JS:异步操作

单线程模型

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

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 从诞生起就是单线程，原因是不想让浏览器变得太复杂

种模式的好处是实现起来比较简单，执行环境相对单纯；坏处是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

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（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

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)

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。

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）。维基百科的定义是：“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

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);

回调函数的优点是简单、容易理解和实现，缺点是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

即取决于某个事件是否发生

首先，为f1绑定一个事件（这里采用的 jQuery 的写法）

f1.on('done', f2);

上面这行代码的意思是，当f1发生done事件，就执行f2。然后，对f1进行改写：

function f1() {
  setTimeout(function () {
    // ...
    f1.trigger('done');
  }, 1000);
}

上面代码中，f1.trigger('done')表示，执行完成后，立即触发done事件，从而开始执行f2。

这种方法的优点是比较容易理解，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。缺点是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

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。这就叫做”发布/订阅模式”（publish-subscribe pattern），又称“观察者模式”（observer pattern）。

这个模式有多种实现，下面采用的是 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);
}

上面代码中，jQuery.publish('done')的意思是，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);

这种方法的性质与“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。这就叫串行执行。

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());

上面代码中，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是并行执行，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。