一些。此时,为了执行异步函数,实际上会有两个任务被添加到消息队列并被异步求值。下面的例子虽然看起来很反直觉,但它演示了真正的执行顺序:
async function foo() {
console.log(2);
console.log(await Promise.resolve(8));
console.log(9);
}
async function bar() {
console.log(4);
console.log(await 6);
console.log(7);
}
console.log(1);
foo();
console.log(3);
bar();
console.log(5);
// 1
// 2
// 3
// 4
// 5
// 6
// 7
// 8
// 9
运行时会像这样执行上面的例子:
打印 1;
调用异步函数 foo();
(在 foo()中)打印 2;
(在 foo()中)await 关键字暂停执行,向消息队列中添加一个期约在落定之后执行的任务;
期约立即落定,把给 await 提供值的任务添加到消息队列;
foo()退出;
打印 3;
调用异步函数 bar();
(在 bar()中)打印 4;
(在 bar()中)await 关键字暂停执行,为立即可用的值 6 向消息队列中添加一个任务;
bar()退出;
打印 5;
顶级线程执行完毕;
JavaScript 运行时从消息队列中取出解决 await 期约的处理程序,并将解决的值 8 提供给它;
JavaScript 运行时向消息队列中添加一个恢复执行 foo()函数的任务;
JavaScript 运行时从消息队列中取出恢复执行 bar()的任务及值 6; 11(17)(在 bar()中)恢复执行,await 取得值 6;
(在 bar()中)打印 6;
(在 bar()中)打印 7; 12(20) bar()返回;
异步任务完成,JavaScript 从消息队列中取出恢复执行 foo()的任务及值 8;
(在 foo()中)打印 8;
(在 foo()中)打印 9;
foo()返回。
异步函数策略
因为简单实用,所以异步函数很快成为 JavaScript 项目使用最广泛的特性之一。不过,在使用异步函数时,还是有些问题要注意。
实现 sleep()
很多人在刚开始学习 JavaScript 时,想找到一个类似 Java 中 Thread.sleep()之类的函数,好在程 序中加入非阻塞的暂停。以前,这个需求基本上都通过 setTimeout()利用 JavaScript 运行时的行为来实现的。
有了异步函数之后,就不一样了。一个简单的箭头函数就可以实现 sleep():
async function sleep(delay) {
return new Promise((resolve) => setTimeout(resolve, delay));
}
async function foo() {
const t0 = Date.now();
await sleep(1500); // 暂停约 1500 毫秒
console.log(Date.now() - t0);
}
foo();
// 1502
利用平行执行
如果使用 await 时不留心,则很可能错过平行加速的机会。来看下面的例子,其中顺序等待了 5个随机的超时:
async function randomDelay(id) {
// 延迟 0~1000 毫秒
const delay = Math.random() * 1000;
return new Promise((resolve) => setTimeout(() => {
console.log(`${id} finished`);
resolve();
}, delay));
}
async function foo() {
const t0 = Date.now();
await randomDelay(0);
await randomDelay(1);
await randomDelay(2);
await randomDelay(3);
await randomDelay(4);
console.log(`${Date.now() - t0}ms elapsed`);
}
foo();
// 0 finished
// 1 finished
// 2 finished
// 3 finished
// 4 finished
// 2219ms elapsed
用一个 for 循环重写,就是:
async function randomDelay(id) {
// 延迟 0~1000 毫秒
const delay = Math.random() * 1000;
return new Promise((resolve) => setTimeout(() => {
console.log(`${id} finished`);
resolve();
}, delay));
}
async function foo() {
const t0 = Date.now();
for (let i = 0; i < 5; ++i) {
await randomDelay(i);
}
console.log(`${Date.now() - t0}ms elapsed`);
}
foo();
// 0 finished
// 1 finished
// 2 finished
// 3 finished
// 4 finished
// 2219ms elapsed
就算这些期约之间没有依赖,异步函数也会依次暂停,等待每个超时完成。这样可以保证执行顺序, 但总执行时间会变长。
如果顺序不是必需保证的,那么可以先一次性初始化所有期约,然后再分别等待它们的结果。比如:
async function randomDelay(id) {
// 延迟 0~1000 毫秒
const delay = Math.random() * 1000;
return new Promise((resolve) => setTimeout(() => {
setTimeout(console.log, 0, `${id} finished`);
resolve();
}, delay));
}
async function foo() {
const t0 = Date.now();
const p0 = randomDelay(0);
const p1 = randomDelay(1);
const p2 = randomDelay(2);
const p3 = randomDelay(3);
const p4 = randomDelay(4);
await p0;
await p1;
await p2;
await p3;
await p4;
setTimeout(console.log, 0,`${Date.now() - t0}ms elapsed`);
}
foo();
// 1 finished
// 4 finished
// 3 finished
// 0 finished
// 2 finished
// 2219ms elapsed
用数组和 for 循环再包装一下就是:
async function randomDelay(id) {
// 延迟 0~1000 毫秒
const delay = Math.random() * 1000;
return new Promise((resolve) => setTimeout(() => {
console.log(`${id} finished`);
resolve();
}, delay));
}
async function foo() {
const t0 = Date.now();
const promises = Array(5).fill(null).map((_, i) => randomDelay(i));
for (const p of promises) {
await p;
}
console.log(`${Date.now() - t0}ms elapsed`);
}
foo();
// 4 finished
// 2 finished
// 1 finished
// 0 finished
// 3 finished
// 877ms elapsed
注意,虽然期约没有按照顺序执行,但 await 按顺序收到了每个期约的值:
async function randomDelay(id) {
// 延迟 0~1000 毫秒
const delay = Math.random() * 1000;
return new Promise((resolve) => setTimeout(() => {
console.log(`${id} finished`);
resolve(id);
}, delay));
}
async function foo() {
const t0 = Date.now();
const promises = Array(5).fill(null).map((_, i) => randomDelay(i));
for (const p of promises) {
console.log(`awaited ${await p}`);
}
console.log(`${Date.now() - t0}ms elapsed`);
}
foo();
// 1 finished
// 2 finished
// 4 finished
// 3 finished
// 0 finished
// awaited 0
// awaited 1
// awaited 2
// awaited 3
// awaited 4
// 645ms elapsed
串行执行期约
在 11.2 节,我们讨论过如何串行执行期约并把值传给后续的期约。使用 async/await,期约连锁会变得很简单:
function addTwo(x) {return x + 2;}
function addThree(x) {return x + 3;}
function addFive(x) {return x + 5;}
async function addTen(x) {
for (const fn of [addTwo, addThree, addFive]) {
x = await fn(x);
}
return x;
}
addTen(9).then(console.log); // 19
这里,await 直接传递了每个函数的返回值,结果通过迭代产生。当然,这个例子并没有使用期约, 如果要使用期约,则可以把所有函数都改成异步函数。这样它们就都返回期约了: 8
async function addTwo(x) {return x + 2;}
async function addThree(x) {return x + 3;}
async function addFive(x) {return x + 5;}
async function addTen(x) {
for (const fn of [addTwo, addThree, addFive]) {
x = await fn(x);
}
return x;
}
addTen(9).then(console.log); // 19
栈追踪与内存管理
期约与异步函数的功能有相当程度的重叠,但它们在内存中的表示则差别很大。看看下面的例子, 它展示了拒绝期约的栈追踪信息:
function fooPromiseExecutor(resolve, reject) {
setTimeout(reject, 1000, 'bar');
}
function foo() {
new Promise(fooPromiseExecutor);
}
foo();
// Uncaught (in promise) bar
// setTimeout
// setTimeout (async)
// fooPromiseExecutor
// foo
根据对期约的不同理解程度,以上栈追踪信息可能会让某些读者不解。栈追踪信息应该相当直接地 表现 JavaScript 引擎当前栈内存中函数调用之间的嵌套关系。在超时处理程序执行时和拒绝期约时,我 们看到的错误信息包含嵌套函数的标识符,那是被调用以创建最初期约实例的函数。可是,我们知道这 些函数已经返回了,因此栈追踪信息中不应该看到它们。
答案很简单,这是因为 JavaScript 引擎会在创建期约时尽可能保留完整的调用栈。在抛出错误时, 调用栈可以由运行时的错误处理逻辑获取,因而就会出现在栈追踪信息中。当然,这意味着栈追踪信息 会占用内存,从而带来一些计算和存储成本。
如果在前面的例子中使用的是异步函数,那又会怎样呢?比如:
function fooPromiseExecutor(resolve, reject) {
setTimeout(reject, 1000, 'bar');
}
async function foo() {
await new Promise(fooPromiseExecutor);
}
foo();
// Uncaught (in promise) bar
// foo
// async function (async)
// foo
这样一改,栈追踪信息就准确地反映了当前的调用栈。fooPromiseExecutor()已经返回,所以 它不在错误信息中。但 foo()此时被挂起了,并没有退出。JavaScript 运行时可以简单地在嵌套函数中 存储指向包含函数的指针,就跟对待同步函数调用栈一样。这个指针实际上存储在内存中,可用于在出错时生成栈追踪信息。这样就不会像之前的例子那样带来额外的消耗,因此在重视性能的应用中是可以 优先考虑的。
小结
长期以来,掌握单线程 JavaScript 运行时的异步行为一直都是个艰巨的任务。随着 ES6 新增了期约和 ES8 新增了异步函数,ECMAScript 的异步编程特性有了长足的进步。通过期约和 async/await,不仅 可以实现之前难以实现或不可能实现的任务,而且也能写出更清晰、简洁,并且容易理解、调试的代码。
期约的主要功能是为异步代码提供了清晰的抽象。可以用期约表示异步执行的代码块,也可以用期 约表示异步计算的值。在需要串行异步代码时,期约的价值最为突出。作为可塑性极强的一种结构,期约可以被序列化、连锁使用、复合、扩展和重组。
异步函数是将期约应用于 JavaScript 函数的结果。异步函数可以暂停执行,而不阻塞主线程。无论 是编写基于期约的代码,还是组织串行或平行执行的异步代码,使用异步函数都非常得心应手。异步函数可以说是现代 JavaScript 工具箱中最重要的工具之一。
关于本文 作者:@李松峰 原文:https://mp.weixin.qq.com/s/kIrGqSpd1ZnIRhB0o49_ag
@李松峰老师曾分享过
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