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理解javascript異步編程
編輯:關於JavaScript     

一、異步機制

JavaScript的執行環境是單線程的,單線程的好處是執行環境簡單,不用去考慮諸如資源同步,死鎖等多線程阻塞式編程等所需要面對的惱人的問題。但帶來的壞處是當一個任務執行時間較長時,後面的任務會等待很長時間。在浏覽器端就會出現浏覽器假死,鼠標無法響應等情況。所以在浏覽器端,耗時很長的操作都應該異步執行,避免浏覽器失去響應。所謂異步執行,不同於同步執行(程序的執行順序與任務的排列順序是一致的、同步的),每一個任務有一個或多個回調函數(callback),前一個任務結束後,不是執行後一個任務,而是執行回調函數,後一個任務則是不等前一個任務結束就執行,所以程序的執行順序與任務的排列順序是不一致的、異步的。既然Javascript是單線程的,那它又如何能夠異步的執行呢?

二、Javascript線程模型和事件驅動

JavaScript有一個基於事件循環的並發模式。這個模式與C語言和java有很大不同。

運行時的概念


函數調用形成堆棧幀。

function f(b){
  var a = 12;
  return a+b+35;
}

function g(x){
  var m = 4;
  return f(m*x);
}

g(21);

當調用函數g時,創建第一個包含g參數和局部變量的幀。當g函數調用f函數時,創建包含f參數和局部變量第二個堆棧幀並推到第一個堆棧幀的頂部。當f返回時,頂部的堆棧幀元素被彈出(只留下g調用)。當g函數返回時,堆棧為空。


堆是一個大型的非結構化區域,對象被分配到堆中。
隊列
一個javascript運行環境包含一個信息隊列,這個隊列是一系列將被執行的信息列表。每一個消息被關聯到一個函數上。當堆棧為空時,從消息隊列中取出一個消息並進行處理。該處理包含調用相關的函數(以及因此產生一個初始化的堆棧幀)。當堆棧再次為空時,消息處理結束。
事件循環

事件循環的名字源於它的實現,經常像下面這樣:

while(queue.waitForMessage()){
 queue.processNextMessage();
}

queue.waitForMessage同步等待一個消息。

1、運行到完成
每個消息完全處理之後,其它消息才會被處理。這樣的好處就是當一個函數不能被提前,只能等其他函數執行完畢(並且可以修改數據的函數操作)。這不同於C,例如,如果一個函數在一個線程運行時,它可以停在任何點運行在另一個線程一些其他的代碼。這種模式的缺點是,如果一個消息時間過長完成,Web應用程序無法處理像點擊或滾動的用戶交互。該浏覽器可緩解此與“腳本花費的時間太長運行”對話框。一個很好的做法,遵循的是使信息處理短,如果可能削減一個消息到幾條消息。
2、添加消息
在網頁浏覽器中,事件可以在任何時候添加,一個事件發生並伴隨事件監聽綁定到事件上。如果沒有事件監聽,則事件丟失。就像點擊一個元素,元素上綁定點擊事件。調用setTimeout時,當函數的第二個參數時間被傳遞進去,將添加一個消息到隊列中。如果在隊列中沒有其他消息,該消息被立即處理;然而,如果有消息,則setTimeout的信息將必須等待其它消息以進行處理。由於這個原因,第二個參數是最小的時間,而不是一個保證時間。
3、幾個運行環境之間的通信
一個web worker或跨域iframe都有自己的堆棧,堆,和消息隊列。兩個不同的運行環境只能通過postMessage的方法發送消息進行通信。這種方法增加了一個消息到其他運行時,如果後者監聽消息事件。
從不阻塞

事件循環模型是javascript的一個很有意思的屬性,不像其它語言,它從不阻塞。假定浏覽器中有一個專門用於事件調度的實例(該實例可以是一個線程,我們可以稱之為事件分發線程event dispatch thread),該實例的工作就是一個不結束的循環,從事件隊列中取出事件,處理所有很事件關聯的回調函數(event handler)。注意回調函數是在Javascript的主線程中運行的,而非事件分發線程中,以保證事件處理不會發生阻塞。通過事件和回調的I/O操作是一個典型的表現,所以當應用等待索引型數據庫查詢返回或XHR請求返回時,它仍然可以處理其他事情比如用戶輸入。

三、回調

回調是javascript的基礎,函數被作為參數進行傳遞。像下面:

f1();
f2();
f3();

如果f1中執行了大量的耗時操作,而且f2需要在f1之後執行。則程序可以改為回調的形式。如下:

function f1(callback){
  setTimeout(function () {
    // f1的大量耗時任務代碼並的到三個結果i,l,you.
    console.log("this is function1");
    var i = "i", l = "love", y = "you";
    if (callback && typeof(callback) === "function") {
      callback(i,l,y);
    }
  }, 50);
}

function f2(a, b, c) {
  alert(a + " " + b + " " + c);
  console.log("this is function2");
}

function f3(){console.log("this is function3");}
f1(f2);
f3();

運行結果:

this is function3
this is function1
i love you
this is function2

采用這種方式,我們把同步操作變成了異步操作,f1不會堵塞程序運行,相當於先執行程序的主要邏輯,將耗時的操作推遲執行。
回調函數的優點是簡單,輕量級(不需要額外的庫)。缺點是各個部分之間高度耦合(Coupling),流程會很混亂,而且每個任務只能指定一個回調函數。某個操作需要經過多個非阻塞的IO操作,每一個結果都是通過回調,產生意大利面條式(spaghetti)的代碼。

operation1(function(err, result) {
  operation2(function(err, result) {
    operation3(function(err, result) {
      operation4(function(err, result) {
        operation5(function(err, result) {
          // do something useful
        })
      })
    })
  })
})

四、事件監聽

另一種思路是采用事件驅動模式。任務的執行不取決於代碼的順序,而取決於某個事件是否發生。

// plain, non-jQuery version of hooking up an event handler
var clickity = document.getElementById("clickity");
clickity.addEventListener("click", function (e) {
  //console log, since it's like ALL real world scenarios, amirite?
  console.log("Alas, someone is pressing my buttons…");
});

// the obligatory jQuery version
$("#clickity").on("click", function (e) {
  console.log("Alas, someone is pressing my buttons…");
});

也可以自定義事件進行監聽,關於自定義事件,屬於另外一部分的內容。這種方法的優點是比較容易理解,可以綁定多個事件,每個事件可以指定多個回調函數,而且可以"去耦合"(Decoupling),有利於實現模塊化。缺點是整個程序都要變成事件驅動型,運行流程會變得很不清晰。

五、觀察者模式

我們假定,存在一個"信號中心",某個任務執行完成,就向信號中心"發布"(publish)一個信號,其他任務可以向信號中心"訂閱"(subscribe)這個信號,從而知道什麼時候自己可以開始執行。這就叫做"發布/訂閱模式"(publish-subscribe pattern),又稱"觀察者模式"(observer pattern)。

var pubsub = (function(){
  var q = {}
    topics = {},
    subUid = -1;
  //發布消息
  q.publish = function(topic, args) {
    if(!topics[topic]) {return;}
    var subs = topics[topic],
      len = subs.length;
    while(len--) {
      subs[len].func(topic, args);
    }
    return this;
  };
  //訂閱事件
  q.subscribe = function(topic, func) {
    topics[topic] = topics[topic] ? topics[topic] : [];
    var token = (++subUid).toString();
    topics[topic].push({
      token : token,
      func : func
    });
    return token;
  };
  return q;
  //取消訂閱就不寫了,遍歷topics,然後通過保存前面返回token,刪除指定元素
})();
//觸發的事件
var f2 = function(topics, data) {
  console.log("logging:" + topics + ":" + data);
  console.log("this is function2");
}

function f1(){
   setTimeout(function () {
      // f1的任務代碼
      console.log("this is function1");
    //發布消息'done'
    pubsub .publish('done', 'hello world');
    }, 1000);
}
pubsub.subscribe('done', f2);
f1();

上面代碼的運行結果為:

this is function1
logging:done:hello world
this is function2

觀察者模式的實現方法有很多種,也可以直接借用第三方庫。這種方法的性質與"事件監聽"類似(觀察者模式和自定義事件非常相似),但是明顯優於後者。觀察者模式和事件監聽一樣具有良好的去耦性,並且有一個消息中心,通過對消息中心的處理,可以良好地監控程序運行。

六、Promises對象

Promises的概念是由CommonJS小組的成員在 Promises/A規范 中提出來的。Promises被逐漸用作一種管理異步操作回調的方法,但出於它們的設計,它們遠比那個有用得多。Promise允許我們以同步的方式寫代碼,同時給予我們代碼的異步執行。

function f1(){
  var def = $.Deferred();
  setTimeout(function () {
    // f1的任務代碼
    console.log("this is f1");
    def.resolve(); 
  }, 500);
  return def.promise();
}

function f2(){
  console.log("this is f2");
}

f1().then(f2);

上面代碼的運行結果為:

this is f1
this is f2

上面引用的是jquery對Promises/A的實現,jquery中還有一系列方法,具體可參考:Deferred Object.關於Promises,強烈建議讀一下You're Missing the Point of Promises.還有很多第三方庫實現了Promises,如:Q、Bluebird、 mmDeferred 等。Promise(中文:承諾)其實為一個有限狀態機,共有三種狀態:pending(執行中)、fulfilled(執行成功)和rejected(執行失敗)。其中pending為初始狀態,fulfilled和rejected為結束狀態(結束狀態表示promise的生命周期已結束)。狀態轉換關系為:pending->fulfilled,pending->rejected。隨著狀態的轉換將觸發各種事件(如執行成功事件、執行失敗事件等)。 下節具體講述狀態機實現js異步編程。

七、狀態機

Promises的本質實際就是通過狀態機來實現的,把異步操作與對象的狀態改變掛鉤,當異步操作結束的時候,發生相應的狀態改變,由此再觸發其他操作。這要比回調函數、事件監聽、發布/訂閱等解決方案,在邏輯上更合理,更易於降低代碼的復雜度。關於Promises可參考:JS魔法堂:剖析源碼理解Promises/A規范 。

八、ES6對異步的支持

這是一個新的技術,成為2015年的ECMAScript(ES6)標准的一部分。該技術的規范已經完成,但實施情況在不同的浏覽器不同,在浏覽器中的支持情況如下。

var f1 = new Promise(function(resolve, reject) {
  setTimeout(function () {
    // f1的任務代碼
    console.log("this is f1");
    resolve("Success");

  }, 500); 
});
function f2(val){
  console.log(val + ":" + "this is f2");
}
function f3(){
  console.log("this is f3")
}
f1.then(f2);
f3();

以上代碼在Chrome 版本43中的運行結果為:

this is f3
this is f1
Success:this is f2

以上就是針對javascript異步編程的了解學習,之後還有相關文章進行分享,不要錯過哦。

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