剖析Node.js異步編程中的回調與代碼設計模式

更新時間：2016年02月16日 16:27:08 投稿：goldensun

這篇文章主要介紹了Node.js異步編程中的回調與代碼設計模式,雖然大多數場合回調編寫時的長串括號不怎么好看,但Node的異步性能確實很好,需要的朋友可以參考下

NodeJS 最大的賣點——事件機制和異步 IO，對開發(fā)者并不是透明的。開發(fā)者需要按異步方式編寫代碼才用得上這個賣點，而這一點也遭到了一些 NodeJS 反對者的抨擊。但不管怎樣，異步編程確實是 NodeJS 最大的特點，沒有掌握異步編程就不能說是真正學會了 NodeJS。本章將介紹與異步編程相關的各種知識。

在代碼中，異步編程的直接體現就是回調。異步編程依托于回調來實現，但不能說使用了回調后程序就異步化了。我們首先可以看看以下代碼。

function heavyCompute(n, callback) {
 var count = 0,
  i, j;

 for (i = n; i > 0; --i) {
  for (j = n; j > 0; --j) {
   count += 1;
  }
 }

 callback(count);
}

heavyCompute(10000, function (count) {
 console.log(count);
});

console.log('hello');

100000000
hello

可以看到，以上代碼中的回調函數仍然先于后續(xù)代碼執(zhí)行。JS 本身是單線程運行的，不可能在一段代碼還未結束運行時去運行別的代碼，因此也就不存在異步執(zhí)行的概念。

但是，如果某個函數做的事情是創(chuàng)建一個別的線程或進程，并與JS主線程并行地做一些事情，并在事情做完后通知 JS 主線程，那情況又不一樣了。我們接著看看以下代碼。

setTimeout(function () {
 console.log('world');
}, 1000);

console.log('hello');

hello
world

這次可以看到，回調函數后于后續(xù)代碼執(zhí)行了。如同上邊所說，JS 本身是單線程的，無法異步執(zhí)行，因此我們可以認為 setTimeout 這類 JS 規(guī)范之外的由運行環(huán)境提供的特殊函數做的事情是創(chuàng)建一個平行線程后立即返回，讓 JS 主進程可以接著執(zhí)行后續(xù)代碼，并在收到平行進程的通知后再執(zhí)行回調函數。除了 setTimeout、setInterval 這些常見的，這類函數還包括 NodeJS 提供的諸如 fs.readFile 之類的異步 API。

另外，我們仍然回到 JS 是單線程運行的這個事實上，這決定了 JS 在執(zhí)行完一段代碼之前無法執(zhí)行包括回調函數在內的別的代碼。也就是說，即使平行線程完成工作了，通知 JS 主線程執(zhí)行回調函數了，回調函數也要等到 JS 主線程空閑時才能開始執(zhí)行。以下就是這么一個例子。

function heavyCompute(n) {
 var count = 0,
  i, j;

 for (i = n; i > 0; --i) {
  for (j = n; j > 0; --j) {
   count += 1;
  }
 }
}

var t = new Date();

setTimeout(function () {
 console.log(new Date() - t);
}, 1000);

heavyCompute(50000);

可以看到，本來應該在1秒后被調用的回調函數因為 JS 主線程忙于運行其它代碼，實際執(zhí)行時間被大幅延遲。

代碼設計模式
異步編程有很多特有的代碼設計模式，為了實現同樣的功能，使用同步方式和異步方式編寫的代碼會有很大差異。以下分別介紹一些常見的模式。

函數返回值
使用一個函數的輸出作為另一個函數的輸入是很常見的需求，在同步方式下一般按以下方式編寫代碼：

var output = fn1(fn2('input'));
// Do something.

而在異步方式下，由于函數執(zhí)行結果不是通過返回值，而是通過回調函數傳遞，因此一般按以下方式編寫代碼：

fn2('input', function (output2) {
 fn1(output2, function (output1) {
  // Do something.
 });
});

可以看到，這種方式就是一個回調函數套一個回調函多，套得太多了很容易寫出>形狀的代碼。

遍歷數組
在遍歷數組時，使用某個函數依次對數據成員做一些處理也是常見的需求。如果函數是同步執(zhí)行的，一般就會寫出以下代碼：

var len = arr.length,
 i = 0;

for (; i < len; ++i) {
 arr[i] = sync(arr[i]);
}

// All array items have processed.

如果函數是異步執(zhí)行的，以上代碼就無法保證循環(huán)結束后所有數組成員都處理完畢了。如果數組成員必須一個接一個串行處理，則一般按照以下方式編寫異步代碼：

(function next(i, len, callback) {
 if (i < len) {
  async(arr[i], function (value) {
   arr[i] = value;
   next(i + 1, len, callback);
  });
 } else {
  callback();
 }
}(0, arr.length, function () {
 // All array items have processed.
}));

可以看到，以上代碼在異步函數執(zhí)行一次并返回執(zhí)行結果后才傳入下一個數組成員并開始下一輪執(zhí)行，直到所有數組成員處理完畢后，通過回調的方式觸發(fā)后續(xù)代碼的執(zhí)行。

如果數組成員可以并行處理，但后續(xù)代碼仍然需要所有數組成員處理完畢后才能執(zhí)行的話，則異步代碼會調整成以下形式：

(function (i, len, count, callback) {
 for (; i < len; ++i) {
  (function (i) {
   async(arr[i], function (value) {
    arr[i] = value;
    if (++count === len) {
     callback();
    }
   });
  }(i));
 }
}(0, arr.length, 0, function () {
 // All array items have processed.
}));

可以看到，與異步串行遍歷的版本相比，以上代碼并行處理所有數組成員，并通過計數器變量來判斷什么時候所有數組成員都處理完畢了。

異常處理
JS 自身提供的異常捕獲和處理機制——try..catch..，只能用于同步執(zhí)行的代碼。以下是一個例子。

function sync(fn) {
 return fn();
}

try {
 sync(null);
 // Do something.
} catch (err) {
 console.log('Error: %s', err.message);
}

Error: object is not a function

可以看到，異常會沿著代碼執(zhí)行路徑一直冒泡，直到遇到第一個 try 語句時被捕獲住。但由于異步函數會打斷代碼執(zhí)行路徑，異步函數執(zhí)行過程中以及執(zhí)行之后產生的異常冒泡到執(zhí)行路徑被打斷的位置時，如果一直沒有遇到 try 語句，就作為一個全局異常拋出。以下是一個例子。

function async(fn, callback) {
 // Code execution path breaks here.
 setTimeout(function ()　{
  callback(fn());
 }, 0);
}

try {
 async(null, function (data) {
  // Do something.
 });
} catch (err) {
 console.log('Error: %s', err.message);
}

/home/user/test.js:4
  callback(fn());
     ^
TypeError: object is not a function
 at null._onTimeout (/home/user/test.js:4:13)
 at Timer.listOnTimeout [as ontimeout] (timers.js:110:15)

因為代碼執(zhí)行路徑被打斷了，我們就需要在異常冒泡到斷點之前用 try 語句把異常捕獲住，并通過回調函數傳遞被捕獲的異常。于是我們可以像下邊這樣改造上邊的例子。

function async(fn, callback) {
 // Code execution path breaks here.
 setTimeout(function ()　{
  try {
   callback(null, fn());
  } catch (err) {
   callback(err);
  }
 }, 0);
}

async(null, function (err, data) {
 if (err) {
  console.log('Error: %s', err.message);
 } else {
  // Do something.
 }
});

Error: object is not a function

可以看到，異常再次被捕獲住了。在 NodeJS 中，幾乎所有異步 API 都按照以上方式設計，回調函數中第一個參數都是 err。因此我們在編寫自己的異步函數時，也可以按照這種方式來處理異常，與 NodeJS 的設計風格保持一致。

有了異常處理方式后，我們接著可以想一想一般我們是怎么寫代碼的。基本上，我們的代碼都是做一些事情，然后調用一個函數，然后再做一些事情，然后再調用一個函數，如此循環(huán)。如果我們寫的是同步代碼，只需要在代碼入口點寫一個 try 語句就能捕獲所有冒泡上來的異常，示例如下。

function main() {
 // Do something.
 syncA();
 // Do something.
 syncB();
 // Do something.
 syncC();
}

try {
 main();
} catch (err) {
 // Deal with exception.
}

但是，如果我們寫的是異步代碼，就只有呵呵了。由于每次異步函數調用都會打斷代碼執(zhí)行路徑，只能通過回調函數來傳遞異常，于是我們就需要在每個回調函數里判斷是否有異常發(fā)生，于是只用三次異步函數調用，就會產生下邊這種代碼。

function main(callback) {
 // Do something.
 asyncA(function (err, data) {
  if (err) {
   callback(err);
  } else {
   // Do something
   asyncB(function (err, data) {
    if (err) {
     callback(err);
    } else {
     // Do something
     asyncC(function (err, data) {
      if (err) {
       callback(err);
      } else {
       // Do something
       callback(null);
      }
     });
    }
   });
  }
 });
}

main(function (err) {
 if (err) {
  // Deal with exception.
 }
});

可以看到，回調函數已經讓代碼變得復雜了，而異步方式下對異常的處理更加劇了代碼的復雜度。

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