【JavaScript】吃饱了撑的系列之JavaScript模拟多线程并发

啦啦啦321

发布于 2019-09-27 21:37:55

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发布于 2019-09-27 21:37:55

前言

最近，明学是一个火热的话题，而我，却也想当那么一回明学家，那就是，把JavaScript和多线程并发这两个八竿子打不找的东西，给硬凑了起来，还写了一个并发库concurrent-thread-js。尴尬的是，当我发现其中的不合理之处，即这个东东的应用场景究竟是什么时，我发现我已经把代码写完了。

⚠️注意！本文中的线程指的都是用JS异步函数模拟的“假线程”，不是真正意义上的多线程，请不要误解⚠️

github地址

https://github.com/penghuwan/concurrent-thread.js

本文的目的

事实上，这个库用处很小，但是在写的过程中，我对Promise,Async函数以及event事件流的使用产生了新的认识，同时也逐渐去学习和了解怎么去从零开始去写一个非业务的，通用的npm模块，所以希望拿出来和大家分享一下，这才是本文的真正的目的。

好，我们从一个故事开始。

场景一

场景二

github地址

https://github.com/penghuwan/concurrent-thread.jsgithub.com

注意！倘若不考虑webworker这种解决方案，我们一般都认为JS是单线程的。

concurrent-thread-js功能简介

为单线程的JavaScript实现并发协调的功能，语意，命名和作用性质上参考Java的实现，提sleep/join/interupt等API以及锁和条件变量等内容，并提供线程间通信的功能，依赖ES6语法，基于Promise和Async函数实现，故需要Babel编译才能运行。JavaScrpt本来就是单线程的，所以这只是在API的层面实现了模拟，在下文的介绍中，每条所谓的线程其实就是普通的异步函数，并在此基础上实现不同线程的协调配合。

为什么不选用webworker实现？

没错，一般来说JS中模拟多线程我们也许会选用webworker，但是它必须要求你手动创建额外的webworker脚本文件，并通过new work('work.js')这种方式使用，这并不能达到我项目中想要的API的效果，而且注意：webwork中的环境不是window!很多方法你调用不了的。你只能采取这种方案，也即在主线程完成该功能，这是我没有选择webworker的另一个原因。

说是这样说，但其实在大多数时候还是用webworker就够了

什么时候使用concurrent-thread-js

这个问题真是灵魂拷问，可是既然代码写都写了，我怎么也得编一个理由出来啊！额。。。让我想想哈

它的作用是：当JS工程需要让两个函数在执行上不互相干扰，同时也不希望它们会阻塞主线程，与此同时，还希望这两个函数实现类似并发多线程之间的协调的需求的时候，你可以使用这个并发模拟库，实际上这种应用场景。。。这尼玛有这种应用场景吗？！（扎心了呀）。

API总览

submit(function,[namespace]): 接收一个函数，普通函数或Async函数均可，并异步执行"线程"
sleep(ms): "线程"休眠,可指定休眠时间ms,以毫秒计算
join(threadName): "线程"同步，调用此方法的"线程"函数将在threadName执行结束后继续执行
interupt(threadName): "线程"中断，影响"线程"内部调this.isInterrupted()的返回值
Lock.lock: 加锁，一个时刻只能有一个"线程"函数进入临界区，其他"线程"函数需要等待，锁是非公平的，也就是说后面排队的线程函数没有先后，以随机的方式进行竞争。
Lock.unlock:解除非公平锁
Condition.wait:不具备执行条件，"线程"进入waiting状态，等待被唤醒
Condition.notify:随机唤醒一个wait的"线程"
Condition.notifyAll: 尚未编写，唤醒所有wait的"线程"
getState: 还没写完获取"线程"状态，包括RUNNALE(运行),WAITING（等待）,BLOCKED（阻塞）,TERMINATED（终止）

三个类:ThreadPool,Lock和Condition

我们的API分别写入三个类中，分别是

ThreadPool类：包含submit/sleep/join/interrupt/getState方法
Lock类：包含Lock.lock和Lock.unLock方法
Condition类：包含Condition.wait和Condition.notify方法

注：以下所说的"线程"都是指JS中模拟的异步函数

A1.submit方法

submit模拟提交线程至线程池

// 备注：为循序渐进介绍，以下为简化代码
// 存储每个线程函数的状态，例如是否中断，以及线程状态等
const threadMap = {};

class ThreadPool {
    // 模拟线程中断
    interrupt(threadName) {   }
    // 模拟线程同步
    join(threadName, targetThread) {   }
    // 模拟线程休眠
    sleep(ms) { }
};
function submit(func, name) {
    if (!func instanceof Function) return;
    // 方式1：传入一个具名函数；方式2：传入第二个参数，即线程命名空间
    const threadName = func.name || name;
    // threadMap负责存储线程状态数据
    threadMap[threadName] = { state: RUNNABLE, isInterrupted: false };
    // 让func异步调用，同时将传入函数的作用域绑定为 ThreadPool原型
    Promise.resolve({
        then: func.bind(ThreadPool.prototype);
   })
}

首先，我们做了三件事情：

获取线程函数的命名空间，并初始化线程初始数据，不同线程状态由threadMap全局存储
将提交的函数func作为Promise.resolve方法中的一个thenable对象的then参数，这相当于立即"完成"一个Promise，同时在then方法中执行func，func会以异步而不是同步的方式进行执行，你也可以简单的理解成类似于执行了setTimeOut(func,0)；
将func的作用域绑定为新生成的ThreadPool实例，ThreadPool中定义了我们上面我们介绍到的方法，如sleep/join/interupt等，这有什么好处呢？这意味着我们可以直接在函数中通过调用this.interrupt的方式去调用我们定义的API了，符合我们的使用习惯（注意,class中定义的除箭头函数外的普通函数实际上都存放在原型中）

submit(async function example() {
    this.interrupt();
});

但问题在于：现在因为所有的函数通过this调用的都是ThreadPool原型中的方法，我们要在调用唯一的interrupt方法，需要在异步函数中传入"线程"标识，如线程名。这显然不方便，也不优雅,例如下面的命名为example的线程函数

submit(async function example() {
    this.interrupt('example');
});

使用这个模块用户会感到奇怪：我明明在example函数中，为什么还要给调用方法传example这个名字参数？？难道不能在模块内部把这事情干了吗？

对！我们下面做的就是这件事情，我们编写一个delegateThreadPool方法，由它为ThreadPool代理处理不同“线程“函数的函数名

// 返回代理后的ThreadPool
function delegateThreadPool(threadName) { // threadName为待定的线程名，在submit方法调用时候传入
    // 代理后的ThreadPool
    const proxyClass = {};
    // 获取ThreadPool原来的所有的方法,赋给props数组
    var props = Object.getOwnPropertyNames(ThreadPool.prototype);
    for (let prop of props) {
        // 代理ThreadPool，为其所有方法增加threadName这个参数
        let fnName = prop;
        proxyClass[fnName] = (...args) => {
            const fn = baseClass[fnName];
            return fn(threadName, ...args);
        };
    }
    return proxyClass;
}
function submit(func, name) {
    // 省略其他代码 。。。
    const proxyScope = delegateThreadPool(threadName);
    // 让func异步调用，不阻塞主线程，同时实现并发
    Promise.resolve({
        then: function () {
            // 给func绑定this为代理后的ThreadPool对象，以便调用方法
            func.call(proxyScope);
        }
    });
}
// 调用this.sleep方法时，已经无需增加函数命名作为参数了
submit(async function example() {
    this.interrupt();
});

也就是说，我们的线程函数func绑定的已经不是ThreadPool.prototype了，而是delegateThreadPool处理后返回的对象：proxyScope。这时候，我们在“线程”函数体里调用this.interrupt方法时，已经无需增加函数命名作为参数了，因为这个工作，proxyScope对象帮我们做了，其实它的工作很简单——就是它的每个函数，都在一个返回的闭包里面调用ThreadPool的同名函数，并传递线程名作为第一个参数。

A2. sleep方法

作用：线程休眠

sleep方法很简单,无非就是返回一个Promise实例，在Promise的函数里面调setTimeOut,等时间到了执行resolve函数,这段时间里修饰Promise的await语句会阻塞一段时间，resolve后又await语句又继续向下执行了，能满足我们想要的休眠效果

// 模拟“线程”休眠
sleep(ms) {
  return new Promise(function (resolve) {
    setTimeout(resolve, ms);
  })
}
// 提交“线程”
submit(async function example() {
    // 阻塞停留3秒，然后才输出1
    await this.sleep(3000);
    console.log(1);
});

A3. interrupt方法

作用：线程中断，可用于处理线程停止等操作

这里要先介绍一下Java里面的interrupt方法：在JAVA里，你不能通过调用terminate方法停掉一个线程，因为这有可能会因为处理逻辑突然中断而导致数据不一致的问题，所以要通过interrupt方法把一个中断标志位置为true，然后通过isInterrupted方法作为判断条件跳出关键代码。

所以为了模拟，我在JS中处理“线程”中断也是这么去做的,但是我们这样做的根本原因是：我们压根没有可以停掉一个线程函数的方法！（JAVA是有但是不准用，即废弃了而已）

    // 模拟线程中断
    interrupt(threadName) {
        if (!threadName) { throw new Error('Miss function parameters') }
        if (threadMap[threadName]) {
            threadMap[threadName].isInterrupted = true;
        }
    }
    // 获取线程中断状态
    isInterrupted(threadName) {
        if (!threadName) { throw new Error('Miss function parameters') }
        // !!的作用是：将undefined转为false
        return !!threadMap[threadName].isInterrupted;
    }

A4. join方法

join(threadName): "线程"同步，调用此方法的"线程"函数将在threadName执行结束后继续执行

join方法和上面的sleep方法是一样的道理，我们让它返回一个Promise，只要我们不调resolve，那么外部修饰Promise的await语句就会一直暂停，等到join的那个另一个线程执行完了，我们看准时机！把这个Promise给resolve,这时候外部修饰Promise的await语句不就又可以向下执行了吗？

但问题在于：我们如何实现这个“一个函数执行完通知另一个函数的功能呢”？没错！那就是我们JavaScript最喜欢的套路: 事件流！我们下面使用event-emitter这个前后端通用的模块实现事件流。

我们只要在任何一个函数结束的时候触发结束事件（join-finished），同时传递该线程的函数名作为参数，然后在join方法内部监听该事件，并在响应时候调用resolve方法不就可以了嘛。

首先是在join方法内部监听线程函数的结束事件

import ee from 'event-emitter';
const emitter = ee();
// 模拟线程同步
join(threadName, targetThread) {
  return new Promise((resolve) => {
    // 监听其他线程函数的结束事件
    emitter.on('join-finished', (finishThread) => {
      // 根据结束线程的线程名finishThread做判断
      if (finishThread === targetThread) {
        resolve();
      }
    })
  })
}

同时在线程函数执行结束时触发join-finished事件，传递线程名做参数

import ee from 'event-emitter';
const emitter = ee();
function submit(func, name) {
   // ...
    Promise.resolve({
        then: func().then(() => {
          emitter.emit('join-finished', threadName);
        })
    });
}

使用如下：

submit(async function thread1 () {
  this.join('thread2');
  console.log(1);
});
submit(async function thread2 () {
  this.sleep(3000);
  console.log(2)
})
// 3s后，依次输出 2 1

A5. Lock.lock & Lock.unlock（非公平锁）

我们主要是要编写两个方法：lock和unlock方法。我们需要设置一个Boolean属性isLock

lock方法：lock方法首先会判断isLock是否为false，如果是，则代表没有线程占领临界区，那么允许该线程进入临界区，同时把isLock设置为true，不允许其他线程函数进入。其他线程进入时，由于判断isLock为true，会setTimeOut每隔一段时间递归调用判断isLock是否为false，从而以较低性能消耗的方式模拟while死循环。当它们检测到isLock为false时候，则会进入临界区，同时设置isLock为true。因为后面的线程没有先后顺序，所以这是一个非公平锁
unLock方法：unlock则是把isLock属性设置为false,解除锁定就可以了

// 这是一个非公平锁
class Lock {
    constructor() {
        this.isLock = false;
    }
    //加锁
    lock() {
        if (this.isLock) {
            const self = this;
            // 循环while死循环，不停测试isLock是否等于false
            return new Promise((resolve) => {
                (function recursion() {
                    if (!self.isLock) {
                        // 占用锁
                        self.isLock = true;
                        // 使外部await语句继续往下执行
                        resolve();
                        return;
                    }
                    setTimeout(recursion, 100);
                })();
            });
        } else {
            this.isLock = true;
            return Promise.resolve();
        }
    }
    // 解锁
    unLock() {
        this.isLock = false;
    }
}
const lockObj = new Lock();
export default lockObj;

运行示例如下：

async function commonCode() {
    await Lock.lock();
    await Executor.sleep(3000);
    Lock.unLock();
}

submit(async function example1() {
    console.log('example1 start')
    await commonCode();
    console.log('example1 end')
});
submit(async function example2() {
    console.log('example2 start')
    await commonCode();
    console.log('example2 end')
});

输出

// 立即输出
example1 start
example2 start
// 3秒后输出
example1 end
// 再3秒后输出
example2 end

A6. Condition.wait & Condition.notify（条件变量）

Condition.wait:不具备执行条件，线程进入waiting状态，等待被唤醒
Condition.notify: 唤醒线程

对不起！写到这里，我实在是口干舌燥，写不下去了，但是道理和前面是一样的：

无非是：事件监听 + Promise + Async函数组合拳，一套搞定

import ee from 'event-emitter';
const ev = ee();

class Condition {
    constructor() {
        this.n = 0;
        this.list = [];
    }
    // 当不满足条件时，让线程处于等待状态
    wait() {
        return new Promise((resolve) => {
            const eventName = `notify-${this.n}`;
            this.n++;
            const list = this.list;
            list.push(eventName);
            ev.on(eventName, () => {
                // 从列表中删除事件名
                const i = list.indexOf(eventName);
                list.splice(i, 1);
                // 让外部函数恢复执行
                debugger;
                resolve();
            })
        })
    }
    // 选择一个线程唤醒
    notify() {
        const list = this.list;
        let i = Math.random() * (this.list.length - 1);
        i = Math.floor(i);
        ev.emit(list[i])
    }
}

测试代码

async function testCode() {
    console.log('i will be wait');
    if (true) {
        await Condition.wait();
    };
    console.log('i was notified ');
}

submit(async function example() {
    testCode();
    setTimeout(() => {
        Condition.notify();
    }, 3000);
});

输出

i will be wait
// 3秒后输出
i was notified

最后的大总结

其实说到底，我想和大家分享的不是什么并发啊，什么多线程啦。

其实我想表达的是：事件监听 + Promise + Async函数这套组合拳很好用啊

你想让一段代码停一下？OK!写个返回Promise的函数，用await修饰，它就停啦！
你想控制它(await)不要停了，继续往下走？OK! 把Promise给resolve掉，它就往下走啦
你说你不知道怎么控制它停，因为监听和发射事件的代码分布在两个地方？OK！那就使用事件流

本文完，下面是全部项目代码（刚写了文章才发现有bug，待会改改）

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原始发表：2019-09-08 ，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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