单线程与异步
Javascript是单线程运行、支持异步机制的语言。进入正题之前，我们有必要先理解这种运行方式。
以「起床上班」的过程为例，假设有以下几个步骤：
- 起床（10min）
- 洗刷（10min）
- 换衣（5min）
- 叫车（10min）
- 上班（15min）
最简单粗暴的执行方式就是按顺序逐步执行，这样从起床到上班共需50分钟，效率较低。如果能在「洗刷」之前先「叫车」，就可以节省10分钟的等车时间。
这样一来「叫车」就成了异步操作。但为何只有「叫车」可以异步呢？因为车不需要自己开过来，所以自己处于空闲状态，可以先干点别的。
把上面的过程写成代码：
function 起床() { console.info('起床'); }
function 洗刷() { console.info('洗刷'); }
function 换衣() { console.info('换衣'); }
function 上班() { console.info('上班'); }
function 叫车(cb) {
console.info('叫车');
setTimeout(function() {
cb('车来了');
}, 1000);
}
起床();
叫车(function() {
上班();
});
洗刷();
换衣();
因为「上班」要在「叫车」之后才能执行，所以要作为「叫车」的回调函数。然而，「叫车」需要10分钟，「洗刷」也需要10分钟，「洗刷」执行完后刚好车就到了，此时会不会先执行「上班」而不是「换衣」呢？Javascript是单线程的语言，它会先把当前的同步代码执行完再去执行异步的回调。而异步的回调则是另一片同步代码，在这片代码执行完之前，其他的异步回调也不会被执行。所以「上班」不会先于「换衣」执行。
接下来考虑一种情况：手机没电了，想叫车得先充电。很明显，充电的过程也可以异步执行。整个过程应该是：
写成代码则是：
function 充电(cb) {
console.info('充电');
setTimeout(function() {
cb(0.1); // 0.1表示充了10%
}, 1000);
}
起床();
充电(function() {
叫车(function() {
上班();
});
});
洗刷();
换衣()
充电、叫车、上班是异步串行（按顺序执行）的，所以要把后者作为前者的回调函数。可见，串行的异步操作越多，回调函数的嵌套就会越深，最终形成了回调金字塔（也叫回调地狱）：
充电(function() {
叫车(function() {
其他事情1(function() {
其他事情2(function() {
其他事情3(function() {
上班();
});
});
});
});
});
这样的代码极难阅读，也极难维护。此外，还有更复杂的问题：
- 除了异步串行，还有异步并行，甚至是串行、并行互相穿插。
- 异步代码的异常无法通过try...catch捕获，异常处理相当不方便。
可喜的是，随着异步编程的发展，上面提及的这些问题越来越好解决了，下面就给大家介绍四种解决方案。
Async库
Async是一个异步操作的工具库，包含流程控制的功能。
「async.series」即为执行异步串行任务的方法。例如：
// 充电 -> 叫车
async.series([
function(next) {
充电(function(battery) {
next(null, battery);
});
},
function(next) {
叫车(function(msg) {
next(null, msg);
});
}
], function(err, results) {
if (err) {
console.error(err);
} else {
console.dir(results); // [0.1, '车来了']
上班();
}
});
「async.series」的第一个参数是要执行的步骤（数组），每一个步骤都是一个函数。这个函数有一个参数「next」，异步操作完成后必须调用「next」：
- 如果异步操作顺利完成，则调用「next」时的第一个参数为null，第二个参数为执行结果；
- 如果出现异常，则调用「next」时的第一个参数为异常信息。
「async.series」的第二个参数则是这些步骤全部执行完成后的回调函数。其中：
- 第一个参数是异常信息，不为null时表示发生异常；
- 第二个参数是由执行结果汇总而成的数组，顺序与步骤的顺序相对应。
「async.waterfall」是另一个用得更多的异步串行方法，它与「async.series」的区别是：把上一步的结果传给下一步，而不是汇总到最后的回调函数。例如：
// 充电 -> 叫车
async.waterfall([
function(next) {
充电(function(battery) {
next(null, battery);
});
},
// battery为上一步的next所传的参数
function(battery, next) {
if (battery >= 0.1) {
叫车(function(msg) {
next(null, msg);
});
} else {
next(new Error('电量不足'));
}
}
], function(err, result) {
if (err) {
console.error(err);
} else {
console.log(result); // '车来了'
上班();
}
});
而执行异步并行任务的方法则是「async.parallel」，用法与「async.series」类似，这里就不再详细说明了。
那串行、并行相互穿插又是怎样的呢？
// 从起床到上班的整个过程
async.series([
function(next) {
起床();
next();
},
function(next) {
async.parallel([
function(next) {
async.waterfall([
function(next) {
充电(function(battery) {
next(null, battery);
});
},
function(battery, next) {
if (battery >= 0.1) {
叫车(function(msg) {
next(null, msg);
});
} else {
next(new Error('电量不足'));
}
}
], next);
},
function(next) {
洗刷();
换衣();
next();
}
], next);
}
], function(err, results) {
if (err) {
console.error(err);
} else {
上班();
}
});
可见，如果串行和并行互相多穿插几次，还是会出现一定程度的回调金字塔现象。
Asycn库的优点是符合Node.js的异步编程模式（回调函数的第一个参数是异常信息，Node.js原生的异步接口都这样）。然而它的缺点也正是如此，回调函数中有一个异常信息参数，还占据了第一位，实在是太不方便了。
Promise
Promise是ES6标准的一部分，它提供了一种新的异步编程模式。但是ES6定稿比较晚，且旧的浏览器无法支持新的标准，因而有一些第三方的实现（比如Bluebird，不仅实现了Promise的标准，还进行了扩展）。顺带一提，Node.js 4.0+已经原生支持Promise。
那Promise究竟是什么玩意呢？Promise代表异步操作的最终结果，跟Promise交互的主要方式是通过它的「then」或者「catch」方法注册回调函数去接收最终结果或者是不能完成的原因（异常）。
使用Promise首先要把异步操作Promise化：
function 充电Promisify() {
return new Promise(function(resolve) {
充电(function(battery) {
resolve(battery);
});
// 也可以简写为 充电(resolve)
});
}
function 叫车Promisify(battery) {
return new Promise(function(resolve, reject) {
if (battery >= 0.1) {
叫车(function(msg) {
resolve(msg);
});
// 也可以简写为 叫车(resolve)
} else {
reject(new Error('电量不足'));
}
});
}
具体来说，就是创建一个Promise对象，创建时需要传入一个函数，这个函数有两个参数「resolve」和「reject」。操作成功时调用「resolve」，出现异常时调用「reject」。而想要获得异步操作的结果，正如前面所提到的，需要调用Promise对象的「then」方法：
叫车Promisify(0.1).then(function(result) {
console.log(result); // '车来了'
}, function(err) {
console.error(err);
});
叫车Promisify(0).then(function(result) {
console.log(result);
}, function(err) {
console.error(err.message); // '电量不足'
});
「then」方法有两个参数：
- 第一个参数是操作成功（resolved）时的回调；
- 第二个参数是操作拒绝（rejected）时的回调。
要注意的是，创建Promise对象时传入的函数只会执行一次，即使多次调用了「then」方法，该函数也不会重复执行。这样一来，一个Promise实际上还缓存了异步操作的结果。
下面看一下基于Promise的异步串行是怎样的：
// 充电 -> 叫车
充电Promisify().then(function(battery) {
return 叫车Promisify(battery);
}).then(function(result) {
console.log(result); // '车来了'
上班();
}).catch(function(err) {
console.error(err);
});
如果「then」的回调函数返回的是一个Promise对象，那么下一个「then」的回调函数就会在这个Promise对象完成之后再执行。所以多个步骤只需要通过「then」链式调用即可。此外，这段代码的「then」只有一个参数，而异常则由「catch」方法统一处理。
接下来看一下异步并行，需要用到「Promise.all」这个方法：
// 充电、洗刷并行
Promise.all([
充电Promisify(),
new Promise(function(resolve) {
洗刷();
resolve();
})
]).then(function(results) {
console.dir(results); // [0.1, undefined]
}, function(err) {
console.error(err);
});
最后是串行和并行穿插：
// 从起床到上班的过程
new Promise(function(resolve) {
起床();
resolve();
}).then(function() {
return Promise.all([
充电Promisify().then(function(battery) {
return 叫车Promisify(battery);
}),
new Promise(function(resolve) {
洗刷();
换衣();
resolve();
})
]);
}).then(function(results) {
console.dir(results); // ['车来了', undefined]
上班();
}).catch(function(err) {
console.error(err);
});
可见，基于Promise的异步代码比Async库的要简洁得多，通过「then」的链式调用可以很好地控制执行顺序。但是由于现有的大部分异步接口都不是基于Promise写的，所以要进行二次封装。
顺带一提，其实jQuery的「$.ajax」方法返回的就是一个不完全的Promise（没有实现Promise的所有接口）：
$.ajax('a.txt').then(function(resultA) {
console.log(resultA);
return $.ajax('b.txt');
}).then(function(resultB) {
console.log(resultB);
});
Generator Function
Generator Function，中文译名为生成器函数，是ES6中的新特性。这种函数通过「function *」进行声明，函数内部可以通过「yield」关键字暂停函数执行。
这是一个生成器函数的例子：
function* genFn() {
console.log('begin');
var value = yield 'a';
console.log(value); // 'B'
return 'end';
}
var gen = genFn();
console.log(typeof gen); // 'object'
var g1 = gen.next();
g1.value; // 'a'
g1.done; // false
var g2 = gen.next('B');
g2.value; // 'end'
g2.done; // true
如果是普通的函数，执行「genFn()」后就会返回「end」，但生成器函数并不是这样。执行「genFn()」后，实际上是创建了一个生成器函数对象，此时函数内的代码不会执行。而调用这个对象（gen）的「next」方法时，函数开始执行，直到「yield」暂停。「next」方法的返回值是一个对象，它有两个属性：
- value：yield关键字后面的值（如果为表达式，则为表达式的计算结果）；
- done：函数是否执行完毕。
第二次调用「gen.next」时，传入了一个参数值「B」。「next」方法的参数值即为当前暂停函数的「yield」的返回值，所以函数内部value的值为「B」。然后函数继续执行，返回「end」。所以「g2.value」为的值「end」，此时函数执行完毕，「g2.done」的值为「true」。
那到底这玩意对异步编程有何助益呢？且看这段代码：
function* 叫车Gen(battery) {
try {
var result = yield 叫车Promisify(battery);
console.log(result); // '车来了'
} catch (e) {
console.error(e);
}
}
var gen = 叫车Gen(0.1), promise = gen.next().value;
promise.then(function(result) {
gen.next(result);
}, function(err) {
gen.throw(err);
});
其执行过程大概是：执行异步操作后就暂停了「叫车Gen」的执行，异步操作完成后通过「gen.next」把「result」回传到「叫车Gen」中；如果出现异常，就通过「gen.throw」抛出以便在「叫车Gen」里面捕获。
但是这样绕来绕去又有什么好处呢？仔细观察可以发现，「叫车Gen」内部虽然执行的是异步操作，但完全就是同步的写法（没有回调函数，异常捕获也是用常规的「try...catch」）。进一步思考，如果能把后面的细节封装起来，那就真的可以用同步的方式写异步的代码了。而后面的细节部分也是有规律可循的，封装起来并不是难事（只是有点绕）：
function asyncByGen(genFn) {
var gen = genFn();
function nextStep(g) {
if (g.done) { return; }
if (g.value instanceof Promise) {
g.value.then(function(result) {
nextStep(gen.next(result));
}, function(err) {
gen.throw(err);
});
} else {
nextStep(gen.next(g.value));
}
}
nextStep(gen.next());
}
借助这个函数，异步编程可以前所未有地简单：
// 异步串行：充电 -> 叫车
asyncByGen(function *() {
try {
var battery = yield 充电Promisify();
console.log(
yield 叫车Promisify(battery)
); // '车来了'
} catch (e) {
console.error(e);
}
});
// 异步并行：充电、洗刷并行
asyncByGen(function *() {
try {
console.dir(
yield Promise.all([
充电Promisify(),
new Promise(function(resolve) {
洗刷();
resolve()
})
])
); // [0.1, undefined]
} catch (e) {
console.error(e);
}
});
// 串行、并行互相穿插：从起床到上班的过程
asyncByGen(function*() {
try {
起床();
console.dir(
yield Promise.all([
充电Promisify().then(function(battery) {
return 叫车Promisify(battery);
}),
new Promise(function(resolve) {
洗刷();
换衣();
resolve();
})
])
); // [0.1, undefined]
上班();
} catch (e) {
console.error(e);
}
});
生成器函数是一种比较新的特性，虽然Node.js 4.0+已经原生支持，但在旧版本浏览器上肯定无法运行。因此如果要在浏览器端使用还得通过编译器（如Babel）编译成ES5的代码，这也是这种解决方案的最大缺点。
讲到这里，顺便介绍一下「co」库。这个库的功能类似于「asyncByGen」，但它封装得更好，功能也更多，是用生成器函数写异步代码必不可少的利器。
async/await
如果你还是看不懂生成器函数的执行过程，那也没关系，因为它已经“过时”了！ES7提供了「async」、「await」两个关键字，可以达到跟「asyncByGen」一样的效果。
首先给大家介绍一个这两个关键字的用法。「async」是用来声明异步函数的，这种函数的返回值总是Promise对象（即使函数内部返回的不是Promise对象，也会返回一个结果为undefined的Promise对象）。
async function asyncFnA() {
return Promise.resolve('A');
}
asyncFnA().then(function(result) {
console.log(result); // 'A'
});
async function asyncFnB() {
}
asyncFnB().then(function(result) {
console.log(result); // undefined
});
「await」只能用在由「async」声明的异步函数的内部，它会等待其后的Promise对象确定状态后再执行后续的语句：
(async function() {
var battery = await 充电Promisify();
console.log(battery); // 0.1
})();
顺带提一下，「await」后面不一定非要跟着Promise对象，也可以是一个普通的值，这样相当于是执行同步代码。
下面用「async/await」重写上面的例子：
// 异步串行：充电 -> 洗刷
(async function() {
try {
var battery = await 充电Promisify();
return await 叫车Promisify(battery);
} catch (e) {
console.error(e);
}
})().then(function(msg) {
console.log(msg); // 车来了
});
// 异步并行：充电、洗刷并行
(async function() {
try {
return await Promise.all([
充电Promisify(),
(async function() {
洗刷();
})()
]);
} catch (e) {
console.error(e);
}
})().then((results) => {
console.dir(results); // [0.1, undefined]
});
// 串行、并行互相穿插：从起床到上班的过程
(async function() {
try {
起床();
console.dir(
await Promise.all([
充电Promisify().then(function(battery) {
return 叫车Promisify(battery);
}),
(async function() {
洗刷();
换衣();
})()
])
); // [0.1, undefined]
上班();
} catch (e) {
console.error(e);
}
})();
可见，与生成器函数相比，「async/await」又使异步编程变得更为简单了。Node.js 7.6+以及大部分主流浏览器的最新版本都已经支持这两个关键字了，但还是那句话：如果要在浏览器端使用，编译器（如Babel）是少不了的。
后记
本文的第一版写于2015年年底，现在（2017年中）重读一遍，觉得有不少可以改进的地方，而且技术也在不断发展，于是又修改了一遍。改动包括：
- 把示例代码由原来的「AJAX读取文件」改成文章开头所述的「从起床到上班的过程」。虽然用到了中文函数名，但都是可以运行的。
- 新增「async/await」一节。
