Generator 函数的含义与用法

  • 2017-03-30
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本文是《深入掌握 ECMAScript 6 异步编程》系列文章的第一篇。

异步编程对 JavaScript 语言太重要。JavaScript 只有一根线程,如果没有异步编程,根本没法用,非卡死不可。

Generator 函数的含义与用法

以前,异步编程的方法,大概有下面四种

  • 回调函数
  • 事件监听
  • 发布/订阅
  • Promise 对象

ECMAScript 6 (简称 ES6 )作为下一代 JavaScript 语言,将 JavaScript 异步编程带入了一个全新的阶段。这组系列文章的主题,就是介绍更强大、更完善的 ES6 异步编程方法。

新方法比较抽象,初学时,我常常感到费解,直到很久以后才想通,异步编程的语法目标,就是怎样让它更像同步编程。这组系列文章,将帮助你深入理解 JavaScript 异步编程的本质。所有将要讲到的内容,都已经实现了。也就是说,马上就能用,套用一句广告语,就是”未来已来”。

Generator 函数的含义与用法

一、什么是异步?

所谓”异步”,简单说就是一个任务分成两段,先执行第一段,然后转而执行其他任务,等做好了准备,再回过头执行第二段。比如,有一个任务是读取文件进行处理,异步的执行过程就是下面这样。

Generator 函数的含义与用法

上图中,任务的第一段是向操作系统发出请求,要求读取文件。然后,程序执行其他任务,等到操作系统返回文件,再接着执行任务的第二段(处理文件)。

这种不连续的执行,就叫做异步。相应地,连续的执行,就叫做同步。

Generator 函数的含义与用法

上图就是同步的执行方式。由于是连续执行,不能插入其他任务,所以操作系统从硬盘读取文件的这段时间,程序只能干等着。

二、回调函数的概念

JavaScript 语言对异步编程的实现,就是回调函数。所谓回调函数,就是把任务的第二段单独写在一个函数里面,等到重新执行这个任务的时候,就直接调用这个函数。它的英语名字 callback,直译过来就是”重新调用”。

读取文件进行处理,是这样写的。

上面代码中,readFile 函数的第二个参数,就是回调函数,也就是任务的第二段。等到操作系统返回了 /etc/passwd 这个文件以后,回调函数才会执行。

一个有趣的问题是,为什么 Node.js 约定,回调函数的第一个参数,必须是错误对象err(如果没有错误,该参数就是 null)?原因是执行分成两段,在这两段之间抛出的错误,程序无法捕捉,只能当作参数,传入第二段。

三、Promise

回调函数本身并没有问题,它的问题出现在多个回调函数嵌套。假定读取A文件之后,再读取B文件,代码如下。

不难想象,如果依次读取多个文件,就会出现多重嵌套。代码不是纵向发展,而是横向发展,很快就会乱成一团,无法管理。这种情况就称为“回调函数噩梦”(callback hell)。

Promise就是为了解决这个问题而提出的。它不是新的语法功能,而是一种新的写法,允许将回调函数的横向加载,改成纵向加载。采用Promise,连续读取多个文件,写法如下。

上面代码中,我使用了 fs-readfile-promise 模块,它的作用就是返回一个 Promise 版本的 readFile 函数。Promise 提供 then 方法加载回调函数,catch方法捕捉执行过程中抛出的错误。

可以看到,Promise 的写法只是回调函数的改进,使用then方法以后,异步任务的两段执行看得更清楚了,除此以外,并无新意。

Promise 的最大问题是代码冗余,原来的任务被Promise 包装了一下,不管什么操作,一眼看去都是一堆 then,原来的语义变得很不清楚。

那么,有没有更好的写法呢?

四、协程

传统的编程语言,早有异步编程的解决方案(其实是多任务的解决方案)。其中有一种叫做“协程”(coroutine),意思是多个线程互相协作,完成异步任务。

协程有点像函数,又有点像线程。它的运行流程大致如下。

第一步,协程A开始执行。

第二步,协程A执行到一半,进入暂停,执行权转移到协程B。

第三步,(一段时间后)协程B交还执行权。

第四步,协程A恢复执行。

上面流程的协程A,就是异步任务,因为它分成两段(或多段)执行。

举例来说,读取文件的协程写法如下。

上面代码的函数 asyncJob 是一个协程,它的奥妙就在其中的 yield 命令。它表示执行到此处,执行权将交给其他协程。也就是说,yield命令是异步两个阶段的分界线。

协程遇到 yield 命令就暂停,等到执行权返回,再从暂停的地方继续往后执行。它的最大优点,就是代码的写法非常像同步操作,如果去除yield命令,简直一模一样。

五、Generator函数的概念

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)。

上面代码就是一个 Generator 函数。它不同于普通函数,是可以暂停执行的,所以函数名之前要加星号,以示区别。

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。

上面代码中,调用 Generator 函数,会返回一个内部指针(即遍历器 )g 。这是 Generator 函数不同于普通函数的另一个地方,即执行它不会返回结果,返回的是指针对象。调用指针 g 的 next 方法,会移动内部指针(即执行异步任务的第一段),指向第一个遇到的 yield 语句,上例是执行到 x + 2 为止。

换言之,next 方法的作用是分阶段执行 Generator 函数。每次调用 next 方法,会返回一个对象,表示当前阶段的信息( value 属性和 done 属性)。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。

六、Generator 函数的数据交换和错误处理

Generator 函数可以暂停执行和恢复执行,这是它能封装异步任务的根本原因。除此之外,它还有两个特性,使它可以作为异步编程的完整解决方案:函数体内外的数据交换和错误处理机制。

next 方法返回值的 value 属性,是 Generator 函数向外输出数据;next 方法还可以接受参数,这是向 Generator 函数体内输入数据。

上面代码中,第一个 next 方法的 value 属性,返回表达式 x + 2 的值(3)。第二个 next 方法带有参数2,这个参数可以传入 Generator 函数,作为上个阶段异步任务的返回结果,被函数体内的变量 y 接收。因此,这一步的 value 属性,返回的就是2(变量 y 的值)。

Generator 函数内部还可以部署错误处理代码,捕获函数体外抛出的错误。

上面代码的最后一行,Generator 函数体外,使用指针对象的 throw 方法抛出的错误,可以被函数体内的 try … catch 代码块捕获。这意味着,出错的代码与处理错误的代码,实现了时间和空间上的分离,这对于异步编程无疑是很重要的。

七、Generator 函数的用法

下面看看如何使用 Generator 函数,执行一个真实的异步任务。

上面代码中,Generator 函数封装了一个异步操作,该操作先读取一个远程接口,然后从 JSON 格式的数据解析信息。就像前面说过的,这段代码非常像同步操作,除了加上了 yield 命令。

执行这段代码的方法如下。

上面代码中,首先执行 Generator 函数,获取遍历器对象,然后使用 next 方法(第二行),执行异步任务的第一阶段。由于 Fetch 模块返回的是一个 Promise 对象,因此要用 then 方法调用下一个next 方法。

可以看到,虽然 Generator 函数将异步操作表示得很简洁,但是流程管理却不方便(即何时执行第一阶段、何时执行第二阶段)。本系列的后面部分,就将介绍如何自动化异步任务的流程管理。另外,本文对 Generator 函数的介绍很简单,详尽的教程请阅读我写的《ECMAScript 6入门》

(完)

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