Javascript编程语言

Async Programing in JavaScript

本文从异步风格讲起,分析JavaScript中异步变成的技巧、问题和解决方案。具体的,从回调造成的问题说起,并谈到了利用事件、Promise、Generator等技术来解决这些问题。

异步之殇

non-blocking无限好?

异步,是没有线程模型的JavaScript的救命稻草。说得高大上一些,就是运用了Reactor设计模式1

JavaScript的一切都是围绕着“异步”二子的。无论是浏览器环境,还是node环境,大多数API都是通过“事件”来将请求(或消息、调用)和返回值(或结果)分离。而“事件”,都离不开回调(Callback),例如,

var fs = require("fs");
fs.readFile(__filename, function(e, data) {
    console.log("2. in callback");
});
console.log("1. after invoke");

fs模块封装了复杂的IO模块,其调用结果是通过一个简单的callback告诉调用者的。看起来是十分不错的,我们看看Ruby的EventMachine

require "em-files"

EM::run do
  EM::File::open(__FILE__, "r") do |io|
    io.read(1024) do |data|
      puts data
      io.close
    end
    EM::stop
  end
end

由于Ruby的标准库里面的API全是同步的,异步的只有类似EventMachine这样的第三方API才能提供支持。实际风格上,两者类似,就我们这个例子来说,JavaScript的版本似乎更加简洁,而且不需要添加额外的第三方模块。

异步模式,相比线程模式,损耗更小,在部分场景性能甚至比Java更好2。并且,non-blocking的API是node默认的,这使nodejs和它的异步回调大量应用。

例如,我们想要找到当前目录中所有文件的尺寸:

fs.readdir(__dirname, function(e, files) {//callback 1
    if(e) {
        return console.log(e);
    }
    dirs.forEach(function(file) {//callback 2
        fs.stat(file, function(e, stats) {//callback 3
            if(e) {
                return console.log(e);
            }
            if(stats.isFile()) {
                console.log(stats.size);
            }
        });
    });
});

非常简单的一个任务便造成了3层回调。在node应用爆发的初期,大量的应用都是在这样的风格中诞生的。显然,这样的代码风格有如下风险:

  1. 代码难以阅读、维护:嵌套多层回调之后,作者自己都不清楚函数层次了。
  2. 潜在的调用堆栈消耗:JavaScript中,远比你想像的简单去超出最大堆栈。不少第三方模块并没有做到异步调用,却装作支持回调,堆栈的风险就更大。
  3. 还想更遭么?前两条就够了……

不少程序员,因为第一条而放弃nodejs,甚至放弃JavaScript。而关于第二条,各种隐性bug的排除和性能损耗的优化工作在向程序员招手。

等等,你说我一直再说node,没有提及浏览器中的情况?我们来看个例子:

/*glboal $ */
// we have jquery in the `window`
$("#sexyButton").on("click", function(data) {//callback 1
    $.getJSON("/api/topcis", function(data) {//callback 2
        var list = data.topics.map(function(t) {
            return t.id + ". " + t.title + "\n";
        });
        var id = confirm("which topcis are you interested in? Select by ID : " + list);
        $.getJSON("/api/topics/" + id, function(data) {//callback 3
            alert("Detail topic: " + data.content);
        });
    });

});

我们尝试获取一个文章列表,然后给予用户一些交互,让用户选择希望详细了解的一个文章,并继续获取文章详情。这个简单的例子,产生了3个回调。

事实上,异步的性质是JavaScript语言本身的固有风格,跟宿主环境无关。所以,回调漫天飞造成的问题是JavaScript语言的共性。

解决方案

Evented

JavaScript程序员也许是最有创造力的一群程序员之一。对于回调问题,最终有了很多解决方案。最自然想到的,便是利用事件机制。

还是之前加载文章的场景:

var TopicController = new EventEmitter();

TopicController.list = function() {//a simple wrap for ajax request
    $.getJSON("/api/topics", this.notify("topic:list"));
    return this;
};

TopicController.show = function(id) {//a simple wrap for ajax request
    $.getJSON("/api/topics/" + id, this.notify("topic:show", id));
    return this;
};

TopicController.bind = function() {//bind DOM events
    $("#sexyButton").on("click", this.run.bind(this));
    return this;
};

TopicController._queryTopic = function(data) {
    var list = data.topics.map(function(t) {
        return t.id + ". " + t.title + "\n";
    });
    var id = confirm("which topcis are you interested in? Select by ID : " + list);
    this.show(id).listenTo("topic:show", this._showTopic);
};

TopicController._showTopic = function(data) {
    alert(data.content);
};

TopicController.listenTo = function(eventName, listener) {//a helper method to `bind`
    this.on(eventName, listener.bind(this));
};

TopicController.notify = function(eventName) {//generate a notify callback internally
    var self = this, args;
    args = Array.prototype.slice(arguments, 1);
    return function(data) {
        args.unshift(data);
        args.unshift(eventName);
        self.emit.apply(self, args);
    };
};

TopicController.run = function() {
    this.list().lisenTo("topic:list", this._queryTopic);
};

// kickoff
$(function() {
    TopicController.run();
});

可以看到,现在这种写法B格就高了很多。各种封装、各种解藕。首先,除了万能的jQuery,我们还依赖EventEmitter,这是一个观察者模式的实现3,比如asyncly/EventEmitter2。简单的概括一下这种风格:

  1. 杜绝了大部分将匿名函数用作回调的场景,达到零嵌套,代码简介明了
  2. 每个状态(或步骤)之间,利用事件机制进行关联
  3. 每个步骤都相互独立,方便日后维护

如果你硬要挑剔的话,也有缺点;

  1. 由于过度分离,整体流程模糊
  2. 代码量激增,又加大了另一种维护成本

高阶函数

利用高阶函数,可以顺序、并发的将函数递归执行。

我们可以编写一个高阶函数,让传入的函数顺序执行:

var runInSeries = function(ops, done) {
    var i = 0, next;
    next = function(e) {
        if(e) {
            return done(e);
        }
        var args = Array.prototype.slice.call(arguments, 1);
        args.push(next);
        ops[0].apply(null, args);
    };
    next();
};

还是我们之前的例子:

var list = function(next) {
    $.getJSON("/api/topics", function(data) { next(null, data); });
};

var query = function(data, next) {
    var list = data.topics.map(function(t) {
        return t.id + ". " + t.title + "\n";
    });
    var id = confirm("which topcis are you interested in? Select by ID : " + list);
    next(null, id);
};

var show = function(id, next) {
    $.getJSON("/api/topics/" + id, function(data) { next(null, data); });
};

$("#sexyButton").on("click", function() {
    runInSeries([list, query, show], function(e, detail) {
        alert(detail);
    });
});

看起来还是很不错的,简洁并且清晰,最终的代码量也没有增加。如果你喜欢这种方式,去看一下caolan/async会发现更多精彩。

Promise

A promise represents the eventual result of an asynchronous operation. The primary way of interacting with a promise is through its then method, which registers callbacks to receive either a promise’s eventual value or the reason why the promise cannot be fulfilled.

除开文绉绉的解释,Promise是一种对一个任务的抽象。Promise的相关API提供了一组方法和对象来实现这种抽象。

Promise的实现目前有很多:

虽然标准很多,但是所有的实现基本遵循如下基本规律:

笔者会在专门的文章内介绍Promise的具体机制和实现。在这里仅浅尝辄止,利用基本随处可得的jQuery来解决之前的那个小场景中的异步问题:

$("#sexyButton").on("click", function(data) {
    $.getJSON("/api/topcis").done(function(data) {
        var list = data.topics.map(function(t) {
            return t.id + ". " + t.title + "\n";
        });
        var id = confirm("which topcis are you interested in? Select by ID : " + list);
        $.getJSON("/api/topics/" + id).done(function(done) {
            alert("Detail topic: " + data.content);
        });
    });
});

很遗憾,使用Promise并没有让回调的问题好多少。在这个场景,Promise的并没有体现出它的强大之处。我们把jQuery官方文档中的例子拿出来看看:

$.when( $.ajax( "/page1.php" ), $.ajax( "/page2.php" ) ).done(function( a1, a2 ) {
  // a1 and a2 are arguments resolved for the page1 and page2 ajax requests, respectively.
  // Each argument is an array with the following structure: [ data, statusText, jqXHR ]
  var data = a1[ 0 ] + a2[ 0 ]; // a1[ 0 ] = "Whip", a2[ 0 ] = " It"
  if ( /Whip It/.test( data ) ) {
    alert( "We got what we came for!" );
  }
});

这里,同时发起了两个AJAX请求,并且将这两个Promise合并成一个,开发者只用处理这最终的一个Promise。

例如Q.jswhen.js的第三方库,可以支持更多复杂的特性。也会让你的代码风格大为改观。可以说,Promise为处理复杂流程开启了新的大门,但是也是有成本的。这些复杂的封装,都有相当大的开销6

Geneartor

ES6的Generator引入的yield表达式,让流程控制更加多变。node-fiber让我们看到了coroutine在JavaScript中的样子。

var Fiber = require('fibers');

function sleep(ms) {
    var fiber = Fiber.current;
    setTimeout(function() {
        fiber.run();
    }, ms);
    Fiber.yield();
}

Fiber(function() {
    console.log('wait... ' + new Date);
    sleep(1000);
    console.log('ok... ' + new Date);
}).run();
console.log('back in main');

但想象一下,如果每个JavaScript都有这个功能,那么一个正常JavaScript程序员的各种尝试就会被挑战。你的对象会莫名其妙的被另外一个fiber中的代码更改。

也就是说,还没有一种语法设计能让支持fiber和不支持fiber的JavaScript代码混用并且不造成混淆。node-fiber的这种不可移植性,让coroutine在JavaScript中并不那么现实7

但是yield是一种Shallow coroutines,它只能停止用户代码,并且只有在GeneratorFunction才可以用yield

笔者在另外一篇文章中已经详细介绍了如何利用Geneator来解决异步流程的问题。

利用yield实现的suspend方法,可以让我们之前的问题解决的非常简介:

$("#sexyButton").on("click", function(data) {
    suspend(function *() {
        var data = yield $.getJSON("/api/topcis");
        var list = data.topics.map(function(t) {
            return t.id + ". " + t.title + "\n";
        });
        var id = confirm("which topcis are you interested in? Select by ID : " + list);
        var detail = yield $.getJSON("/api/topics/");
        alert("Detail topic: " + detail.content);
    })();
});

为了利用yield,我们也是有取舍的:

  1. Generator的兼容性并不好,仅有新版的node和Chrome支持
  2. 需要大量重写基础框架,是接口规范化(thunkify),来支持yield的一些约束
  3. yield所产生的代码风格,可能对部分新手造成迷惑
  4. 多层yield所产生堆栈及其难以调试

结语

说了这么多,异步编程这种和线程模型迥然不同的并发处理方式,随着node的流行也让更多程序员了解其与众不同的魅力。如果下次再有C或者Java程序员说,JavaScript的回调太难看,请让他好好读一下这篇文章吧!


  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Reactor_pattern

  2. http://strongloop.com/strongblog/node-js-is-faster-than-java/

  3. en.wikipedia.org/wiki/Observer_pattern

  4. http://wiki.ecmascript.org/doku.php?id=strawman:concurrency

  5. http://promises-aplus.github.io/promises-spec/

  6. http://thanpol.as/javascript/promises-a-performance-hits-you-should-be-aware-of/

  7. http://calculist.org/blog/2011/12/14/why-coroutines-wont-work-on-the-web/