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【JavaScript】异步函数(async和await详解)
2024-08-20 09:00:08基础资料围观172次
异步函数
ES8 的 async/await 旨在解决利用异步结构组织代码的问题。为此，ECMAScript 对函数进行了扩展，为其增加了两个新关键字：async 和 await。
1. async
async 关键字用于声明异步函数。这个关键字可以用在函数声明、函数表达式、箭头函数和方法上：
async function foo() {}
let bar = async function() {};
let baz = async () => {};
class Qux {
async qux() {}
}
使用 async 关键字可以让函数具有异步特征，但总体上其代码仍然是同步求值的。而在参数或闭包方面，异步函数仍然具有普通 JavaScript 函数的正常行为。正如下面的例子所示，foo()函数仍然会在后面的指令之前被求值：
async function foo() {
console.log(1);
}
foo();
console.log(2);
// 1
// 2
不过，异步函数如果使用 return 关键字返回了值（如果没有 return 则会返回 undefined），这个值会被 Promise.resolve()包装成一个期约对象。异步函数始终返回期约对象。在函数外部调用这个函数可以得到它返回的期约：
async function foo() {
console.log(1);
return 3;
}
// 给返回的期约添加一个解决处理程序
foo().then(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// 3
当然，直接返回一个期约对象也是一样的：
async function foo() {
console.log(1);
return Promise.resolve(3);
}
// 给返回的期约添加一个解决处理程序
foo().then(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// 3
异步函数的返回值期待（但实际上并不要求）一个实现 thenable 接口的对象，但常规的值也可以。如果返回的是实现 thenable 接口的对象，则这个对象可以由提供给 then()的处理程序“解包”。如果不是，则返回值就被当作已经解决的期约。下面的代码演示了这些情况：
// 返回一个原始值
async function foo() {
return 'foo';
}
foo().then(console.log);
// foo
// 返回一个没有实现 thenable 接口的对象
async function bar() {
return ['bar'];
}
bar().then(console.log);
// ['bar']
// 返回一个实现了 thenable 接口的非期约对象
async function baz() {
const thenable = {
then(callback) { callback('baz'); }
};
return thenable;
}
baz().then(console.log);
// baz
// 返回一个期约
async function qux() {
return Promise.resolve('qux');
}
qux().then(console.log);
// qux
与在期约处理程序中一样，在异步函数中抛出错误会返回拒绝的期约：
async function foo() {
console.log(1);
throw 3;
}
// 给返回的期约添加一个拒绝处理程序
foo().catch(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// 3
不过，拒绝期约的错误不会被异步函数捕获：
async function foo() {
console.log(1);
Promise.reject(3);
}
// Attach a rejected handler to the returned promise
foo().catch(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// Uncaught (in promise): 3
2. await
因为异步函数主要针对不会马上完成的任务，所以自然需要一种暂停和恢复执行的能力。使用 await关键字可以暂停异步函数代码的执行，等待期约解决。来看下面之前在Promise章节中出现过的例子：
let p = new Promise((resolve, reject) => setTimeout(resolve, 1000, 3));
p.then((x) => console.log(x)); // 3
使用 async/await 可以写成这样：
async function foo() {
let p = new Promise((resolve, reject) => setTimeout(resolve, 1000, 3));
console.log(await p);
}
foo();
// 3
注意，await 关键字会暂停执行异步函数后面的代码，让出 JavaScript 运行时的执行线程。这个行为与生成器函数中的 yield 关键字是一样的。await 关键字同样是尝试“解包”对象的值，然后将这个值传给表达式，再异步恢复异步函数的执行。
await 关键字的用法与 JavaScript 的一元操作一样。它可以单独使用，也可以在表达式中使用，如下面的例子所示：
// 异步打印"foo"
async function foo() {
console.log(await Promise.resolve('foo'));
}
foo();
// foo
// 异步打印"bar"
async function bar() {
return await Promise.resolve('bar');
}
bar().then(console.log);
// bar
// 1000 毫秒后异步打印"baz"
async function baz() {
await new Promise((resolve, reject) => setTimeout(resolve, 1000));
console.log('baz');
}
baz();
// baz（1000 毫秒后）
await 关键字期待（但实际上并不要求）一个实现 thenable 接口的对象，但常规的值也可以。如果是实现 thenable 接口的对象，则这个对象可以由 await 来“解包”。如果不是，则这个值就被当作已经解决的期约。下面的代码演示了这些情况：
// 等待一个原始值
async function foo() {
console.log(await 'foo');
}
foo();
// foo
// 等待一个没有实现 thenable 接口的对象
async function bar() {
console.log(await ['bar']);
}
bar();
// ['bar']
// 等待一个实现了 thenable 接口的非期约对象
async function baz() {
const thenable = {
then(callback) { callback('baz'); }
};
console.log(await thenable);
}
baz();
// baz
// 等待一个期约
async function qux() {
console.log(await Promise.resolve('qux'));
}
qux();
// qux
等待会抛出错误的同步操作，会返回拒绝的期约：
async function foo() {
console.log(1);
await (() => { throw 3; })();
}
// 给返回的期约添加一个拒绝处理程序
foo().catch(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// 3
如前面的例子所示，单独的 Promise.reject()不会被异步函数捕获，而会抛出未捕获错误。不过，对拒绝的期约使用 await 则会释放（unwrap）错误值（将拒绝期约返回）：
async function foo() {
console.log(1);
await Promise.reject(3);
console.log(4); // 这行代码不会执行
}
// 给返回的期约添加一个拒绝处理程序
foo().catch(console.log);
console.log(2);
// 1
// 2
// 3
3. await 的限制
await 关键字必须在异步函数中使用，不能在顶级上下文如<script>标签或模块中使用。不过，定义并立即调用异步函数是没问题的。下面两段代码实际是相同的：
async function foo() {
console.log(await Promise.resolve(3));
}
foo();
// 3
// 立即调用的异步函数表达式
(async function() {
console.log(await Promise.resolve(3));
})();
// 3
此外，异步函数的特质不会扩展到嵌套函数。因此，await 关键字也只能直接出现在异步函数的定义中。在同步函数内部使用 await 会抛出SyntaxError。
下面展示了一些会出错的例子：
// 不允许：await 出现在了箭头函数中
function foo() {
const syncFn = () => {
return await Promise.resolve('foo');
};
console.log(syncFn());
}
// 不允许：await 出现在了同步函数声明中
function bar() {
function syncFn() {
return await Promise.resolve('bar');
}
console.log(syncFn());
}
// 不允许：await 出现在了同步函数表达式中
function baz() {
const syncFn = function() {
return await Promise.resolve('baz');
};
console.log(syncFn());
}
// 不允许：IIFE 使用同步函数表达式或箭头函数
function qux() {
(function () { console.log(await Promise.resolve('qux')); })();
(() => console.log(await Promise.resolve('qux')))();
}
停止和恢复执行
使用 await 关键字之后的区别其实比看上去的还要微妙一些。比如，下面的例子中按顺序调用了 3个函数，但它们的输出结果顺序是相反的：
async function foo() {
console.log(await Promise.resolve('foo'));
}
async function bar() {
console.log(await 'bar');
}
async function baz() {
console.log('baz');
}
foo();
bar();
baz();
// baz
// bar
// foo
async/await 中真正起作用的是 await。async 关键字，无论从哪方面来看，都不过是一个标识符。
毕竟，异步函数如果不包含 await 关键字，其执行基本上跟普通函数没有什么区别：
async function foo() {
console.log(2);
}
console.log(1);
foo();
console.log(3);
// 1
// 2
// 3
要完全理解 await 关键字，必须知道它并非只是等待一个值可用那么简单。JavaScript 运行时在碰到 await 关键字时，会记录在哪里暂停执行。等到 await 右边的值可用了，JavaScript 运行时会向消息队列中推送一个任务，这个任务会恢复异步函数的执行。
因此，即使 await 后面跟着一个立即可用的值，函数的其余部分也会被异步求值。下面的例子演示了这一点：
async function foo() {
console.log(2);
await null;
console.log(4);
}
console.log(1);
foo();
console.log(3);
// 1
// 2
// 3
// 4
控制台中输出结果的顺序很好地解释了运行时的工作过程：
(1) 打印 1；
(2) 调用异步函数 foo()；
(3)（在 foo()中）打印 2；
(4)（在 foo()中）await 关键字暂停执行，为立即可用的值 null 向消息队列中添加一个任务；
(5) foo()退出；
(6) 打印 3；
(7) 同步线程的代码执行完毕；
(8) JavaScript 运行时从消息队列中取出任务，恢复异步函数执行；
(9)（在 foo()中）恢复执行，await 取得 null 值（这里并没有使用）；
(10)（在 foo()中）打印 4；
(11) foo()返回。
如果 await 后面是一个期约，则问题会稍微复杂一些。此时，为了执行异步函数，实际上会有两个任务被添加到消息队列并被异步求值。下面的例子虽然看起来很反直觉，但它演示了真正的执行顺序：(TC39 对 await 后面是期约的情况如何处理做过一次修改。修改后，本例中的Promise.resolve(8)只会生成一个异步任务。因此在新版浏览器中，这个示例的输出结果为 123458967。实际开发中，对于并行的异步操作我们通常更关注结果，而不依赖执行顺序。——译者注)
async function foo() {
console.log(2);
console.log(await Promise.resolve(8));
console.log(9);
}
async function bar() {
console.log(4);
console.log(await 6);
console.log(7);
}
console.log(1);
foo();
console.log(3);
bar();
console.log(5);
// 1
// 2
// 3
// 4
// 5
// 6
// 7
// 8
// 9
运行时会像这样执行上面的例子：
(1) 打印 1；
(2) 调用异步函数 foo()；
(3)（在 foo()中）打印 2；
(4)（在 foo()中）await 关键字暂停执行，向消息队列中添加一个期约在落定之后执行的任务；
(5) 期约立即落定，把给 await 提供值的任务添加到消息队列；
(6) foo()退出；
(7) 打印 3；
(8) 调用异步函数 bar()；
(9)（在 bar()中）打印 4；
(10)（在 bar()中）await 关键字暂停执行，为立即可用的值 6 向消息队列中添加一个任务；
(11) bar()退出；
(12) 打印 5；
(13) 顶级线程执行完毕；
(14) JavaScript 运行时从消息队列中取出解决 await 期约的处理程序，并将解决的值 8 提供给它；
(15) JavaScript 运行时向消息队列中添加一个恢复执行 foo()函数的任务；
(16) JavaScript 运行时从消息队列中取出恢复执行 bar()的任务及值 6；
(17)（在 bar()中）恢复执行，await 取得值 6；
(18)（在 bar()中）打印 6；
(19)（在 bar()中）打印 7；
(20) bar()返回；
(21) 异步任务完成，JavaScript 从消息队列中取出恢复执行 foo()的任务及值 8；
(22)（在 foo()中）打印 8；
(23)（在 foo()中）打印 9；
(24) foo()返回。
异步函数策略
因为简单实用，所以异步函数很快成为 JavaScript 项目使用最广泛的特性之一。不过，在使用异步函数时，还是有些问题要注意。
1. 实现 sleep()
很多人在刚开始学习 JavaScript 时，想找到一个类似 Java 中Thread.sleep()之类的函数，好在程序中加入非阻塞的暂停。以前，这个需求基本上都通过 setTimeout()利用 JavaScript 运行时的行为来实现的。
有了异步函数之后，就不一样了。一个简单的箭头函数就可以实现sleep()：
async function sleep(delay) {
return new Promise((resolve) => setTimeout(resolve, delay));
}
async function foo() {
const t0 = Date.now();
await sleep(1500); // 暂停约 1500 毫秒
console.log(Date.now() - t0);
}
foo();
// 1502
2. 利用平行执行
如果使用 await 时不留心，则很可能错过平行加速的机会。来看下面的例子，其中顺序等待了 5 个随机的超时：
async function randomDelay(id) {
// 延迟 0~1000 毫秒
const delay = Math.random() * 1000;
return new Promise((resolve) => setTimeout(() => {
console.log(`${id} finished`);
resolve();
}, delay));
}
async function foo() {
const t0 = Date.now();
await randomDelay(0);
await randomDelay(1);
await randomDelay(2);
await randomDelay(3);
await randomDelay(4);
console.log(`${Date.now() - t0}ms elapsed`);
}
foo();
// 0 finished
// 1 finished
// 2 finished
// 3 finished
// 4 finished
// 877ms elapsed
用一个 for 循环重写，就是：
async function randomDelay(id) {
// 延迟 0~1000 毫秒
const delay = Math.random() * 1000;
return new Promise((resolve) => setTimeout(() => {
console.log(`${id} finished`);
resolve();
}, delay));
}
async function foo() {
const t0 = Date.now();
for (let i = 0; i < 5; ++i) {
await randomDelay(i);
}
console.log(`${Date.now() - t0}ms elapsed`);
}
foo();
// 0 finished
// 1 finished
// 2 finished
// 3 finished
// 4 finished
// 877ms elapsed
就算这些期约之间没有依赖，异步函数也会依次暂停，等待每个超时完成。这样可以保证执行顺序，但总执行时间会变长。
如果顺序不是必需保证的，那么可以先一次性初始化所有期约，然后再分别等待它们的结果。比如：
async function randomDelay(id) {
// 延迟 0~1000 毫秒
const delay = Math.random() * 1000;
return new Promise((resolve) => setTimeout(() => {
setTimeout(console.log, 0, `${id} finished`);
resolve();
}, delay));
}
async function foo() {
const t0 = Date.now();
const p0 = randomDelay(0);
const p1 = randomDelay(1);
const p2 = randomDelay(2);
const p3 = randomDelay(3);
const p4 = randomDelay(4);
await p0;
await p1;
await p2;
await p3;
await p4;
setTimeout(console.log, 0, `${Date.now() - t0}ms elapsed`);
}
foo();
// 1 finished
// 4 finished
// 3 finished
// 0 finished
// 2 finished
// 877ms elapsed
用数组和 for 循环再包装一下就是：
async function randomDelay(id) {
// 延迟 0~1000 毫秒
const delay = Math.random() * 1000
return new Promise((resolve) =>
setTimeout(() => {
console.log(`${id} finished`)
resolve()
}, delay)
)
}
async function foo() {
const t0 = Date.now()
const promises = Array(5)
.fill(null)
.map((_, i) => randomDelay(i))
for (const p of promises) {
await p
}
console.log(`${Date.now() - t0}ms elapsed`)
}
foo()
// 4 finished
// 2 finished
// 1 finished
// 0 finished
// 3 finished
// 877ms elapsed
注意，虽然期约没有按照顺序执行，但 await 按顺序收到了每个期约的值：
async function randomDelay(id) {
// 延迟 0~1000 毫秒
const delay = Math.random() * 1000;
return new Promise((resolve) => setTimeout(() => {
console.log(`${id} finished`);
resolve(id);
}, delay));
}
async function foo() {
const t0 = Date.now();
const promises = Array(5).fill(null).map((_, i) => randomDelay(i));
for (const p of promises) {
console.log(`awaited ${await p}`);
}
console.log(`${Date.now() - t0}ms elapsed`);
}
foo();
// 1 finished
// 2 finished
// 4 finished
// 3 finished
// 0 finished
// awaited 0
// awaited 1
// awaited 2
// awaited 3
// awaited 4
// 645ms elapsed
3. 串行执行期约
在 11.2 节，我们讨论过如何串行执行期约并把值传给后续的期约。使用 async/await，期约连锁会变得很简单：
function addTwo(x) {return x + 2;}
function addThree(x) {return x + 3;}
function addFive(x) {return x + 5;}
async function addTen(x) {
for (const fn of [addTwo, addThree, addFive]) {
x = await fn(x);
}
return x;
}
addTen(9).then(console.log); // 19
这里，await 直接传递了每个函数的返回值，结果通过迭代产生。当然，这个例子并没有使用期约，如果要使用期约，则可以把所有函数都改成异步函数。这样它们就都返回期约了：
async function addTwo(x) {return x + 2;}
async function addThree(x) {return x + 3;}
async function addFive(x) {return x + 5;}
async function addTen(x) {
for (const fn of [addTwo, addThree, addFive]) {
x = await fn(x);
}
return x;
}
addTen(9).then(console.log); // 19
4. 栈追踪与内存管理
期约与异步函数的功能有相当程度的重叠，但它们在内存中的表示则差别很大。看看下面的例子，它展示了拒绝期约的栈追踪信息：
function fooPromiseExecutor(resolve, reject) {
setTimeout(reject, 1000, 'bar');
}
function foo() {
new Promise(fooPromiseExecutor);
}
foo();
// Uncaught (in promise) bar
// setTimeout
// setTimeout (async)
// fooPromiseExecutor
// foo
根据对期约的不同理解程度，以上栈追踪信息可能会让某些读者不解。栈追踪信息应该相当直接地表现 JavaScript 引擎当前栈内存中函数调用之间的嵌套关系。在超时处理程序执行时和拒绝期约时，我
们看到的错误信息包含嵌套函数的标识符，那是被调用以创建最初期约实例的函数。可是，我们知道这些函数已经返回了，因此栈追踪信息中不应该看到它们。
答案很简单，这是因为 JavaScript 引擎会在创建期约时尽可能保留完整的调用栈。在抛出错误时，调用栈可以由运行时的错误处理逻辑获取，因而就会出现在栈追踪信息中。当然，这意味着栈追踪信息
会占用内存，从而带来一些计算和存储成本。 如果在前面的例子中使用的是异步函数，那又会怎样呢？比如：
function fooPromiseExecutor(resolve, reject) {
setTimeout(reject, 1000, 'bar');
}
async function foo() {
await new Promise(fooPromiseExecutor);
}
foo();
// Uncaught (in promise) bar
// foo
// async function (async)
// foo
这样一改，栈追踪信息就准确地反映了当前的调用栈。fooPromiseExecutor()已经返回，所以它不在错误信息中。但 foo()此时被挂起了，并没有退出。JavaScript 运行时可以简单地在嵌套函数中存储指向包含函数的指针，就跟对待同步函数调用栈一样。这个指针实际上存储在内存中，可用于在出错时生成栈追踪信息。这样就不会像之前的例子那样带来额外的消耗，因此在重视性能的应用中是可以优先考虑的。
小结
长期以来，掌握单线程 JavaScript 运行时的异步行为一直都是个艰巨的任务。随着 ES6 新增了期约和 ES8 新增了异步函数，ECMAScript 的异步编程特性有了长足的进步。通过期约和 async/await，不仅可以实现之前难以实现或不可能实现的任务，而且也能写出更清晰、简洁，并且容易理解、调试的代码。
期约的主要功能是为异步代码提供了清晰的抽象。可以用期约表示异步执行的代码块，也可以用期约表示异步计算的值。在需要串行异步代码时，期约的价值最为突出。作为可塑性极强的一种结构，期约可以被序列化、连锁使用、复合、扩展和重组。
异步函数是将期约应用于 JavaScript 函数的结果。异步函数可以暂停执行，而不阻塞主线程。无论是编写基于期约的代码，还是组织串行或平行执行的异步代码，使用异步函数都非常得心应手。异步函数可以说是现代 JavaScript 工具箱中最重要的工具之一。
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