JavaScript入门⑨-异步编程●异世界之旅

JavaScript入门系列目录

• JavaScript入门①-基础知识筑基
• JavaScript入门②-函数(1)基础{浅出}
• JavaScript入门③-函数(2)原理{深入}执行上下文
• JavaScript入门④-万物皆对象:Object
• JavaScript入门⑤-欲罢不能的对象、原型与继承
• JavaScript入门⑥-WEB浏览器API
• JavaScript入门⑦-DOM操作大全
• JavaScript入门⑧-事件总结大全
• JavaScript入门⑨-异步编程●异世界之旅
• JavaScript入门⑩-ES6归纳总结

01、JS线程与事件循环

JavaScript的是单线程的语言，按顺序执行。事件循环（Event loop）是JS的运行机制，也是JS实现各种“异步”功能的基础。

1.1、浏览器进程

浏览器本身是多进程的（Edge/Chrome），在系统的的任务管理器中可以看到，只打开了一个页面，却有多个进程。其中渲染进程（浏览器内核）就是页面的管家，负责页面的渲染、脚本执行、事件等，每个页面（浏览器页签）会有一个独立的管家——渲染进程。

而在渲染进程中，又有多个线程，具有不同的职责，负责不同的事务。比如有定时器线程、HTTP请求线程、事件触发线程、渲染线程、JS引擎线程等，除了HTTP线程基本都是单线程。

• 定时器线程，就是用于管理setTimeout/setInterval定时任务的，当到达指定时间了就把要执行的任务（函数）放到一个任务队列中，等待JS引擎去执行。so，定时器一般都不准，有一点延迟。也不能这么说，定时器并没有错，应该是队列和JS引擎的问题。
• HTTP请求线程，负责执行HTTP请求，包括各种资源加载。当请求完成、或请求的状态变化时，把触发的回调函数放入事件队列，交给JS线程去执行。
• GUI线程：负责浏览器页面的渲染，如解析HTML、CSS，构建DOM树，布局计算和绘制等。GUI线程和JS线程是互斥的，所以当JS执行一个长任务时，会造成页面UI的卡顿。
• 事件触发线程：用来控制事件的循环，各种事件首先是会在事件触发线程里处理，当满足条件触发事件执行时，把待执行的事件处理任务（函数）添加到JS的任务队列中。
• JS引擎线程（主线程）：用于页面JavaScript代码的解析和执行。

1.2、JS的单线程与异步

JavaScript的是单线程的语言，一个页面渲染进程中只有一个JS线程，意味着同一时刻只能干一件事情，那么多的JS代码都必须顺序执行。

为什么采用单线程呢？核心目的是为保障DOM操作的一致性，避免同时操作DOM引起的渲染混乱，也可能就是为了便于实现。同时缺点也很明显，如果有长耗时操作时就会引起阻塞，导致页面卡顿。为了解决这个问题，JS执行代码有同步、异步两种模式，浏览器提供了多种异步编程方案。

异步编程方案	描述
回调函数	最常用的一种异步模式，也是异步的基础。缺点是容易形成地狱回调
事件监听	绑定事件处理程序，触发执行
发布订阅模式	自定义（或第三方）一个消息中心，基于消息的发布、订阅来驱动
Promise（async/awit）	ES6支持的异步编程API，好用！async/awit是其语法糖
生成器Generator/ yield	基于生成器Generator的可暂停、恢复函数执行的特性
worker线程	正式的线程，可创建一个独立上下文环境的线程，和主线程采用消息通信

1.3、事件循环(Event Loop)

JS线程解析代码时，把一些异步任务交给其他工作线程去处理，如HTTP请求、事件、setTimeout，这些工作线程处理完会把回调任务（函数）放到任务队列中给JS线程来执行。JS线程会一直轮询任务队列并进行处理，这就是JS的“事件循环(Event Loop)”。

• 任务（事件）队列：任务队列是一个先进先出的队列，它里面存放着各种待处理任务（代码/函数）。
• 事件循环：事件循环是指JS主线程循环从任务队列中获取任务、执行任务的过程。

事件循环（Event loop）是JS的运行机制，也是JS实现各种“异步”功能的基础。比如赫赫有名的延时方法setTimeout，setTimeout(func,0)（参数delay=0）并不是真正立即执行，而是把func放到一个任务队列里。如果JS引擎刚好有空，就会立即召唤他，否则就老老实实排队等候被轮。

一段setTimeout代码：

setTimeout(function () {
    console.log(1 + 1);
}, 3000);

• ① JS线程：setTimeout(callback,timeout)函数会调用定时器线程，把这个定时任务交给他。
• ② 定时器线程：我只是一个计时器，timeout时间到了，就把回调函数放入任务队列，由JS线程来执行。
• ③ JS线程：轮询任务队列（有空的时候），执行回调函数。

1.4、⌈宏/微⌋任务队列

上面说的JS任务队列，大致分为宏任务（macro task）队列、微任务（micro task）队列。

宏任务队列：JS引擎的任务队列，按顺序轮询排队执行，没有优先级，发生在渲染之前。

• 哪些任务：script整体代码、各种UI/IO事件任务、延时任务setTimeout/setInterval、网络HTTP请求 等。
• 顺序轮询执行：不断轮询队列并执行：

1. 执行任务时，永远不会进行渲染（render），与GUI线程互斥。
2. 浏览器为了让JS内部宏任务与DOM操作能够有序的执行，会在一个宏任务执行结束后，下一个宏任务执行开始前，对页面进行重新渲染。
3. 如果在执行一个长耗时任务，页面会“无响应”，可以拆分为多个子任务通过延时setTimeout 执行。

微任务（Microtask）：比宏任务优先级高的微任务，发生在宏任务之后、渲染之前：当执行完一个宏任务后优先执行（清空）所有微任务。

• 哪些任务：异步Promise创建的待执行.then/catch/finally会成为微任务；通过方法queueMicrotask(func)添加的任务（优先UI任务执行）。
• 优先执行：微任务会在执行任何其他事件处理、或渲染、或执行任何其他宏任务之前完成。微任务会被优先执行，不愧是超级无敌VIP会员。

console.log("sync-1");
setTimeout(() => console.log("timeout"), 0);
Promise.resolve()
    .then(() => console.log("promise.then"))
    .finally(() => console.log("promise.finally"));
queueMicrotask(() => console.log("queueMicrotask"));
console.log("sync-2");
// sync-1
// sync-2
// promise.then
// queueMicrotask
// promise.finally
// timeout

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02、Promise异步编程

Promise(IE)是现代 JavaScript 中异步编程的基础，比传统的回调异步更强大、更简洁。Promise是一个对象，可以理解为一个容器，保存了一些异步操作（及执行的状态信息），并管理和调度这些异步操作。（Promise /ˈprɒmɪs/ 承诺）

2.1、基础语法

Promise对象代表一个异步操作，有三种状态：pending（进行中）、fulfilled（已成功）和rejected（已失败），状态是由异步操作执行结果决定的。

• 待定（pending）：初始状态，既没有被兑现，也没有被拒绝。
• 已兑现（fulfilled）：意味着操作成功成功。（fulfilled /fʊlˈfɪld/ 完成）
• 已拒绝（rejected）：意味着操作失败。（rejected /rɪˈdʒektɪd/被拒绝）

Promise 的标准语法：

// 标准语法
let promise = new Promise(function (resolve, reject) {
	//some code
    if (true)  //根据需要返回成功、失败的状态。
        resolve("OK");
    else
        reject("failure");  //如果发生异常，会自动捕获并进行拒绝reject(error)处理
});
//链式操作
promise.then(successCallback, ?failureCallback)
    .catch(func)
    .finally(func);

Promise的构造函数参数 excutor (function(resolve, reject))会自动运行。参数resolve、reject是Promise提供的回调，在合适的地方调用他们即可，不过每次只有一个有效，他决定了promise的状态。

• resolve(value) ：任务成功并带有结果 value，该结果值value可传输给后续的异步函数。promise状态为“已兑现（fulfilled）”
• reject(error) ：任务失败，返回错误信息。promise状态为“已拒绝（rejected）”

异步&微任务：

• Promise 的参数 excutor是同步的，会立即执行。
• then()、catch()、finally()都是异步的，他们是在一个promise准备就绪后，被放到一个微任务队列里（microtask queue），等当前JS的任务执行完毕后，才开始执行这个队列中的任务。注意不是多线程，还是在JS线程里。

2.2、Promise方法-链式调用

Promise的属性方法：

静态属性/方法	描述
Promise.all(iterable)	执行一个promise集合，都成功或有一个失败返回一个新promise对象（返回值的数组）
Promise.allSettled(iterable)	等到所有 promise 都已敲定，返回的promise包含返回值数组
Promise.any(iterable)	任意一个 promise 成功，就返回那个成功的 promise 的值。
Promise.race(iterable)	任意一个 promise 敲定，返回那个promise对象
Promise.reject(reason)	返回一个状态为已拒绝的 Promise 对象，并将给定的失败信息传递给对应的处理函数
Promise.resolve(value)	如参数为普通数据，返回一个状态为成功的 Promise 对象。其他参数promise、thenable
构造函数
Promise(func(resolve, reject))	创建一个 Promise 对象，用于包装一个不支持异步的普通函数，这里的函数是同步执行的
实例属性	内置属性，不可访问
[[PromiseState]]	promise的状态
[[PromiseResult]]	resolve返回的值，或reject返回的错误error。
实例方法
then(resolveFunc ,rejectFunc?)	添加成功和失败的回调函数，实例promise的状态决定调用哪个回调函数，参数2可空
catch(func(e))	添加一个被rejected拒绝状态的回调函数，是then(null,rejectFunc)的简写版本
finally()	添加一个不管状态如何都会执行的回调，没有参数也没返回值，后面继续then、catch

Promise的then()方法才是他的精髓，用于给promise实例添加状态改变的回调函数，支持链式调用。

• 链式调用：then()、catch()、finally()都会返回新的promise对象，所以它们可以被链式调用。
• 参数传递：resolve返回的值value会作为参数传递给下一个then(func(value))。

let p1 = new Promise((resolve, reject) => { resolve("0") });
p1=Promise.resolve('0'); //同上
p1.then(v => v + '1')
    .then(v => v + '2')
    .then(v => console.log(v)) //012
    .catch(e => console.log(e))
    .finally(() => console.log('end')); //end

2.3、异常处理

隐式的try...catch：promise中的所有函数都包含一个隐式的try...catch，并对捕获的异常进行拒绝（rejection ）处理。错误信息会一直“冒泡”传递，直到一个rejection处理程序来处理。

• 被拒绝的promise会找最近的 rejection 处理程序进行处理，如catch()、then()的的第二个参数，推荐专门的catch()来捕获处理。
• 如果后面一直都没人处理这个异常，会触发一个全局window的 error—— unhandledrejection。
• catch()处理完后可以继续链式执行then()。

let p = Promise.resolve(1);
p.then(value => { return value + 1; })
    .finally(() => console.log("休息一下！"))
    .then(value => { return value + 1; })
    .then(value => { console.log(value) })
    .then(value => { throw new Error("着火了"); })
    .catch(err => { console.log(err) })
    .then(value => { console.log(value) }) //undefined，没有参数了
    .finally(() => console.log("end"))
// 休息一下！
// 3
// Error: 着火了
// undefined
// end

2.4、async/await语法糖

await、async 是使用Promise更简易的一种语法糖，就像写同步代码，完全可以代替Promise的语法形式。

• async function：async在函数申明前使用，让函数返回一个promise异步对象，同时允许函数内使用await。
• await promise(func)，只在async内部工作，awit会等待一个 promise(func)执行完成，再继续往下。类似promise.then，他并不会阻塞CPU，是异步的。

//async 修饰的函数返回值包装成一个promise
async function doAsync() {
    return 1;
    return Promise.resolve(1); //效果同上
}
doAsync().then(console.log);
console.log('a');
//输出：a  1

async function doAsync2(num) {
    try {  //异常处理，同promise.catch
        let n = await ((num) => { return num + 1; })(num)
        n = await new Promise((resolve, reject) => {
            setTimeout(() => { resolve(n + 1); }, 1000);
        }) //等待返回结果，再往下执行
        console.log(n);  //3
        await (() => { console.log("result:" + n) })(n); //result:3
    }
    catch (error)
    { console.log(error) }
}
doAsync2(1)
console.log('doAsync');
//输出：doAsync   3  result:3

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03、生成器*Generator

什么是Generator？

• 她是一个迭代器，返回一个遍历器对象，符合可迭代协议和迭代器协议，可用next()、for(of)迭代。
• 她是可控函数：内部代码可以自由控制暂停和继续执行。标准的函数是一次性执行完毕，直到末尾或return语句。而生成器的函数可以由yield暂停执行（交出控制权），next()恢复执行。
• 她是一个状态机，封装了多个内部状态。
• 她是异步任务管理容器，提供一种异步的实现方案。

3.1、基础语法

Generator 使用一个特殊的函数语法function*（带星*号）创建生成器generator，调用生成器函数获得一个生成器对象，该对象的实例方法：

实例方法	描述
next()	恢复执行，返回一个由 yield 表达式生成的值：{value: 1, done: false}
return(value?)	返回给定的值并结束生成器，可提前中止生成器。
throw()	向生成器抛出一个错误，生成器内部如没处理则会中止

//定义生成器
function* GeneratorN(s) {
    console.log('yield-1');
    yield s + 1;
    console.log('yield-2');
    yield s + 2;
    console.log('yield-3');
    return s + 3;
}
//创建生成器对象
var gn = GeneratorN(1);
//next()调用
console.log(gn.next()); //yield-1  {value: 2, done: false}
console.log(gn.next()); //yield-2  {value: 3, done: false}
console.log(gn.next()); //yield-3  {value: 4, done: true}
console.log(gn.next()); //{value: undefined, done: true}

定义生成器：function* generatorName(s) { }

• yield：在 generator（仅在）内部，用yield表达式申明一个需要返回的值。（yield /jiːld/ 收益）
• return：非必须！作用是指定最后一次next()函数调用时的value值，并标识迭代器状态完成done: true。

使用：在外部调用迭代器函数，并不是执行函数，而是返回一个生成器对象generator object。

• 生成器对象generator 的主要方法就是 next()，当调用next()方法时，执行代码到最近的 yield <value> 语句，然后暂停，并返回yield表达式的值。
• next() 方法返回一个对象，表示当前阶段的信息：{value: 2, done: false}

• value 属性是 yield 语句后面表达式的值，表示当前阶段的值。
• done 属性是一个布尔值，表示 Generator 函数是否执行完毕，即是否还有下一个阶段。已全部执行完成则为 true，否则为 false。

指针：generator对象内部存在一个“指针”，指向代码暂停的地方，调用next()方法时，从指针位置执行代码直到下一个yield语句，指针会移到到该yield语句末尾。

一个切换CSS状态的示例：

// 创建一个可无限循环的列表list
function* loop(list) {
    let i = 0;
    while (true) {
        if (i >= list.length) i = 0;
        yield list[i++];
    }
}
function toggle(...actions) {
    let gen = loop(actions);
    return function (...args) {
        return gen.next().value.apply(this, args);
    }
}
// 绑定状态切换事件
switcher.addEventListener('click', toggle(
    e => e.target.className = 'off',
    e => e.target.className = 'warn',
    e => e.target.className = 'on'
));

» 其他使用示例：

function* genAll() {
    yield* [1, 2, 3];  //yield*：嵌套一个迭代对象，进入另一个生成器函数
    let data = yield 'data：';  //申明接收一个next()参数，下次next(arg)的参数赋值给data
    console.log(data);
}
let g = genAll();
console.log(g.next('a1')); //{value: 1, done: false}
console.log(g.next('a2')); //{value: 2, done: false}
console.log(g.next('a3')); //{value: 3, done: false}
console.log(g.next('a4')); //{value: 'data：', done: false}
console.log(g.next('a5')); //参数传入了:a5 {value: undefined, done: true}
console.log(g.next('a6')); //{value: undefined, done: true}

3.2、可迭代for(of)

迭代器对象是可迭代的，执行迭代时，自动调用next()获取值，并判断状态done。

• 可使用for(of)迭代获取所有next()的值value。
• 用展开操作符，展开所有所有next()的值value。

function* GeneratorN(s) {
    yield s + 1;
    yield s + 2;
    return s + 3;
}
//用for（of）遍历
for (let item of GeneratorN(100)) {
    console.log(item); //101,102
}
//展开运算符，也没有return的值
console.log(...GeneratorN(10)); //11 12

忽略return值：当 done: true 时，for..of 循环会忽略最后一个 value，即只有yield表达式返回的值才有效。

3.3、async异步迭代器*

由于迭代器的暂停、恢复执行的特点，让他成为了实现异步编程的一种方案。比如常用的ajax请求处理数据：

function* addUserPoints(id, points) {
  yield ajax('/api/points/', { id: id, points: points });
  let user = yield ajax('/api/userinfo/', { id: id });

  user.points += points;
  yield ajax('/api/user/', user);
  yield 'end';
}

结合异步async/await，就可以像同步代码一样写异步代码了。可以把整个 Generator 函数看作异步任务的容器，异步操作需要暂停的地方，都用 yield 语句注明。

• async：迭代器函数加async，申明为异步generator ，此时内部可以用await了。
• await：用await去等待一个promise操作，比如ajax请求。此时调用next()返回的就是一个promise了。

async function* genN(start, end) {
    for (let i = start; i <= end; i++) {
        await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 2000)); //一个等待2s的异步操作
        yield i;
    }
}
let g = genN(1, 5);
console.log('start');
for(let i=1;i<=5;i++){
    g.next().then(v => console.log(v.value)); //注意g.next()返回的是一个异步promise，可用await
}
console.log('end');
//输出：
//start
//end
//1 2 3 4 5 6  //间隔2s输出

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04、worker线程

Worker(IE10)可以创建独立的线程，前端终于有了正式的线程了，所以JS也就不再是单纯的“单线程”了。可以充分分担主线程的压力，也能发挥多CPU多核的优势了。可以把一些非UI操作的任务放在worker中来执行，再也不用担心UI卡顿了。

Worker 基于一个JS文件创建一个独立的线程，该JS文件代码运行在这个新线程中。该线程是独立于主线程的，其全局上下文不是window了，一般情况就是DedicatedWorkerGlobalScope，可用self来访问。需要注意一些事项：

• 同源：和主线程遵循同源策略。
• 不可操作UI：包括窗口、文档DOM、页面元素，alert()、confirm()也是不可用的。
• 消息通信：和主线程不在一个上下文环境，只能通过消息进行通信。

构造函数	描述
Worker(jsUrl,options)	创建一个专用 Web worker
实例方法
postMessage(message)	向worker发生一个消息
terminate()	立即终止 worker，是立即
事件
onmessage=func(message)	订阅worker的消息，消息在message.data上
onerror=func(e)	发生错误的异常事件
onmessageerror=func()	消息解析错误的异常事件

操作步骤：

1. 创建处理worker线程任务的JS文件，在JS文件中订阅消息事件用于接收消息指令。
2. 基于该指定的JS文件创建worker线程，该JS文件代码会被执行。
3. 订阅worder的消息通知，接收worker发送过来的消息。
4. 给worker发送消息（指令），让他干活。
5. worker收到的指令，并根据指令干活，干完后发送消息回去。

//********************** worker线程脚本 **********************//
console.log("kworker.js")
//接收消息，//这里的self是该工作线程的全局对象DedicatedWorkerGlobalScope,可以省略
self.addEventListener("message", message => {
    self.receiveMessage(message.data);
    //判断消息指令，开始干活
    if (message.data == "摸鱼") {
        console.log("kworker.js--摸鱼开始");
        //do something
        //发送消息到主线程
        postMessage("摸鱼完毕");
    }
})
function receiveMessage(mes) {
    console.log('kworker.js--收到消息：', mes);
}

//********************** 主脚本 **********************//
console.log('创建worker线程');
//2基于指定的JS文件创建worker线程，该JS文件代码会被执行。
let thread = new Worker('../js/kworker.js');
//订阅发回来的消息
thread.onmessage = (mes) => console.log('主线程：',mes.data);
// 给wokder线程发送消息
thread.postMessage('呼叫');
thread.postMessage('摸鱼');

//********************** 输出 **********************//
// 创建worker线程
// kworker.js
// kworker.js--收到消息： 呼叫
// kworker.js--收到消息： 摸鱼
// kworker.js--摸鱼开始
// 主线程： 摸鱼完毕

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参考资料

• Generator 详解
• 异步迭代和 generator

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