Generator 函数的含义与用法

2020-06-22

Ann Ann

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。

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。

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。

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

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。

fs.readFile(fileA, function (err, data) {
  fs.readFile(fileB, function (err, data) {
    // ...
  });
});

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。

var readFile = require('fs-readfile-promise');

readFile(fileA)
.then(function(data){
  console.log(data.toString());
})
.then(function(){
  return readFile(fileB);
})
.then(function(data){
  console.log(data.toString());
})
.catch(function(err) {
  console.log(err);
});

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 允许使用 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。它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。

它的流程大致如下。

第一步,线程A开始执行。

第二步,线程A执行到一半,进入暂停,执行权转移到线程B。

第三步,(一段时间后,)线程B交还执行权。

第四步,线程A恢复执行。

上面流程的线程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 asnycJob() {
  // ...其他代码
  var f = yield readFile(fileA);
  // ...其他代码
}

上面代码的函数 asyncJob 是一个单独的线程,它的奥妙就在其中的 yield 命令。它表示执行到此处,执行权将交给其他线程。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。由于 JavaScript 没有多线程,所以 Generator 函数交出的是函数的(而不是交出线程的)执行权。

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

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。

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,会返回一个遍历器对象 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。调用遍历器对象 g 的 next 方法,会执行异步任务的第一段,直到遇到 yield 语句为止,上例是直到 x + 2 为止。

所以,next 方法的作用是分阶段执行 Generator 函数。它的返回结果是一个对象,该对象的 value 属性是 yield 语句后面表达式的值,done 属性表示 Generator 函数是否执行完毕。也就是说,next 方法返回两方面的信息:异步任务当前阶段的返回值,以及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 方法的返回值( 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。

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 }

上面代码中,最后一行的 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。所以,返回对象的 value 属性,就变成了2。

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。

function* gen(x){
  try {
    var y = yield x + 2;
  } catch (e){ 
    console.log(e);
  }
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next();
g.throw('出错了';
// 出错了

上面代码的最后一行,Generator 函数体外,使用遍历器对象的 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。

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。

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