漫话JavaScript与异步·第三话——Generator：化异步为同步

一、Promise并非完美

我在上一话中介绍了Promise，这种模式增强了事件订阅机制，很好地解决了控制反转带来的信任问题、硬编码回调执行顺序造成的“回调金字塔”问题，无疑大大提高了前端开发体验。但有了Promise就能完美地解决异步问题了吗？并没有。

首先，Promise仍然需要通过then方法注册回调，虽然只有一层，但沿着Promise链一长串写下来，还是有些让人头晕。

更大的问题在于Promise的错误处理比较麻烦，因为Promise链中抛出的错误会一直传到链尾，但在链尾捕获的错误却不一定清楚来源。而且，链中抛出的错误会fail掉后面的整个Promise链，如果要在链中及时捕获并处理错误，就需要给每个Promise注册一个错误处理回调。噢，又是一堆回调！

那么最理想的异步写法是怎样的呢？像同步语句那样直观地按顺序执行，却又不会阻塞主线程，最好还能用try-catch直接捕捉抛出的错误。也就是说，“化异步为同步”！

痴心妄想？

我在第一话里提到，异步和同步之间的鸿沟在于：同步语句的执行时机是“现在”，而异步语句的执行时机在“未来”。为了填平鸿沟，如果一个异步操作要写成同步的形式，那么同步代码就必须有“等待”的能力，等到“未来”变成“现在”的那一刻，再继续执行后面的语句。

在不阻塞主线程的前提下，这可能吗？

听起来不太可能。幸好，Generator（生成器）为JS带来了这种超能力！

 

二、“暂停/继续”魔法

ES6引入的新特性中，Generator可能是其中最强大也最难理解的之一，即使看了阮一峰老师列举的大量示例代码，知道了它的全部API，也仍是不得要领，这是因为Generator的行为方式突破了我们所熟知的JS运行规则。可一旦掌握了它，它就能赋予我们巨大的能量，极大地提升代码质量、开发效率，以及FEer的幸福指数。

我们先来简单回顾一下，ES6之前的JS运行规则是怎样的呢？

1. JS是单线程执行，只有一个主线程

2. 宿主环境提供了一个事件队列，随着事件被触发，相应的回调函数被放入队列，排队等待执行 

3. 函数内的代码从上到下顺序执行；如果遇到函数调用，就先进入被调用的函数执行，待其返回后，用返回值替代函数调用语句，然后继续顺序执行

对于一个FEer来说，日常开发中理解到这个程度已经够用了，直到他尝试使用Generator……

function* gen() {
    let count = 0;
    while(true) {
        let msg = yield ++count;
        console.log(msg);
    }
}

let iter = gen();
console.log(iter.next().value);
// 1
console.log(iter.next('magic').value);
// 'magic'
// 2

等等，gen明明是个function，执行它时却不执行里面的代码，而是返回一个Iterator对象？代码执行到yield处竟然可以暂停？暂停以后，竟然可以恢复继续执行？说好的单线程呢？另外，暂停/恢复执行时，还可以传出/传入数据？怎么肥四？难道ES6对JS做了什么魔改？

其实Generator并没有改变JS运行的基本规则，不过套用上面的naive JS观已经不足以解释其实现逻辑了，是时候掏出长年在书架上吃灰的计算机基础，重温那些考完试就忘掉的知识。

  

三、法力的秘密——栈与堆

（注：这个部分包含了大量的个人理解，未必准确，欢迎指教）

理解Generator的关键点在于理解函数执行时，内存里发生了什么。

一个JS程序的内存分为代码区、栈区、堆区和队列区，从MDN借图一张以说明（图中没有画出代码区）：

队列（Queue）就是FEer所熟知的事件循环队列。

代码区保存着全部JS源代码被引擎编译成的机器码（以V8为例）。

栈（stack）保存着每个函数执行所需的上下文，一个栈元素被称为一个栈帧，一个栈帧对应一个函数。

对于引用类型的数据，在栈帧里只保存引用，而真正的数据存放在堆（Heap）里。堆与栈不同的是，栈内存由JS引擎自动管理，入栈时分配空间，出栈时回收，非常清楚明了；而堆是程序员通过new操作符手动向操作系统申请的内存空间（当然，用字面量语法创建对象也算），何时该回收没那么明晰，所以需要一套垃圾收集（GC）算法来专门做这件事。

扯了一堆预备知识，终于可以回到Generator的正题了：

普通函数在被调用时，JS引擎会创建一个栈帧，在里面准备好局部变量、函数参数、临时值、代码执行的位置（也就是说这个函数的第一行对应到代码区里的第几行机器码），在当前栈帧里设置好返回位置，然后将新帧压入栈顶。待函数执行结束后，这个栈帧将被弹出栈然后销毁，返回值会被传给上一个栈帧。

当执行到yield语句时，Generator的栈帧同样会被弹出栈外，但Generator在这里耍了个花招——它在堆里保存了栈帧的引用（或拷贝）！这样当iter.next方法被调用时，JS引擎便不会重新创建一个栈帧，而是把堆里的栈帧直接入栈。因为栈帧里保存了函数执行所需的全部上下文以及当前执行的位置，所以当这一切都被恢复如初之时，就好像程序从原本暂停的地方继续向前执行了。

而因为每次yield和iter.next都对应一次出栈和入栈，所以可以直接利用已有的栈机制，实现值的传出和传入。

这就是Generator魔法背后的秘密！

 

四、终极方案：Promise+Generator

Generator的这种特性对于异步来说，意味着什么呢？

意味着，我们终于获得了一种在不阻塞主线程的前提下实现“同步等待”的方法！

为便于说明，先上一段直接使用回调的代码：

let it = gen();  // 获得迭代器

function request() {
    ajax({
        url: 'www.someurl.com',
        onSuccess(res){
            it.next(res);  // 恢复Generator运行，同时向其中塞入异步返回的结果
        }
    });
}

function* gen() {
    let response = yield request();
    console.log(response.text);
}

it.next();  // 启动Generator

注意let response = yield request()这行代码，是不是很有同步的感觉？就是这个Feel！

我们来仔细分析下这段代码是如何运行的。首先，最后一行it.next()使得Generator内部的代码从头开始执行，执行到yield语句时，暂停，此时可以把yield想象成return，Generator的栈帧需要被弹出，会先计算yield右边的表达式，即执行request函数调用，以获得用于返回给上一级栈帧的值。当然request函数没有返回值，但它发送了一个异步ajax请求，并注册了一个onSuccess回调，表示在请求返回结果时，恢复Generator的栈帧并继续运行代码，并把结果作为参数塞给Generator，准确地说是塞到yield所在的地方，这样response变量就获得了ajax的返回值。

可以看出，这里yield的功能设计得非常巧妙，好像它可以“赋值”给response。

更妙的是，迭代器不但可以.next，还可以.throw，即把错误也抛入Generator，让后者来处理。也就是说，在Generator里使用try-catch语句捕获异步错误，不再是梦！

先别急着激动，上面的代码还是too young too simple，要真正发挥Generator处理异步的威力，还得结合他的好兄弟——Promise一起上阵。代码如下：

function request() {  // 此处的request返回的是一个Promise
    return new Promise((resolve, reject) => {
        ajax({
            url: 'www.someurl.com',
            onSuccess(res) {
                resolve(res);
            },
            onFail(err) {
                reject(err);
            }
         });
    });
}

let it = gen();
let p = it.next().value;  // p是yield返回的Promise
p.then(res => it.next(res),
    err => it.throw(err)  // 发生错误时，将错误抛入生成器
);

function* gen() {
    try {
        let response = yield request();
        console.log(response.text);
    } catch (error) {
        console.log('Ooops, ', error.message);  // 可以捕获Promise抛进来的错误！
    }
}

这种写法完美结合了Promise和Generator的优点，可以说是FEer们梦寐以求的超级武器。

但聪明的你一定看得出来，这种写法套路非常固定，当Promise对象一多时，就需要写许多类似于p.then(res => ...., err => ...)这样的重复语句，所以人们为了偷懒，就把这种套路给提炼成了一个更加精简的语法，那就是传说中的async/await：

async funtion fetch() {
    try {
        let response = await request();  // request定义同上一端段示例代码
        console.log(response.text);
    } catch (error) {
        console.log('Ooops, ', error.message);
    }
}

fetch();

这这这。。。就靠拢同步风格的程度而言，我觉得async/await已经到了登峰造极的地步~

顺便说一句，著名Node.js框架Koa2正是要求中间件使用这种写法，足见其强大和可爱。

前端们，擦亮手中的新锐武器，准备迎接来自异步的高难度挑战吧！

 

写在最后

距离发表第二话（Promise）已经过去大半年了，原本设想的终章——第三话（Generator），却迟迟未能动笔，因为笔者一直没能弄懂Generator这个行为怪异的家伙究竟是如何存在于JS世界的，又如何成为“回调地狱”的终极解决方案？直到回头弥补了一些计算机基础知识，才最终突破了理解上的障碍，把Generator的来龙去脉想清楚，从而敢应用到实际工作中。所以说，基础是很重要的，这是永不过时的真理。前端发展非常迅速，框架、工具日新月异，只有基础扎实，才能从容应对，任他风起云涌，我自稳坐钓鱼台。