ES6学习笔记（十五）Generator函数的异步应用

1.传统方法

ES6 诞生以前，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

Generator 函数将 JavaScript 异步编程带入了一个全新的阶段。

2.基本概念

异步

所谓"异步"，简单说就是一个任务不是连续完成的，可以理解成该任务被人为分成两段，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，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。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。

回调函数

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。回调函数的英语名字callback，直译过来就是"重新调用"。

最典型的回调，读取文件进行处理，是这样写的。

fs.readFile('/etc/passwd', 'utf-8', function (err, data) {
  if (err) throw err;
  console.log(data);
});

上面代码中，readFile函数的第三个参数，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 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，第一段执行完以后，任务所在的上下文环境就已经结束了。在这以后抛出的错误，原来的上下文环境已经无法捕捉，只能当作参数，传入第二段。

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。

fs.readFile(fileA, 'utf-8', function (err, data) {
  fs.readFile(fileB, 'utf-8', function (err, data) {
    // ...
  });
});

不难想象，如果依次读取两个以上的文件，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。因为多个异步操作形成了强耦合，只要有一个操作需要修改，它的上层回调函数和下层回调函数，可能都要跟着修改。这种情况就称为"回调函数地狱"（callback hell）。

Promise 对象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，允许将回调函数的嵌套，改成链式调用。采用 Promise，连续读取多个文件，写法如下。

 1 var readFile = require('fs-readfile-promise');
 2 
 3 readFile(fileA)
 4 .then(function (data) {
 5   console.log(data.toString());
 6 })
 7 .then(function () {
 8   return readFile(fileB);
 9 })
10 .then(function (data) {
11   console.log(data.toString());
12 })
13 .catch(function (err) {
14   console.log(err);
15 });

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？那就是最新的async/await语法，比Generator更加简单，号称异步的终极解决方案。

3.Generator 函数

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。

function* asyncJob() {
  // ...其他代码
  var f = yield readFile(fileA);
  // ...其他代码
}

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。

协程的 Generator 函数实现

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）。

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。

function* gen(x) {
  var y = yield x + 2;
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next() // { value: 3, done: false }
g.next() // { value: undefined, done: true }

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。

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，向 Generator 函数体内输入数据。

function* gen(x){
  var y = yield x + 2;
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next() // { value: 3, done: false }
g.next(2) // { value: 2, done: true }

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。

 1 function* gen(x){
 2   try {
 3     var y = yield x + 2;
 4   } catch (e){
 5     console.log(e);
 6   }
 7   return y;
 8 }
 9 
10 var g = gen(1);
11 g.next();
12 g.throw('出错了');
13 // 出错了

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。

异步任务的封装 

var fetch = require('node-fetch');

function* gen(){
  var url = 'https://api.github.com/users/github';
  var result = yield fetch(url);
  console.log(result.bio);
}

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。

var g = gen();
var result = g.next();

result.value.then(function(data){
  return data.json();
}).then(function(data){
  g.next(data);
});

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）。

4.Thunk 函数

Thunk 函数是自动执行 Generator 函数的一种方法。也就是说不用每次调next()了？

参数的求值策略

Thunk 函数早在上个世纪 60 年代就诞生了。

那时，编程语言刚刚起步，计算机学家还在研究，编译器怎么写比较好。一个争论的焦点是"求值策略"，即函数的参数到底应该何时求值。

var x = 1;

function f(m) {
  return m * 2;
}

f(x + 5)

上面代码先定义函数f，然后向它传入表达式x + 5。请问，这个表达式应该何时求值？

一种意见是"传值调用"（call by value），即在进入函数体之前，就计算x + 5的值（等于 6），再将这个值传入函数f。C 语言就采用这种策略。

f(x + 5)
// 传值调用时，等同于
f(6)

另一种意见是“传名调用”（call by name），即直接将表达式x + 5传入函数体，只在用到它的时候求值。Haskell 语言采用这种策略。

f(x + 5)
// 传名调用时，等同于
(x + 5) * 2

传值调用和传名调用，哪一种比较好？

回答是各有利弊。传值调用比较简单，但是对参数求值的时候，实际上还没用到这个参数，有可能造成性能损失。假如根本用不到这个参数，岂不是白求值了。

function f(a, b){
  return b;
}

f(3 * x * x - 2 * x - 1, x);

上面代码中，函数f的第一个参数是一个复杂的表达式，但是函数体内根本没用到。对这个参数求值，实际上是不必要的。因此，有一些计算机学家倾向于"传名调用"，即只在执行时求值。

JavaScript是传值调用。

Thunk 函数的含义

编译器的“传名调用”实现，往往是将参数放到一个临时函数之中，再将这个临时函数传入函数体。这个临时函数就叫做 Thunk 函数。

 1 function f(m) {
 2   return m * 2;
 3 }
 4 
 5 f(x + 5);
 6 
 7 // 等同于
 8 
 9 var thunk = function () {
10   return x + 5;
11 };
12 
13 function f(thunk) {
14   return thunk() * 2;
15 }

上面代码中，函数 f 的参数x + 5被一个函数替换了。凡是用到原参数的地方，对Thunk函数求值即可。

这就是 Thunk 函数的定义，它是“传名调用”的一种实现策略，用来替换某个表达式。

JavaScript 语言的 Thunk 函数

JavaScript 语言是传值调用，它的 Thunk 函数含义有所不同。在 JavaScript 语言中，Thunk 函数替换的不是表达式，而是多参数函数，将其替换成一个只接受回调函数作为参数的单参数函数。

 1 // 正常版本的readFile（多参数版本）
 2 fs.readFile(fileName, callback);
 3 
 4 // Thunk版本的readFile（单参数版本）
 5 var Thunk = function (fileName) {
 6   return function (callback) {
 7     return fs.readFile(fileName, callback);
 8   };
 9 };
10 
11 var readFileThunk = Thunk(fileName);
12 readFileThunk(callback);

上面代码中，fs模块的readFile方法是一个多参数函数，两个参数分别为文件名和回调函数。经过转换器处理，它变成了一个单参数函数，只接受回调函数作为参数。这个单参数版本，就叫做 Thunk 函数。

任何函数，只要参数有回调函数，就能写成 Thunk 函数的形式。下面是一个简单的 Thunk 函数转换器。

 1 // ES5版本
 2 var Thunk = function(fn){
 3   return function (){
 4     var args = Array.prototype.slice.call(arguments);
 5     return function (callback){
 6       args.push(callback);
 7       return fn.apply(this, args);
 8     }
 9   };
10 };
11 
12 // ES6版本
13 const Thunk = function(fn) {
14   return function (...args) {
15     return function (callback) {
16       return fn.call(this, ...args, callback);
17     }
18   };
19 };

使用上面的转换器，生成fs.readFile的 Thunk 函数。

var readFileThunk = Thunk(fs.readFile);
readFileThunk(fileA)(callback);

下面是另一个完整的例子。

function f(a, cb) {
  cb(a);
}
const ft = Thunk(f);

ft(1)(console.log) // 1