【JS】239-浅析JavaScript异步

一直以来都知道 JavaScript是一门单线程语言,在笔试过程中不断的遇到一些输出结果的问题,考量的是对异步编程掌握情况。一般被问到异步的时候脑子里第一反应就是 AjaxsetTimseout...这些东西。在平时做项目过程中,基本大多数操作都是异步的。 JavaScript异步都是通过回调形式完成的,开发过程中一直在处理回调,可能不知不觉中自己就已经处在 回调地狱中。

浏览器线程

在开始之前简单的说一下浏览器的线程,对浏览器的作业有个基础的认识。之前说过 JavaScript是单线程作业,但是并不代表浏览器就是单线程的。

JavaScript引擎中负责解析和执行 JavaScript代码的线程只有一个。但是除了这个主进程以外,还有其他很多辅助线程。那么诸如 onclick回调, setTimeoutAjax这些都是怎么实现的呢?即浏览器搞了几个其他线程去辅助 JavaScript线程的运行。

浏览器有很多线程,例如:

  1. GUI渲染线程 - GUI渲染线程处于挂起状态的,也就是冻结状态
  2. JavaScript引擎线程 - 用于解析JavaScript代码
  3. 定时器触发线程 - 浏览器定时计数器并不是 js引擎计数
  4. 浏览器事件线程 - 用于解析BOM渲染等工作
  5. http线程 - 主要负责数据请求
  6. EventLoop轮询处理线程 - 事件被触发时该线程会把事件添加到待处理队列的队尾
  7. 等等等

从上面来看可以得出,浏览器其实也做了很多事情,远远的没有想象中的那么简单,上面这些线程中 GUI渲染线程, JavaScript引擎线程, 浏览器事件线程是浏览器的常驻线程。

当浏览器开始解析代码的时候,会根据代码去分配给不同的辅助线程去作业。

进程

进程是指在操作系统中正在运行的一个应用程序

线程

线程是指进程内独立执行某个任务的一个单元。线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈)。

进程中包含线程,一个进程中可以有N个进程。我们可以在电脑的任务管理器中查看到正在运行的进程,可以认为一个进程就是在运行一个程序,比如用浏览器打开一个网页,这就是开启了一个进程。但是比如打开3个浏览器,那么就开启了3个进程。

同步&异步

既然要了解同步异步当然要简单的说一下同步和异步。说到同步和异步最有发言权的真的就属 Ajax了,为了让例子更加明显没有使用 Ajax举例。(●ˇ∀ˇ●)

同步

同步会逐行执行代码,会对后续代码造成阻塞,直至代码接收到预期的结果之后,才会继续向下执行。

console.log(1);
alert("同步");
console.log(2);

//  结果:
//  1
//  同步
//  2

异步

如果在函数返回的时候,调用者还不能够得到预期结果,而是将来通过一定的手段得到结果(例如回调函数),这就是异步。

console.log(1);
setTimeout(() =## {
   alert("异步"); 
},0);
console.log(2);

//  结果:
//  1
//  2
//  异步

为什么JavaScript要采用异步编程

一开始就说过, JavaScript是一种单线程执行的脚本语言(这可能是由于历史原因或为了简单而采取的设计)。它的单线程表现在任何一个函数都要从头到尾执行完毕之后,才会执行另一个函数,界面的更新、鼠标事件的处理、计时器( setTimeout、setInterval等)的执行也需要先排队,后串行执行。假如有一段 JavaScript从头到尾执行时间比较长,那么在执行期间任何 UI更新都会被阻塞,界面事件处理也会停止响应。这种情况下就需要异步编程模式,目的就是把代码的运行打散或者让 IO调用(例如 AJAX)在后台运行,让界面更新和事件处理能够及时地运行。

JavaScript语言的设计者意识到,这时主线程完全可以不管 IO设备,挂起处于等待中的任务,先运行排在后面的任务。等到 IO设备返回了结果,再回过头,把挂起的任务继续执行下去。

异步运行机制:

  1. 所有同步任务都在主线程上执行,形成一个执行栈。
  2. 主线程之外,还存在一个 任务队列。只要异步任务有了运行结果,就在 任务队列之中放置一个事件。
  3. 一旦 执行栈中的所有同步任务执行完毕,系统就会读取 任务队列,看看里面有哪些事件。那些对应的异步任务,于是结束等待状态,进入执行栈,开始执行。
  4. 主线程不断重复上面的第三步。

举个例子:

<button onclick="updateSync()">同步</button>
<button onclick="updateAsync()">异步</button>
<div id="output"></div>
<script>
function updateSync() {
  for (var i = 0; i < 1000000; i++) {
    document.getElementById('output').innerHTML = i;
  }
}
function updateAsync() {
  var i = 0;
  function updateLater() {
    document.getElementById('output').innerHTML = (i++);
    if (i < 1000000) {
      setTimeout(updateLater, 0);
    }
  }
  updateLater();
}
</script>

点击 同步按钮会调用 updateSync的同步函数,逻辑非常简单,循环体内每次更新 output结点的内容为 i。如果在其他多线程模型下的语言,你可能会看到界面上以非常快的速度显示从 0999999后停止。但是在 JavaScript中,你会感觉按钮按下去的时候卡了一下,然后看到一个最终结果 999999,而没有中间过程,这就是因为在 updateSync函数运行过程中 UI更新被阻塞,只有当它结束退出后才会更新 UI。反之,当点击 异步的时候,会明显的看到 Dom在逐步更新的过程。

从上面的例子中可以明显的看出,异步编程对于 JavaScript来说是多么多么的重要。

异步编程有什么好处

从编程方式来讲当然是同步编程的方式更为简单,但是同步有其局限性一是假如是单线程那么一旦遇到阻塞调用,会造成整个线程阻塞,导致 cpu无法得到有效利用,而浏览器的 JavaScript执行和浏览器渲染是运行在单线程中,一旦遇到阻塞调用不仅意味 JavaScript的执行被阻塞更意味整个浏览器渲染也被阻塞这就导致界面的卡死,若是多线程则不可避免的要考虑互斥和同步问题,而互斥和同步带来复杂度也很大,实际上浏览器下因为同时只能执行一段 JavaScript代码这意味着不存在互斥问题,但是同步问题仍然不可避免,以往回调风格中异步的流程控制(其实就是同步问题)也比较复杂。浏览器端的编程方式也即是 GUI编程,其本质就是事件驱动的(鼠标点击, Http请求结束等)异步编程更为自然。

突然有个疑问,既然如此为什么 JavaScript没有使用多线程作业呢?就此就去 Google了一下 JavaScript多线程,在 HTML5推出之后是提供了多线程只是比较局限。在使用多线程的时候无法使用 window对象。若 JavaScript使用多线程,在 A线程中正在操作 DOM,但是 B线程中已经把该 DOM已经删除了(只是简单的小栗子,可能还有很多问题,至于这些历史问题无从考究了)。会给编程作业带来很大的负担。就我而言我想这也就说明了为什么 JavaScript没有使用异步编程的原因吧。

异步与回调

回调到底属于异步么?会想起刚刚开始学习 JavaScript的时候常常吧这两个概念混合在一起。在搞清楚这个问题,首先要明白什么是回调函数。

百科:回调函数是一个函数,它作为参数传递给另一个函数,并在父函数完成后执行。回调的特殊之处在于,出现在“父类”之后的函数可以在回调执行之前执行。另一件需要知道的重要事情是如何正确地传递回调。这就是我经常忘记正确语法的地方。

通过上面的解释可以得出,回调函数本质上其实就是一种设计模式,例如我们熟悉的 JQuery也只不过是遵循了这个设计原则而已。在 JavaScript中,回调函数具体的定义为:函数 A作为参数(函数引用)传递到另一个函数 B中,并且这个函数 B执行函数 A。我们就说函数 A叫做回调函数。如果没有名称(函数表达式),就叫做匿名回调函数。

简单的举个小例子:

function test (n,fn){
    console.log(n);
    fn && fn(n);
}
console.log(1);
test(2);
test(3,function(n){
    console.log(n+1)
});
console.log(5)

//  结果
//  1
//  2
//  3
//  4
//  5

通过上面的代码输出的结果可以得出回调函数不一定属于异步,一般同步会阻塞后面的代码,通过输出结果也就得出了这个结论。回调函数,一般在同步情境下是最后执行的,而在异步情境下有可能不执行,因为事件没有被触发或者条件不满足。

回调函数应用场景

  1. 资源加载:动态加载js文件后执行回调,加载iframe后执行回调,ajax操作回调,图片加载完成执行回调,AJAX等等。
  2. DOM事件及Node.js事件基于回调机制(Node.js回调可能会出现多层回调嵌套的问题)。
  3. setTimeout的延迟时间为0,这个hack经常被用到,settimeout调用的函数其实就是一个callback的体现
  4. 链式调用:链式调用的时候,在赋值器(setter)方法中(或者本身没有返回值的方法中)很容易实现链式调用,而取值器(getter)相对来说不好实现链式调用,因为你需要取值器返回你需要的数据而不是this指针,如果要实现链式方法,可以用回调函数来实现。
  5. setTimeout、setInterval的函数调用得到其返回值。由于两个函数都是异步的,即:调用时序和程序的主流程是相对独立的,所以没有办法在主体里面等待它们的返回值,它们被打开的时候程序也不会停下来等待,否则也就失去了setTimeout及setInterval的意义了,所以用return已经没有意义,只能使用callback。callback的意义在于将timer执行的结果通知给代理函数进行及时处理。

JavaScript中的那些异步操作

JavaScript既然有很多的辅助线程,不可能所有的工作都是通过主线程去做,既然分配给辅助线程去做事情。

XMLHttpRequest

XMLHttpRequest对象应该不是很陌生的,主要用于浏览器的数据请求与数据交互。 XMLHttpRequest对象提供两种请求数据的方式,一种是 同步,一种是 异步。可以通过参数进行配置。默认为异步。

对于 XMLHttpRequest这里就不作太多的赘述了。

var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.open("GET", url, false);    //同步方式请求 
xhr.open("GET", url, true);     //异步
xhr.send();

同步 Ajax请求:

当请求开始发送时, 浏览器事件线程通知 主线程,让 Http线程发送数据请求,主线程收到请求之后,通知 Http线程发送请求, Http线程收到 主线程通知之后就去请求数据,等待服务器响应,过了 N年之后,收到请求回来的数据,返回给 主线程数据已经请求完成, 主线程把结果返回给了 浏览器事件线程,去完成后续操作。

异步 Ajax请求:

当请求开始发送时, 浏览器事件线程通知, 浏览器事件线程通知 主线程,让 Http线程发送数据请求,主线程收到请求之后,通知 Http线程发送请求, Http线程收到 主线程通知之后就去请求数据,并通知 主线程请求已经发送, 主进程通知 浏览器事件线程已经去请求数据,则 浏览器事件线程,只需要等待结果,并不影响其他工作。

setInterval&setTimeout

setIntervalsetTimeout同属于异步方法,其异步是通过回调函数方式实现。其两者的区别则 setInterval会连续调用回调函数,则 setTimeout会延时调用回调函数只会执行一次。

setInterval(() =## {
    alert(1)
},2000)
//  每隔2s弹出一次1
setTimeout(() =## {
    alert(2)
},2000)
//  进入页面后2s弹出2,则不会再次弹出

requestAnimationFarme

requestAnimationFrame字面意思就是去请求动画帧,在没有 API之前都是基于 setInterval,与 setInterval相比, requestAnimationFrame最大的优势是由系统来决定回调函数的执行时机。具体一点讲,如果屏幕刷新率是 60Hz,那么回调函数就每 16.7ms被执行一次,如果刷新率是 75Hz,那么这个时间间隔就变成了 1000/75=13.3ms,换句话说就是, requestAnimationFrame的步伐跟着系统的刷新步伐走。它能保证回调函数在屏幕每一次的刷新间隔中只被执行一次,这样就不会引起丢帧现象,也不会导致动画出现卡顿的问题。

举个小例子:

var progress = 0;
//回调函数
function render() {
    progress += 1; //修改图像的位置
    if (progress < 100) {
        //在动画没有结束前,递归渲染
        window.requestAnimationFrame(render);
    }
}
//第一帧渲染
window.requestAnimationFrame(render);

Object.observe - 观察者

Object.observe是一个提供数据监视的 API,在 chrome中已经可以使用。是 ECMAScript 7 的一个提案规范,官方建议的是 谨慎使用级别,但是个人认为这个 API非常有用,例如可以对现在流行的 MVVM框架作一些简化和优化。虽然标准还没定,但是标准往往是滞后于实现的,只要是有用的东西,肯定会有越来越多的人去使用,越来越多的引擎会支持,最终促使标准的生成。从 observe字面意思就可以知道,这玩意儿就是用来做观察者模式之类。

var obj = {a: 1};
Object.observe(obj, output);
obj.b = 2;
obj.a = 2;
Object.defineProperties(obj, {a: { enumerable: false}}); //修改属性设定
delete obj.b;
function output(change) {
    console.log(1)
}

Promise

Promise是对异步编程的一种抽象。它是一个代理对象,代表一个必须进行异步处理的函数返回的值或抛出的异常。也就是说 Promise对象代表了一个异步操作,可以将异步对象和回调函数脱离开来,通过 then方法在这个异步操作上面绑定回调函数。

在Promise中最直观的例子就是 Promise.all统一去请求,返回结果。

var p1 = Promise.resolve(3);
var p2 = 42;
var p3 = new Promise(function(resolve, reject) {
  setTimeout(resolve, 100, 'foo');
});
Promise.all([p1, p2, p3]).then(function(values) {
  console.log(values);
});
// expected output: Array [3, 42, "foo"]

Generator&Async/Await

ES6Generator却给异步操作又提供了新的思路,马上就有人给出了如何用 Generator来更加优雅的处理异步操作。 Generator函数是协程在 ES6的实现,最大特点就是可以交出函数的执行权(即暂停执行)。整个 Generator函数就是一个封装的异步任务,或者说是异步任务的容器。异步操作需要暂停的地方,都用yield语句注明。 Generator函数的执行方法如下。

function * greneratorDome(){
    yield "Hello";
    yield "World";
    return "Ending";
}
let grenDome = greneratorDome();
console.log(grenDome.next());
// {value: "Hello", done: false}
console.log(grenDome.next());
// {value: "World", done: false}
console.log(grenDome.next());
// {value: "Ending", done: true}
console.log(grenDome.next());
// {value: undefined, done: true}

粗略实现 Generator

function makeIterator(array) {
  var nextIndex = 0;
  return {
    next: function() {
      return nextIndex < array.length ?
        {value: array[nextIndex++], done: false} :
        {value: undefined, done: true};
    }
  };
}
var it = makeIterator(['a', 'b']);
it.next() // { value: "a", done: false }
it.next() // { value: "b", done: false }
it.next() // { value: undefined, done: true }

Async/AwaitGenerator类似, Async/awaitJavascript编写异步程序的新方法。以往的异步方法无外乎回调函数和 Promise。但是 Async/await建立于Promise之上,个人理解是使用了 Generator函数做了语法糖。 async函数就是隧道尽头的亮光,很多人认为它是异步操作的终极解决方案。

function a(){
    return new Promise((resolve,reject) =## {
        console.log("a函数")
        resolve("a函数")
    })
}
function b (){
    return new Promise((resolve,reject) =## {
        console.log("b函数")
        resolve("b函数")
    })
}
async function dome (){
    let A = await a();
    let B = await b();
    return Promise.resolve([A,B]);
}
dome().then((res) =## {
    console.log(res);
});

Node.js异步I/O

当我们发起 IO请求时,调用的是各个不同平台的操作系统内部实现的线程池内的线程。这里的 IO请求可不仅仅是读写磁盘文件,在 *nix中,将计算机抽象了一层,磁盘文件、硬件、套接字等几乎所有计算机资源都被抽象为文件,常说的 IO请求就是抽象后的文件。完成 Node整个异步 IO环节的有事件循环、观察者、请求对象。

事件循环机制

单线程就意味着,所有任务需要排队,前一个任务结束,才会执行后一个任务。如果前一个任务耗时很长,后一个任务就不得不一直等着。于是就有一个概念,任务队列。如果排队是因为计算量大, CPU忙不过来,倒也算了,但是很多时候 CPU是闲着的,因为 IO设备(输入输出设备)很慢(比如 Ajax操作从网络读取数据),不得不等着结果出来,再往下执行。

事件循环是 Node的自身执行模型,正是事件循环使得回调函数得以在 Node中大量的使用。在进程启动时 Node会创建一个 while(true)死循环,这个和 Netty也是一样的,每次执行循环体,都会完成一次 Tick。每个 Tick的过程就是查看是否有事件等待被处理。如果有,就取出事件及相关的回调函数,并执行关联的回调函数。如果不再有事件处理就退出进程。

线程只会做一件事情,就是从事件队列里面取事件、执行事件,再取事件、再事件。当消息队列为空时,就会等待直到消息队列变成非空。而且主线程只有在将当前的消息执行完成后,才会去取下一个消息。这种机制就叫做事件循环机制,取一个消息并执行的过程叫做一次循环。

while(true) {
    var message = queue.get();
    execute(message);
}

我们可以把整个事件循环想象成一个事件队列,在进入事件队列时开始对事件进行弹出操作,直至事件为 0为止。

process.nextTick

process.nextTick()方法可以在当前"执行栈"的尾部-->下一次 EventLoop(主线程读取"任务队列")之前-->触发 process指定的回调函数。也就是说,它指定的任务总是发生在所有异步任务之前,当前主线程的末尾。( nextTick虽然也会异步执行,但是不会给其他 io事件执行的任何机会);

process.nextTick(function A() {
  console.log(1);
  process.nextTick(function B(){console.log(2);});
});
setTimeout(function C() {
  console.log(3');
}, 0);
// 1
// 2
// 3

异步过程的构成要素

异步函数实际上很快就调用完成了,但是后面还有工作线程执行异步任务,通知主线程,主线程调用回调函数等很多步骤。我们把整个过程叫做异步过程,异步函数的调用在整个异步过程中只是一小部分。

一个异步过程的整个过程:主线程发一起一个异步请求,相应的工作线程接收请求并告知主线程已收到通知(异步函数返回);主线程可以继续执行后面的代码,同时工作线程执行异步任务;工作线程完成工作后,通知主线程;主线程收到通知后,执行一定的动作(调用回调函数)。

它可以叫做异步过程的发起函数,或者叫做异步任务注册函数。 args是这个函数需要的参数, callbackFn(回调函数)也是这个函数的参数,但是它比较特殊所以单独列出来。所以,从主线程的角度看,一个异步过程包括下面两个要素:

  1. 发起函数;
  2. 回调函数callbackFn

它们都是主线程上调用的,其中注册函数用来发起异步过程,回调函数用来处理结果。

举个具体的栗子:

setTimeout(function,1000);

其中 setTimeout就是异步过程的发起函数, function是回调函数。

注:前面说得形式 A(args...,callbackFn)只是一种抽象的表示,并不代表回调函数一定要作为发起函数的参数,例如:

var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.onreadystatechange = xxx;
xhr.open('GET', url);
xhr.send();

总结

JavaScript的异步编程模式不仅是一种趋势,而且是一种必要,因此作为 HTML5开发者是非常有必要掌握的。采用第三方的异步编程库和异步同步化的方法,会让代码结构相对简洁,便于维护,推荐开发人员掌握一二,提高团队开发效率。

本文分享自微信公众号 - 前端自习课(FE-study)

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原始发表时间:2019-05-27

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