JS `async/await` 深度：协程与事件循环的内部协作

各位靓仔靓女，晚上好！我是今晚的分享嘉宾，很高兴能和大家一起聊聊 JavaScript 中 async/await 这对“神仙眷侣”背后的故事。咱们今天的主题是：JS async/await 深度：协程与事件循环的内部协作。

咱们今天要探讨的，可不是简单地“怎么用” async/await，而是要深入到它们的“骨髓”里，看看它们是如何与 JavaScript 的事件循环和协程机制相互配合，最终实现异步编程的魔法。

一、async/await：甜甜的语法糖？

首先，咱们来简单回顾一下 async/await 的基本用法。

async function fetchData() {
  try {
    const response = await fetch('https://api.example.com/data');
    const data = await response.json();
    console.log(data);
    return data;
  } catch (error) {
    console.error('Error fetching data:', error);
    throw error;
  }
}

fetchData();

这段代码看起来是不是很像同步代码？这就是 async/await 最吸引人的地方：它允许我们以一种同步的方式编写异步代码，避免了回调地狱，让代码更易读、易维护。

但 async/await 仅仅是语法糖吗？答案是： NO! 它背后隐藏着更深刻的机制。如果没有对事件循环和协程的理解，就很难真正掌握 async/await 的精髓。

二、事件循环：幕后的指挥家

要理解 async/await，就必须先了解 JavaScript 的事件循环。事件循环是 JavaScript 引擎的核心，它负责调度代码的执行，处理异步任务。

简单来说，事件循环的工作流程如下：

执行栈（Call Stack）： 存放当前正在执行的函数。
任务队列（Task Queue）： 存放待执行的异步任务，比如 setTimeout、setInterval、Promise.then 等。
事件循环不断地从任务队列中取出任务，放入执行栈中执行。

用一张表格来总结下：

组件	作用	特点
执行栈	存放当前正在执行的函数	后进先出（LIFO），同步任务在此执行。
任务队列	存放待执行的异步任务的回调函数	先进先出（FIFO），异步任务的回调函数在此排队等待执行。
事件循环	不断地从任务队列中取出任务，放入执行栈中执行。	负责调度代码的执行，处理异步任务。是JavaScript实现单线程非阻塞的关键。
微任务队列	存放待执行的微任务的回调函数，如 `Promise.then`、`MutationObserver`。	微任务队列优先级高于任务队列，会在每次事件循环迭代时优先执行。

一个简单的例子：

console.log('Start');

setTimeout(() => {
  console.log('Timeout callback');
}, 0);

Promise.resolve().then(() => {
  console.log('Promise callback');
});

console.log('End');

这段代码的输出顺序是：

Start
End
Promise callback
Timeout callback

为什么？因为 setTimeout 的回调函数会被放入任务队列，而 Promise.then 的回调函数会被放入微任务队列。在一次事件循环的迭代中，微任务队列的优先级高于任务队列，所以 Promise callback 会先于 Timeout callback 执行。

三、协程：轻量级的线程

现在，我们来聊聊协程。协程是一种比线程更轻量级的并发编程模型。与线程不同，协程的切换由程序员显式控制，而不是由操作系统调度。

你可以把协程想象成一个“暂停”和“恢复”执行的函数。当一个协程遇到阻塞操作（比如等待 I/O）时，它可以主动让出 CPU，让其他协程执行。当阻塞操作完成后，它可以恢复执行。

JavaScript 没有原生支持协程，但是我们可以使用生成器函数（Generator Function）来模拟协程的行为。

function* myGenerator() {
  console.log('First');
  yield;
  console.log('Second');
  yield;
  console.log('Third');
}

const generator = myGenerator();
generator.next(); // 输出：First
generator.next(); // 输出：Second
generator.next(); // 输出：Third

在这个例子中，myGenerator 函数就是一个生成器函数。它可以使用 yield 关键字来暂停执行，并将控制权交给调用者。每次调用 generator.next() 方法，生成器函数就会从上次暂停的地方恢复执行，直到遇到下一个 yield 关键字。

四、async/await：协程的语法糖

现在，我们终于可以揭开 async/await 的神秘面纱了。

async/await 本质上是基于 Promise 和生成器函数实现的语法糖。async 函数会自动返回一个 Promise 对象，而 await 关键字则可以暂停 async 函数的执行，等待 Promise 对象 resolve，并将 resolve 的值作为 await 表达式的结果返回。

让我们回到最开始的 fetchData 函数：

async function fetchData() {
  try {
    const response = await fetch('https://api.example.com/data');
    const data = await response.json();
    console.log(data);
    return data;
  } catch (error) {
    console.error('Error fetching data:', error);
    throw error;
  }
}

当 JavaScript 引擎执行到 await fetch('https://api.example.com/data') 时，会发生以下几件事：

fetch('https://api.example.com/data') 函数会被调用，并返回一个 Promise 对象。
async 函数 fetchData 会被暂停执行。
控制权交还给事件循环。

当 fetch 请求完成，Promise 对象 resolve 后，事件循环会将 async 函数 fetchData 的恢复执行任务放入微任务队列。

当事件循环再次迭代到 fetchData 函数时，它会从 await 表达式处恢复执行，并将 Promise 对象 resolve 的值（也就是 response 对象）赋值给 response 变量。

接下来，await response.json() 也会重复类似的过程：暂停 async 函数的执行，等待 response.json() 返回的 Promise 对象 resolve，并将 resolve 的值（也就是 data 对象）赋值给 data 变量。

最终，async 函数 fetchData 会以同步的方式执行完所有的异步操作，并将结果返回。

五、async/await 与事件循环的协作

async/await 与事件循环的协作，可以用下图来表示：

[开始] -> 执行 async 函数 -> 遇到 await -> 暂停 async 函数 ->
  -> 将 async 函数的恢复执行任务放入微任务队列 ->
  -> 事件循环继续执行其他任务 ->
  -> 当微任务队列为空时，事件循环执行 async 函数的恢复执行任务 ->
  -> 从 await 表达式处恢复执行 ->
  -> [重复上述过程直到 async 函数执行完毕] -> [结束]

从这个图中可以看出，async/await 并没有改变 JavaScript 的单线程本质。它只是通过 Promise 和事件循环，将异步操作转换成了一种更加易于理解和维护的同步代码风格。

六、更深层次的理解：Promise 状态转换与 async/await 的关系

为了更深入地理解 async/await，我们还需要了解 Promise 的状态转换。Promise 有三种状态：

Pending（进行中）
Fulfilled（已成功）
Rejected（已失败）

await 关键字的作用是等待 Promise 对象的状态变为 Fulfilled 或 Rejected。当 Promise 对象的状态为 Pending 时，await 表达式会暂停 async 函数的执行，直到 Promise 对象的状态变为 Fulfilled 或 Rejected。

如果 Promise 对象的状态变为 Fulfilled，await 表达式会返回 Promise 对象 resolve 的值。如果 Promise 对象的状态变为 Rejected，await 表达式会抛出一个异常。

async function example() {
  try {
    const result = await new Promise((resolve, reject) => {
      setTimeout(() => {
        resolve('Success!');
      }, 1000);
    });
    console.log(result); // 输出: Success!
  } catch (error) {
    console.error(error);
  }
}

example();

在这个例子中，await 关键字会等待 1 秒钟，直到 Promise 对象的状态变为 Fulfilled，然后将 resolve 的值 "Success!" 赋值给 result 变量。

再看一个 Rejected 的例子：

async function example() {
  try {
    const result = await new Promise((resolve, reject) => {
      setTimeout(() => {
        reject('Error!');
      }, 1000);
    });
    console.log(result); // 不会执行到这里
  } catch (error) {
    console.error(error); // 输出: Error!
  }
}

example();

在这个例子中，await 关键字会等待 1 秒钟，直到 Promise 对象的状态变为 Rejected，然后抛出一个异常，被 catch 块捕获。

七、async/await 的最佳实践

最后，我们来聊聊 async/await 的最佳实践：

错误处理： 使用 try...catch 语句来处理 async 函数中的异常。
避免阻塞： 尽量避免在 async 函数中执行耗时的同步操作，以免阻塞事件循环。
并行执行： 可以使用 Promise.all 来并行执行多个 async 函数，提高性能。

async function processData() {
  try {
    const [data1, data2] = await Promise.all([fetchData1(), fetchData2()]);
    console.log('Data 1:', data1);
    console.log('Data 2:', data2);
  } catch (error) {
    console.error('Error processing data:', error);
  }
}

async function fetchData1() {
  // ...
}

async function fetchData2() {
  // ...
}

processData();

在这个例子中，fetchData1 和 fetchData2 函数会并行执行，而不是串行执行，从而提高了代码的执行效率。

八、总结

async/await 是一种强大的异步编程工具，它通过与事件循环和协程机制的配合，使得异步代码更加易读、易维护。

async/await 本质上是基于 Promise 和生成器函数实现的语法糖。
async 函数会自动返回一个 Promise 对象。
await 关键字会暂停 async 函数的执行，等待 Promise 对象 resolve，并将 resolve 的值作为 await 表达式的结果返回。
async/await 并没有改变 JavaScript 的单线程本质。

希望今天的分享能帮助大家更深入地理解 async/await 的内部机制，并在实际开发中更加灵活地使用它。感谢大家的聆听！如果有什么问题，欢迎随时提问。

发表回复 取消回复

发表回复取消回复