一位前端菜鸟对于JavaScript同步异步编程的了解

来自一个前端菜鸟的对于JavaScript同步异步编程的了解，以下内容，仅供参考。大家知道，JavaScript的执行环境是单线程的，单线程的好处是执行环境简单，不用去考虑诸如资源同步，死锁等多线程阻塞式编程等所需要面对的恼人的问题。但带来的坏处是当一个任务执行时间较长时，后面的任务会等待很长时间。在浏览器端就会出现浏览器假死，鼠标无法响应等情况。所以在浏览器端，耗时很长的操作都应该异步执行，避免浏览器失去响应。所谓异步执行，不同于同步执行（程序的执行顺序与任务的排列顺序是一致的、同步的），每一个任务有一个或多个回调函数（callback），前一个任务结束后，不是执行后一个任务，而是执行回调函数，后一个任务则是不等前一个任务结束就执行，所以程序的执行顺序与任务的排列顺序是不一致的、异步的。既然Javascript是单线程的，那它又如何能够异步的执行呢？一起了解下：

一、 什么是同步编程、异步编程

传统的同步编程是一种请求响应模型，调用一个方法，等待其响应返回。

异步编程就是要重新考虑是否需要响应的问题，也就是缩小需要响应的地方。因为越快获得响应，就是越同步化，顺序化，事务化，性能化。

1. 同步编程

任务「Task1，Task2，Task3」进入主线程排队，一个接一个按部就班顺序执行，如下图：

2. 异步编程

任务不进入主线程，进入「任务队列」，当主线程执行完毕后开始读取任务队列，如下图：

运行机制：

* 所有同步任务都在主线程上执行，形成一个执行栈 (execution context stack)* 主线程之外，还存在一个"任务队列"(task queue)。当异步任务有了运行结果，就在"任务队列"之中放置一个事件。* 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，对应的异步任务结束等待状态，进入执行栈，开始执行。* 主线程不断重复上面的第三步。

3. 常见的异步任务

setTimeout

setInterval

setImmediate

Promise

MutationObserver

process.nextTick

……

二、 剖析异步编程

1. 看一个DEMO

运行后发现打印结果是：4 -> 2 -> 3 -> 1，带着疑问我们看下面的讲解……

2. Event loop事件

从上图中我们拆分理解：

一个事件循环(event loop)会有一个或多个任务队列(task queue)

task queue 就是 macrotask queue

每一个 event loop 都有一个 microtask queue

task queue == macrotask queue != microtask queue

一个任务 task 可以放入 macrotask queue 也可以放入 microtask queue 中

3. Microtasks 和 Macrotasks的分类

macrotasks:

setTimeout

setInterval

setImmediate

I/O

UI rendering

microtasks:

process.nextTick

Promises

Object.observe(废弃)

MutationObserver

4. 运行差异

我们再来看一个比较有意思的例子

结果来看打印顺序分别是start -> micro -> micro -> macro -> insert-micro -> macro

在timer执行栈中会执行I/O，idle，prepare，再通过poll方式去看是否有micro事件去执行，check确认没有任务可以执行就会关闭callbacks……

简单来说:，它从script(整体代码)开始第一次循环，之后，直到调用栈清空(只剩全局)，然后执行所有的micro-task，当所有可执行的，找到其中一个任务队列执行完毕，然后再执行所有的micro-task，这样一直循环下去。

三、 异步编程的几种方式

1. 回调函数

这种回调函数通过来执行callback，从而达到异步的效果。

假定有两个函数f1和f2，后者等待前者的执行结果。

f1();　　
f2();　　

如果f1是一个很耗时的任务，可以考虑改写f1，把f2写成f1的回调函数。

function f1(callback){
　　　　setTimeout(function () {
　　　　　　// f1的任务代码
　　　　　　callback();
　　　　}, 1000);
}　

执行代码就变成下面这样：

f1(f2);

采用这种方式，我们把同步操作变成了异步操作，f1不会堵塞程序运行，相当于先执行程序的主要逻辑，将耗时的操作推迟执行。

回调函数的优点是简单、容易理解和部署，缺点是不利于代码的阅读和维护，各个部分之间高度耦合（Coupling），流程会很混乱，而且每个任务只能指定一个回调函数。

2. 事件监听

这种通过给dom绑定监听’done’事件，同时借助来达到异步效果。

另一种思路是采用事件驱动模式。任务的执行不取决于代码的顺序，而取决于某个事件是否发生。

还是以f1和f2为例。首先，为f1绑定一个事件（这里采用的jQuery的写法）。

f1.on('done', f2);

上面这行代码的意思是，当f1发生done事件，就执行f2。然后，对f1进行改写：

function f1(){
　　　　setTimeout(function () {
　　　　　　// f1的任务代码
　　　　　　f1.trigger('done');
　　　　}, 1000);
}

f1.trigger('done')表示，执行完成后，立即触发done事件，从而开始执行f2。

这种方法的优点是比较容易理解，可以绑定多个事件，每个事件可以指定多个回调函数，而且可以"去耦合"（Decoupling），有利于实现模块化。缺点是整个程序都要变成事件驱动型，运行流程会变得很不清晰。

3. 发布/订阅

下图是通过发布/订阅来实现异步操作

这里简单聊一下观察者模式和发布/订阅的异同点:

观察者模式由具体目标进行调度的

发布/订阅模式由统一由调度中心调度

观察者模式的订阅者与发布者之间是存在依赖的

发布/订阅模式不存在依赖

4. Promise

Promise是抽象异步处理对象以及对其进行各种操作的组件，它是基于并列 /并行处理设计的一种编程语言，Promise对象用于表示一个异步操作的最终状态(完成或失败)，以及其返回的值。

我们从上图可看出Promise是一个接一个走下去的，该实现方式其实包括了队列/链式。

简单说，它的思想是，每一个异步任务返回一个Promise对象，该对象有一个then方法，允许指定回调函数。比如，f1的回调函数f2,可以写成：

f1().then(f2);

f1要进行如下改写（这里使用的是jQuery的实现）：

function f1(){
　　　　var dfd = $.Deferred();
　　　　setTimeout(function () {
　　　　　　// f1的任务代码
　　　　　　dfd.resolve();
　　　　}, 500);
　　　　return dfd.promise;
}　

这样写的优点在于，回调函数变成了链式写法，程序的流程可以看得很清楚，而且有一整套的配套方法，可以实现许多强大的功能。

比如，指定多个回调函数：

f1().then(f2).then(f3);

再比如，指定发生错误时的回调函数：

f1().then(f2).fail(f3);　　

而且，它还有一个前面三种方法都没有的好处：如果一个任务已经完成，再添加回调函数，该回调函数会立即执行。所以，你不用担心是否错过了某个事件或信号。这种方法的缺点就是编写和理解，都相对比较难。

5. Generator、Async/Await

Generator是一个状态机，它封装了多个内部状态，执行它将生成一个遍历器对象，而async函数是Generator函数的语法糖，await返回一个Promise对象，如果不是，会被转换成一个立即执行的Promise对象，await将等待当前行执行完成才会继续之后的内容。所以这里就举一个比较简单的例子了……

四、 总结

整文大部分都是在谈论JavaScript的异步编程，因为JavaScript是单线程的（虽然现在有了woker，但就目前看来实用性并不强），因此异步编程对其尤为重要。拿Node.js来说，外壳是一层JS语言，这是用户操作的层面，在这个层次上它是单线程运行的，所以我们会在很多场景下用到异步操作，虽然Node.js底层运用了很多多线程的操作，但对于用户层是透明的，所以掌握好JavaScript的异步编程对于我们coder来说还是很有必要的。