异步操作

• 单线程模型
  • 指的是，JavaScript 只在一个线程上运行
  • 也就是说，JavaScript 同时只能执行一个任务，其他任务都必须在后面排队等待
    • 注意，JavaScript 只在一个线程上运行，不代表 JavaScript 引擎只有一个线程。

• 事实上，JavaScript 引擎有多个线程，单个脚本只能在一个线程上运行（称为主线程），其他线程都是在后台配合

• • JavaScript 之所以采用单线程，而不是多线程，跟历史有关系。
  • JavaScript 从诞生起就是单线程，原因是不想让浏览器变得太复杂，
  • 因为多线程需要共享资源、且有可能修改彼此的运行结果，对于一种网页脚本语言来说，这就太复杂了。
  • 好处：
    • 实现起来比较简单，执行环境相对单纯
    • Node 可以用很少的资源，应付大流量访问的原因
  • 坏处：
    • 只要有一个任务耗时很长，后面的任务都必须排队等着，会拖延整个程序的执行。
    • 常见的浏览器无响应（假死），往往就是因为某一段 JavaScript 代码长时间运行（比如死循环），导致整个页面卡在这个地方，其他任务无法执行
  • JavaScript 语言本身并不慢，慢的是读写外部数据，比如等待 Ajax 请求返回结果。这个时候，如果对方服务器迟迟没有响应，或者网络不通畅，就会导致脚本的长时间停滞。

• • JavaScript 语言的设计者意识到，这时 CPU 完全可以不管 IO 操作，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到 IO 操作返回了结果，再回过头，把挂起的任务继续执行下去。这种机制就是 JavaScript 内部采用的 “事件循环”机制（Event Loop）

• 为了利用多核 CPU 的计算能力，HTML5 提出 Web Worker 标准，允许 JavaScript 脚本创建多个线程，但是子线程完全受主线程控制，且不得操作 DOM。所以，这个新标准并没有改变 JavaScript 单线程的本质。

• • 同步任务和异步任务

程序里面所有的任务，可以分成两类：同步任务（synchronous）和异步任务（asynchronous）

• • • 同步任务
      • 是那些没有被引擎挂起、在主线程上排队执行的任务。
      • 只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务。

• • • 异步任务
      • 是那些被引擎放在一边，不进入主线程、而进入任务队列的任务。
      • 只有引擎认为某个异步任务可以执行了（比如 Ajax 操作从服务器得到了结果），该任务（采用回调函数的形式）才会进入主线程执行。
      • 排在异步任务后面的代码，不用等待异步任务结束会马上运行，也就是说，异步任务不具有”堵塞“效应。
      • 举例来说
        • • Ajax 操作可以当作同步任务处理，也可以当作异步任务处理，由开发者决定。
            • 如果是同步任务，主线程就等着 Ajax 操作返回结果，再往下执行；
            • 如果是异步任务，主线程在发出 Ajax 请求以后，就直接往下执行，等到 Ajax 操作有了结果，主线程再执行对应的回调函数

• • 任务队列和事件循环

JavaScript 运行时，除了一个正在运行的主线程，引擎还提供一个任务队列（task queue），

里面是各种需要当前程序处理的异步任务。（实际上，根据异步任务的类型，存在多个任务队列。为了方便理解，这里假设只存在一个队列。）

• 首先，主线程会去执行所有的同步任务。等到同步任务全部执行完，就会去看任务队列里面的异步任务。
• 如果满足条件，那么异步任务就重新进入主线程开始执行，这时它就变成同步任务了。
• 等到执行完，下一个异步任务再进入主线程开始执行。一旦任务队列清空，程序就结束执行。

• 异步任务的写法通常是回调函数。
  • 一旦异步任务重新进入主线程，就会执行对应的回调函数。
  • 如果一个异步任务没有回调函数，就不会进入任务队列，也就是说，不会重新进入主线程，因为没有用回调函数指定下一步的操作。

• JavaScript 引擎怎么知道异步任务有没有结果，能不能进入主线程呢？
  • 答案就是引擎在不停地检查，一遍又一遍，只要同步任务执行完了，引擎就会去检查那些挂起来的异步任务，是不是可以进入主线程了。
  • 这种循环检查的机制，就叫做事件循环（Event Loop）。
  • *的定义是：“事件循环是一个程序结构，用于等待和发送消息和事件（a programming construct that waits for and dispatches events or messages in a program）”。

• 异步操作的模式
• 回调函数
  • 是异步操作最基本的方法
    • 下面是两个函数f1和f2，编程的意图是f2必须等到f1执行完成，才能执行

      function f1() {
      
          // ...
      
      }
      
      function f2() {
      
          // ...
      
      }
      
      f1();
      
      f2();

      上面代码的问题在于，如果f1是异步操作，f2会立即执行，不会等到f1结束再执行

      • 这时，可以考虑改写f1，把f2写成f1的回调函数

        function f1(callback) {
        
            // ...
        
            callback();
        
        }
        
        function f2() {
        
            // ...
        
        }
        
        f1(f2);

• • • • 回调函数的优点：
        • 简单、容易理解和实现
      • 回调函数的缺点：
        • 不利于代码的阅读和维护，
        • 各个部分之间高度耦合（coupling），使得程序结构混乱、流程难以追踪（尤其是多个回调函数嵌套的情况），
        • 而且每个任务只能指定一个回调函数

• • • 事件监听
    • 采用事件驱动模式。
    • 异步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。
    • 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);    // 当 f1 发生 done 事件，就执行 f2

        对f1进行改写：

        • function f1() {
          
              setTimeout(function () {
          
                  // ...
          
                  f1.trigger('done');    // 表示，执行完成后，立即触发 done 事件，从而开始执行f2
          
              }, 1000);
          
          }

    • 优点：
      • 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：
    • 整个程序都要变成事件驱动型，运行流程会变得很不清晰。
    • 阅读代码的时候，很难看出主流程。

• ”发布/订阅模式”（publish-subscribe pattern），又称“观察者模式”（observer pattern）
• 事件完全可以理解成”信号“，如果存在一个”信号中心“，
• 某个任务执行完成，就向信号中心 ”发布“（publish）一个信号，
• 其他任务可以向信号中心”订阅“（subscribe）这个信号，从而知道什么时候自己可以开始执行。

• • • • 可以用多种方式实现这个模式
        • 采用的是 Ben Alman 的 Tiny Pub/Sub，这是 jQuery 的一个插件
        • 首先，f2 向信号中心 jQuery 订阅 done 信号

          • jQuery.subscribe('done', f2);

        • 然后，f1 进行如下改写

          • function f1() {
            
                setTimeout(function () {
            
                    // ...
            
                    jQuery.publish('done');
            
                }, 1000);
            
            }

            f1 执行完成后，向信号中心 jQuery 发布 done 信号，从而引发 f2 的执行

        • f2 完成执行后，可以取消订阅（unsubscribe）

          • jQuery.unsubscribe('done', f2);

        • 性质与“事件监听”类似，但是明显优于后者。
          • 因为可以通过查看“消息中心”，了解存在多少信号、每个信号有多少订阅者，从而监控程序的运行

• 异步操作的流程控制
  • • 如果有多个异步操作，就存在一个流程控制的问题：如何确定异步操作执行的顺序，以及如何保证遵守这种顺序。
  • 串行执行：
    • 我们可以编写一个流程控制函数，让它来控制异步任务，一个任务完成以后，再执行另一个。

      var items = [ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ];
      
      var results = [];
      
      function async(arg, callback) {
      
          console.log('参数为 ' + arg +' , 1秒后返回结果');
      
          setTimeout(function () { callback(arg * 2); }, 1000);
      
      }
      
      function final(value) {
      
          console.log('完成: ', value);
      
      }
      
      function series(item) {
      
          if(item) {
      
              async( item, function(result) {
      
                  results.push(result);
      
                  return series(items.shift());
      
              });
      
          } else {
      
              return final(results[results.length - 1]);
      
          }
      
      }
      
      series(items.shift());

    • 函数 series() 就是串行函数，它会依次执行异步任务，所有任务都完成后，才会执行final函数。
    • items[] 数组保存每一个异步任务的参数，results[] 数组保存每一个异步任务的运行结果。
    • 注意，上面的写法需要六秒，才能完成整个脚本。

• • 并行执行
    • 流程控制函数也可以并行执行，即所有异步任务同时执行，等到全部完成以后，才执行 final 函数

      • var items = [ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ];
        
        var results = [];
        
        function async(arg, callback) {
        
            console.log('参数为 ' + arg +' , 1秒后返回结果');
        
            setTimeout(function () { callback(arg * 2); }, 1000);
        
        }
        
        function final(value) {
        
            console.log('完成: ', value);
        
        }
        
        items.forEach(function(item) {
        
            async(item, function(result){
        
                results.push(result);
        
                if(results.length === items.length) {
        
                    final(results[results.length - 1]);
        
                }
        
            })
        
        });

• • • • • 上面代码中，forEach方法会同时发起六个异步任务，等到它们全部完成以后，才会执行 final 函数
      • 相比而言，上面的写法只要一秒，就能完成整个脚本。
      • 这就是说，并行执行的效率较高，比起串行执行一次只能执行一个任务，较为节约时间。
      • 但是问题在于如果并行的任务较多，很容易耗尽系统资源，拖慢运行速度。因此有了第三种流程控制方式

• • 并行与串行的结合
    • 所谓并行与串行的结合，就是设置一个门槛，每次最多只能并行执行 n 个异步任务，这样就避免了过分占用系统资源。

      • var items = [ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ];
        
        var results = [];
        
        var running = 0;
        
        var limit = 2;
        
        function async(arg, callback) {
        
            console.log('参数为 ' + arg +' , 1秒后返回结果');
        
            setTimeout(function () { callback(arg * 2); }, 1000);
        
        }
        
        function final(value) {
        
            console.log('完成: ', value);
        
        }
        
        function launcher() {
        
            while(running < limit && items.length > 0) {
        
                var item = items.shift();
        
                async(item, function(result) {
        
                    results.push(result);
        
                    running--;
        
                    if(items.length > 0) {
        
                        launcher();
        
                    } else if(running == 0) {
        
                        final(results);
        
                    }
        
                });
        
                running++;
        
            }
        
        }
        
        launcher();

        上面代码中，最多只能同时运行两个异步任务。变量 running 记录当前正在运行的任务数，只要低于门槛值，就再启动一个新的任务，如果等于 0，就表示所有任务都执行完了，这时就执行 final() 函数。

    • 这段代码需要三秒完成整个脚本，处在串行执行和并行执行之间。
    • 通过调节limit变量，达到效率和资源的最佳平衡。