# 异步操作和Async函数

异步编程对 JavaScript 语言太重要。Javascript 语言的执行环境是“单线程”的，如果没有异步编程，根本没法用，非卡死不可。本章主要介绍如何 Generator 函数完成异步操作。

ES6诞生以前，异步编程的方法，大概有下面四种。

- 回调函数
- 事件监听
- 发布/订阅
- Promise 对象

Generator 函数将 JavaScript 异步编程带入了一个全新的阶段。

## 基本概念

### 异步

所谓"异步"，简单说就是一个任务不是连续完成的，可以理解成该任务被人为分成两段，先执行第一段，然后转而执行其他任务，等做好了准备，再回过头执行第二段。

比如，有一个任务是读取文件进行处理，任务的第一段是向操作系统发出请求，要求读取文件。然后，程序执行其他任务，等到操作系统返回文件，再接着执行任务的第二段（处理文件）。这种不连续的执行，就叫做异步。

相应地，连续的执行就叫做同步。由于是连续执行，不能插入其他任务，所以操作系统从硬盘读取文件的这段时间，程序只能干等着。

### 回调函数

JavaScript 语言对异步编程的实现，就是回调函数。所谓回调函数，就是把任务的第二段单独写在一个函数里面，等到重新执行这个任务的时候，就直接调用这个函数。回调函数的英语名字`callback`，直译过来就是"重新调用"。

读取文件进行处理，是这样写的。

```javascript
fs.readFile('/etc/passwd', 'utf-8', function (err, data) {
  if (err) throw err;
  console.log(data);
});
```

上面代码中，`readFile`函数的第三个参数，就是回调函数，也就是任务的第二段。等到操作系统返回了`/etc/passwd`这个文件以后，回调函数才会执行。

一个有趣的问题是，为什么 Node 约定，回调函数的第一个参数，必须是错误对象`err`（如果没有错误，该参数就是`null`）？

原因是执行分成两段，第一段执行完以后，任务所在的上下文环境就已经结束了。在这以后抛出的错误，原来的上下文环境已经无法捕捉，只能当作参数，传入第二段。

### Promise

回调函数本身并没有问题，它的问题出现在多个回调函数嵌套。假定读取`A`文件之后，再读取`B`文件，代码如下。

```javascript
fs.readFile(fileA, 'utf-8', function (err, data) {
  fs.readFile(fileB, 'utf-8', function (err, data) {
    // ...
  });
});
```

不难想象，如果依次读取两个以上的文件，就会出现多重嵌套。代码不是纵向发展，而是横向发展，很快就会乱成一团，无法管理。因为多个异步操作形成了强耦合，只要有一个操作需要修改，它的上层回调函数和下层回调函数，可能都要跟着修改。这种情况就称为"回调函数地狱"（callback hell）。

Promise 对象就是为了解决这个问题而提出的。它不是新的语法功能，而是一种新的写法，允许将回调函数的嵌套，改成链式调用。采用 Promise，连续读取多个文件，写法如下。

```javascript
var readFile = require('fs-readfile-promise');

readFile(fileA)
.then(function (data) {
  console.log(data.toString());
})
.then(function () {
  return readFile(fileB);
})
.then(function (data) {
  console.log(data.toString());
})
.catch(function (err) {
  console.log(err);
});
```

上面代码中，我使用了`fs-readfile-promise`模块，它的作用就是返回一个 Promise 版本的`readFile`函数。Promise 提供`then`方法加载回调函数，`catch`方法捕捉执行过程中抛出的错误。

可以看到，Promise 的写法只是回调函数的改进，使用`then`方法以后，异步任务的两段执行看得更清楚了，除此以外，并无新意。

Promise 的最大问题是代码冗余，原来的任务被 Promise 包装了一下，不管什么操作，一眼看去都是一堆`then`，原来的语义变得很不清楚。

那么，有没有更好的写法呢？

## Generator函数

### 协程

传统的编程语言，早有异步编程的解决方案（其实是多任务的解决方案）。其中有一种叫做"协程"（coroutine），意思是多个线程互相协作，完成异步任务。

协程有点像函数，又有点像线程。它的运行流程大致如下。

- 第一步，协程`A`开始执行。
- 第二步，协程`A`执行到一半，进入暂停，执行权转移到协程`B`。
- 第三步，（一段时间后）协程`B`交还执行权。
- 第四步，协程`A`恢复执行。

上面流程的协程`A`，就是异步任务，因为它分成两段（或多段）执行。

举例来说，读取文件的协程写法如下。

```javascript
function *asyncJob() {
  // ...其他代码
  var f = yield readFile(fileA);
  // ...其他代码
}
```

上面代码的函数`asyncJob`是一个协程，它的奥妙就在其中的`yield`命令。它表示执行到此处，执行权将交给其他协程。也就是说，`yield`命令是异步两个阶段的分界线。

协程遇到`yield`命令就暂停，等到执行权返回，再从暂停的地方继续往后执行。它的最大优点，就是代码的写法非常像同步操作，如果去除`yield`命令，简直一模一样。

### Generator 函数的概念

Generator 函数是协程在 ES6 的实现，最大特点就是可以交出函数的执行权（即暂停执行）。

整个 Generator 函数就是一个封装的异步任务，或者说是异步任务的容器。异步操作需要暂停的地方，都用`yield`语句注明。Generator 函数的执行方法如下。

```javascript
function* gen(x) {
  var y = yield x + 2;
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next() // { value: 3, done: false }
g.next() // { value: undefined, done: true }
```

上面代码中，调用 Generator 函数，会返回一个内部指针（即遍历器）`g`。这是 Generator 函数不同于普通函数的另一个地方，即执行它不会返回结果，返回的是指针对象。调用指针`g`的`next`方法，会移动内部指针（即执行异步任务的第一段），指向第一个遇到的`yield`语句，上例是执行到`x + 2`为止。

换言之，`next`方法的作用是分阶段执行`Generator`函数。每次调用`next`方法，会返回一个对象，表示当前阶段的信息（`value`属性和`done`属性）。`value`属性是`yield`语句后面表达式的值，表示当前阶段的值；`done`属性是一个布尔值，表示 Generator 函数是否执行完毕，即是否还有下一个阶段。

### Generator 函数的数据交换和错误处理

Generator函数可以暂停执行和恢复执行，这是它能封装异步任务的根本原因。除此之外，它还有两个特性，使它可以作为异步编程的完整解决方案：函数体内外的数据交换和错误处理机制。

next方法返回值的value属性，是Generator函数向外输出数据；next方法还可以接受参数，这是向Generator函数体内输入数据。

```javascript
function* gen(x){
  var y = yield x + 2;
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next() // { value: 3, done: false }
g.next(2) // { value: 2, done: true }
```

上面代码中，第一个next方法的value属性，返回表达式`x + 2`的值（3）。第二个next方法带有参数2，这个参数可以传入 Generator 函数，作为上个阶段异步任务的返回结果，被函数体内的变量y接收。因此，这一步的 value 属性，返回的就是2（变量y的值）。

Generator 函数内部还可以部署错误处理代码，捕获函数体外抛出的错误。

```javascript
function* gen(x){
  try {
    var y = yield x + 2;
  } catch (e){
    console.log(e);
  }
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next();
g.throw('出错了');
// 出错了
```

上面代码的最后一行，Generator函数体外，使用指针对象的throw方法抛出的错误，可以被函数体内的try ...catch代码块捕获。这意味着，出错的代码与处理错误的代码，实现了时间和空间上的分离，这对于异步编程无疑是很重要的。

### 异步任务的封装

下面看看如何使用 Generator 函数，执行一个真实的异步任务。

```javascript
var fetch = require('node-fetch');

function* gen(){
  var url = 'https://api.github.com/users/github';
  var result = yield fetch(url);
  console.log(result.bio);
}
```

上面代码中，Generator函数封装了一个异步操作，该操作先读取一个远程接口，然后从JSON格式的数据解析信息。就像前面说过的，这段代码非常像同步操作，除了加上了yield命令。

执行这段代码的方法如下。

```javascript
var g = gen();
var result = g.next();

result.value.then(function(data){
  return data.json();
}).then(function(data){
  g.next(data);
});
```

上面代码中，首先执行Generator函数，获取遍历器对象，然后使用next 方法（第二行），执行异步任务的第一阶段。由于Fetch模块返回的是一个Promise对象，因此要用then方法调用下一个next 方法。

可以看到，虽然 Generator 函数将异步操作表示得很简洁，但是流程管理却不方便（即何时执行第一阶段、何时执行第二阶段）。

## Thunk函数

### 参数的求值策略

Thunk函数早在上个世纪60年代就诞生了。

那时，编程语言刚刚起步，计算机学家还在研究，编译器怎么写比较好。一个争论的焦点是"求值策略"，即函数的参数到底应该何时求值。

```javascript
var x = 1;

function f(m){
  return m * 2;
}

f(x + 5)
```

上面代码先定义函数f，然后向它传入表达式`x + 5`。请问，这个表达式应该何时求值？

一种意见是"传值调用"（call by value），即在进入函数体之前，就计算`x + 5`的值（等于6），再将这个值传入函数f 。C语言就采用这种策略。

```javascript
f(x + 5)
// 传值调用时，等同于
f(6)
```

另一种意见是"传名调用"（call by name），即直接将表达式`x + 5`传入函数体，只在用到它的时候求值。Haskell语言采用这种策略。

```javascript
f(x + 5)
// 传名调用时，等同于
(x + 5) * 2
```

传值调用和传名调用，哪一种比较好？回答是各有利弊。传值调用比较简单，但是对参数求值的时候，实际上还没用到这个参数，有可能造成性能损失。

```javascript
function f(a, b){
  return b;
}

f(3 * x * x - 2 * x - 1, x);
```

上面代码中，函数f的第一个参数是一个复杂的表达式，但是函数体内根本没用到。对这个参数求值，实际上是不必要的。因此，有一些计算机学家倾向于"传名调用"，即只在执行时求值。

### Thunk函数的含义

编译器的"传名调用"实现，往往是将参数放到一个临时函数之中，再将这个临时函数传入函数体。这个临时函数就叫做Thunk函数。

```javascript
function f(m){
  return m * 2;
}

f(x + 5);

// 等同于

var thunk = function () {
  return x + 5;
};

function f(thunk){
  return thunk() * 2;
}
```

上面代码中，函数f的参数`x + 5`被一个函数替换了。凡是用到原参数的地方，对`Thunk`函数求值即可。

这就是Thunk函数的定义，它是"传名调用"的一种实现策略，用来替换某个表达式。

### JavaScript语言的Thunk函数

JavaScript语言是传值调用，它的Thunk函数含义有所不同。在JavaScript语言中，Thunk函数替换的不是表达式，而是多参数函数，将其替换成单参数的版本，且只接受回调函数作为参数。

```javascript
// 正常版本的readFile（多参数版本）
fs.readFile(fileName, callback);

// Thunk版本的readFile（单参数版本）
var Thunk = function (fileName){
  return function (callback){
    return fs.readFile(fileName, callback);
  };
};

var readFileThunk = Thunk(fileName);
readFileThunk(callback);
```

上面代码中，fs模块的readFile方法是一个多参数函数，两个参数分别为文件名和回调函数。经过转换器处理，它变成了一个单参数函数，只接受回调函数作为参数。这个单参数版本，就叫做Thunk函数。

任何函数，只要参数有回调函数，就能写成Thunk函数的形式。下面是一个简单的Thunk函数转换器。

```javascript
// ES5版本
var Thunk = function(fn){
  return function (){
    var args = Array.prototype.slice.call(arguments);
    return function (callback){
      args.push(callback);
      return fn.apply(this, args);
    }
  };
};

// ES6版本
var Thunk = function(fn) {
  return function (...args) {
    return function (callback) {
      return fn.call(this, ...args, callback);
    }
  };
};
```

使用上面的转换器，生成`fs.readFile`的Thunk函数。

```javascript
var readFileThunk = Thunk(fs.readFile);
readFileThunk(fileA)(callback);
```

下面是另一个完整的例子。

```javascript
function f(a, cb) {
  cb(a);
}
let ft = Thunk(f);

let log = console.log.bind(console);
ft(1)(log) // 1
```

### Thunkify模块

生产环境的转换器，建议使用Thunkify模块。

首先是安装。

```bash
$ npm install thunkify
```

使用方式如下。

```javascript
var thunkify = require('thunkify');
var fs = require('fs');

var read = thunkify(fs.readFile);
read('package.json')(function(err, str){
  // ...
});
```

Thunkify的源码与上一节那个简单的转换器非常像。

```javascript
function thunkify(fn){
  return function(){
    var args = new Array(arguments.length);
    var ctx = this;

    for(var i = 0; i < args.length; ++i) {
      args[i] = arguments[i];
    }

    return function(done){
      var called;

      args.push(function(){
        if (called) return;
        called = true;
        done.apply(null, arguments);
      });

      try {
        fn.apply(ctx, args);
      } catch (err) {
        done(err);
      }
    }
  }
};
```

它的源码主要多了一个检查机制，变量`called`确保回调函数只运行一次。这样的设计与下文的Generator函数相关。请看下面的例子。

```javascript
function f(a, b, callback){
  var sum = a + b;
  callback(sum);
  callback(sum);
}

var ft = thunkify(f);
var print = console.log.bind(console);
ft(1, 2)(print);
// 3
```

上面代码中，由于`thunkify`只允许回调函数执行一次，所以只输出一行结果。

### Generator 函数的流程管理

你可能会问， Thunk函数有什么用？回答是以前确实没什么用，但是ES6有了Generator函数，Thunk函数现在可以用于Generator函数的自动流程管理。

Generator函数可以自动执行。

```javascript
function* gen() {
  // ...
}

var g = gen();
var res = g.next();

while(!res.done){
  console.log(res.value);
  res = g.next();
}
```

上面代码中，Generator函数`gen`会自动执行完所有步骤。

但是，这不适合异步操作。如果必须保证前一步执行完，才能执行后一步，上面的自动执行就不可行。这时，Thunk函数就能派上用处。以读取文件为例。下面的Generator函数封装了两个异步操作。

```javascript
var fs = require('fs');
var thunkify = require('thunkify');
var readFile = thunkify(fs.readFile);

var gen = function* (){
  var r1 = yield readFile('/etc/fstab');
  console.log(r1.toString());
  var r2 = yield readFile('/etc/shells');
  console.log(r2.toString());
};
```

上面代码中，yield命令用于将程序的执行权移出Generator函数，那么就需要一种方法，将执行权再交还给Generator函数。

这种方法就是Thunk函数，因为它可以在回调函数里，将执行权交还给Generator函数。为了便于理解，我们先看如何手动执行上面这个Generator函数。

```javascript
var g = gen();

var r1 = g.next();
r1.value(function(err, data){
  if (err) throw err;
  var r2 = g.next(data);
  r2.value(function(err, data){
    if (err) throw err;
    g.next(data);
  });
});
```

上面代码中，变量g是Generator函数的内部指针，表示目前执行到哪一步。next方法负责将指针移动到下一步，并返回该步的信息（value属性和done属性）。

仔细查看上面的代码，可以发现Generator函数的执行过程，其实是将同一个回调函数，反复传入next方法的value属性。这使得我们可以用递归来自动完成这个过程。

### Thunk函数的自动流程管理

Thunk函数真正的威力，在于可以自动执行Generator函数。下面就是一个基于Thunk函数的Generator执行器。

```javascript
function run(fn) {
  var gen = fn();

  function next(err, data) {
    var result = gen.next(data);
    if (result.done) return;
    result.value(next);
  }

  next();
}

function* g() {
  // ...
}

run(g);
```

上面代码的`run`函数，就是一个Generator函数的自动执行器。内部的`next`函数就是Thunk的回调函数。`next`函数先将指针移到Generator函数的下一步（`gen.next`方法），然后判断Generator函数是否结束（`result.done`属性），如果没结束，就将`next`函数再传入Thunk函数（`result.value`属性），否则就直接退出。

有了这个执行器，执行Generator函数方便多了。不管内部有多少个异步操作，直接把Generator函数传入`run`函数即可。当然，前提是每一个异步操作，都要是Thunk函数，也就是说，跟在`yield`命令后面的必须是Thunk函数。

```javascript
var g = function* (){
  var f1 = yield readFile('fileA');
  var f2 = yield readFile('fileB');
  // ...
  var fn = yield readFile('fileN');
};

run(g);
```

上面代码中，函数`g`封装了`n`个异步的读取文件操作，只要执行`run`函数，这些操作就会自动完成。这样一来，异步操作不仅可以写得像同步操作，而且一行代码就可以执行。

Thunk函数并不是Generator函数自动执行的唯一方案。因为自动执行的关键是，必须有一种机制，自动控制Generator函数的流程，接收和交还程序的执行权。回调函数可以做到这一点，Promise 对象也可以做到这一点。

## co模块

### 基本用法

[co模块](https://github.com/tj/co)是著名程序员TJ Holowaychuk于2013年6月发布的一个小工具，用于Generator函数的自动执行。

比如，有一个Generator函数，用于依次读取两个文件。

```javascript
var gen = function* (){
  var f1 = yield readFile('/etc/fstab');
  var f2 = yield readFile('/etc/shells');
  console.log(f1.toString());
  console.log(f2.toString());
};
```

co模块可以让你不用编写Generator函数的执行器。

```javascript
var co = require('co');
co(gen);
```

上面代码中，Generator函数只要传入co函数，就会自动执行。

co函数返回一个Promise对象，因此可以用then方法添加回调函数。

```javascript
co(gen).then(function (){
  console.log('Generator 函数执行完成');
});
```

上面代码中，等到Generator函数执行结束，就会输出一行提示。

### co模块的原理

为什么 co 可以自动执行 Generator 函数？

前面说过，Generator 就是一个异步操作的容器。它的自动执行需要一种机制，当异步操作有了结果，能够自动交回执行权。

两种方法可以做到这一点。

（1）回调函数。将异步操作包装成 Thunk 函数，在回调函数里面交回执行权。

（2）Promise 对象。将异步操作包装成 Promise 对象，用`then`方法交回执行权。

co 模块其实就是将两种自动执行器（Thunk 函数和 Promise 对象），包装成一个模块。使用 co 的前提条件是，Generator 函数的`yield`命令后面，只能是 Thunk 函数或 Promise 对象。

上一节已经介绍了基于 Thunk 函数的自动执行器。下面来看，基于 Promise 对象的自动执行器。这是理解 co 模块必须的。

### 基于 Promise 对象的自动执行

还是沿用上面的例子。首先，把`fs`模块的`readFile`方法包装成一个 Promise 对象。

```javascript
var fs = require('fs');

var readFile = function (fileName){
  return new Promise(function (resolve, reject){
    fs.readFile(fileName, function(error, data){
      if (error) return reject(error);
      resolve(data);
    });
  });
};

var gen = function* (){
  var f1 = yield readFile('/etc/fstab');
  var f2 = yield readFile('/etc/shells');
  console.log(f1.toString());
  console.log(f2.toString());
};
```

然后，手动执行上面的 Generator 函数。

```javascript
var g = gen();

g.next().value.then(function(data){
  g.next(data).value.then(function(data){
    g.next(data);
  });
});
```

手动执行其实就是用`then`方法，层层添加回调函数。理解了这一点，就可以写出一个自动执行器。

```javascript
function run(gen){
  var g = gen();

  function next(data){
    var result = g.next(data);
    if (result.done) return result.value;
    result.value.then(function(data){
      next(data);
    });
  }

  next();
}

run(gen);
```

上面代码中，只要 Generator 函数还没执行到最后一步，`next`函数就调用自身，以此实现自动执行。

### co 模块的源码

co 就是上面那个自动执行器的扩展，它的源码只有几十行，非常简单。

首先，co 函数接受 Generator 函数作为参数，返回一个 Promise 对象。

```javascript
function co(gen) {
  var ctx = this;

  return new Promise(function(resolve, reject) {
  });
}
```

在返回的 Promise 对象里面，co 先检查参数`gen`是否为 Generator 函数。如果是，就执行该函数，得到一个内部指针对象；如果不是就返回，并将 Promise 对象的状态改为`resolved`。

```javascript
function co(gen) {
  var ctx = this;

  return new Promise(function(resolve, reject) {
    if (typeof gen === 'function') gen = gen.call(ctx);
    if (!gen || typeof gen.next !== 'function') return resolve(gen);
  });
}
```

接着，co 将 Generator 函数的内部指针对象的`next`方法，包装成`onFulfilled`函数。这主要是为了能够捕捉抛出的错误。

```javascript
function co(gen) {
  var ctx = this;

  return new Promise(function(resolve, reject) {
    if (typeof gen === 'function') gen = gen.call(ctx);
    if (!gen || typeof gen.next !== 'function') return resolve(gen);

    onFulfilled();
    function onFulfilled(res) {
      var ret;
      try {
        ret = gen.next(res);
      } catch (e) {
        return reject(e);
      }
      next(ret);
    }
  });
}
```

最后，就是关键的`next`函数，它会反复调用自身。

```javascript
function next(ret) {
  if (ret.done) return resolve(ret.value);
  var value = toPromise.call(ctx, ret.value);
  if (value && isPromise(value)) return value.then(onFulfilled, onRejected);
  return onRejected(
    new TypeError(
      'You may only yield a function, promise, generator, array, or object, '
      + 'but the following object was passed: "'
      + String(ret.value)
      + '"'
    )
  );
}
```

上面代码中，`next`函数的内部代码，一共只有四行命令。

第一行，检查当前是否为 Generator 函数的最后一步，如果是就返回。

第二行，确保每一步的返回值，是 Promise 对象。

第三行，使用`then`方法，为返回值加上回调函数，然后通过`onFulfilled`函数再次调用`next`函数。

第四行，在参数不符合要求的情况下（参数非 Thunk 函数和 Promise 对象），将 Promise 对象的状态改为`rejected`，从而终止执行。

### 处理并发的异步操作

co 支持并发的异步操作，即允许某些操作同时进行，等到它们全部完成，才进行下一步。

这时，要把并发的操作都放在数组或对象里面，跟在`yield`语句后面。

```javascript
// 数组的写法
co(function* () {
  var res = yield [
    Promise.resolve(1),
    Promise.resolve(2)
  ];
  console.log(res);
}).catch(onerror);

// 对象的写法
co(function* () {
  var res = yield {
    1: Promise.resolve(1),
    2: Promise.resolve(2),
  };
  console.log(res);
}).catch(onerror);
```

下面是另一个例子。

```javascript
co(function* () {
  var values = [n1, n2, n3];
  yield values.map(somethingAsync);
});

function* somethingAsync(x) {
  // do something async
  return y
}
```

上面的代码允许并发三个`somethingAsync`异步操作，等到它们全部完成，才会进行下一步。

## async函数

### 含义

ES2017 标准提供了`async`函数，使得异步操作变得更加方便。

`async`函数是什么？一句话，`async`函数就是 Generator 函数的语法糖。前文有一个 Generator 函数，依次读取两个文件。

```javascript
var fs = require('fs');

var readFile = function (fileName) {
  return new Promise(function (resolve, reject) {
    fs.readFile(fileName, function(error, data) {
      if (error) reject(error);
      resolve(data);
    });
  });
};

var gen = function* (){
  var f1 = yield readFile('/etc/fstab');
  var f2 = yield readFile('/etc/shells');
  console.log(f1.toString());
  console.log(f2.toString());
};
```

写成`async`函数，就是下面这样。

```javascript
var asyncReadFile = async function (){
  var f1 = await readFile('/etc/fstab');
  var f2 = await readFile('/etc/shells');
  console.log(f1.toString());
  console.log(f2.toString());
};
```

一比较就会发现，`async`函数就是将 Generator 函数的星号（`*`）替换成`async`，将`yield`替换成`await`，仅此而已。

`async`函数对 Generator 函数的改进，体现在以下四点。

（1）内置执行器。Generator 函数的执行必须靠执行器，所以才有了`co`模块，而`async`函数自带执行器。也就是说，`async`函数的执行，与普通函数一模一样，只要一行。

```javascript
var result = asyncReadFile();
```

上面的代码调用了`asyncReadFile`函数，然后它就会自动执行，输出最后结果。这完全不像 Generator 函数，需要调用`next`方法，或者用`co`模块，才能得到真正执行，得到最后结果。

（2）更好的语义。`async`和`await`，比起星号和`yield`，语义更清楚了。`async`表示函数里有异步操作，`await`表示紧跟在后面的表达式需要等待结果。

（3）更广的适用性。 `co`模块约定，`yield`命令后面只能是 Thunk 函数或 Promise 对象，而`async`函数的`await`命令后面，可以是Promise 对象和原始类型的值（数值、字符串和布尔值，但这时等同于同步操作）。

（4）返回值是 Promise。`async`函数的返回值是 Promise 对象，这比 Generator 函数的返回值是 Iterator 对象方便多了。你可以用`then`方法指定下一步的操作。

进一步说，`async`函数完全可以看作多个异步操作，包装成的一个 Promise 对象，而`await`命令就是内部`then`命令的语法糖。

### 语法

`async`函数的语法规则总体上比较简单，难点是错误处理机制。

（1）`async`函数返回一个Promise对象。

`async`函数内部`return`语句返回的值，会成为`then`方法回调函数的参数。

```javascript
async function f() {
  return 'hello world';
}

f().then(v => console.log(v))
// "hello world"
```

上面代码中，函数`f`内部`return`命令返回的值，会被`then`方法回调函数接收到。

`async`函数内部抛出错误，会导致返回的 Promise 对象变为`reject`状态。抛出的错误对象会被`catch`方法回调函数接收到。

```javascript
async function f() {
  throw new Error('出错了');
}

f().then(
  v => console.log(v),
  e => console.log(e)
)
// Error: 出错了
```

（2）`async`函数返回的 Promise 对象，必须等到内部所有`await`命令的 Promise 对象执行完，才会发生状态改变，除非遇到`return`语句或者抛出错误。也就是说，只有`async`函数内部的异步操作执行完，才会执行`then`方法指定的回调函数。

下面是一个例子。

```javascript
async function getTitle(url) {
  let response = await fetch(url);
  let html = await response.text();
  return html.match(/<title>([\s\S]+)<\/title>/i)[1];
}
getTitle('https://tc39.github.io/ecma262/').then(console.log)
// "ECMAScript 2017 Language Specification"
```

上面代码中，函数`getTitle`内部有三个操作：抓取网页、取出文本、匹配页面标题。只有这三个操作全部完成，才会执行`then`方法里面的`console.log`。

（3）正常情况下，`await`命令后面是一个 Promise 对象。如果不是，会被转成一个立即`resolve`的 Promise 对象。

```javascript
async function f() {
  return await 123;
}

f().then(v => console.log(v))
// 123
```

上面代码中，`await`命令的参数是数值`123`，它被转成Promise对象，并立即`resolve`。

`await`命令后面的Promise对象如果变为`reject`状态，则`reject`的参数会被`catch`方法的回调函数接收到。

```javascript
async function f() {
  await Promise.reject('出错了');
}

f()
.then(v => console.log(v))
.catch(e => console.log(e))
// 出错了
```

注意，上面代码中，`await`语句前面没有`return`，但是`reject`方法的参数依然传入了`catch`方法的回调函数。这里如果在`await`前面加上`return`，效果是一样的。

只要一个`await`语句后面的Promise变为`reject`，那么整个`async`函数都会中断执行。

```javascript
async function f() {
  await Promise.reject('出错了');
  await Promise.resolve('hello world'); // 不会执行
}
```

上面代码中，第二个`await`语句是不会执行的，因为第一个`await`语句状态变成了`reject`。

为了避免这个问题，可以将第一个`await`放在`try...catch`结构里面，这样第二个`await`就会执行。

```javascript
async function f() {
  try {
    await Promise.reject('出错了');
  } catch(e) {
  }
  return await Promise.resolve('hello world');
}

f()
.then(v => console.log(v))
// hello world
```

另一种方法是`await`后面的Promise对象再跟一个`catch`方法，处理前面可能出现的错误。

```javascript
async function f() {
  await Promise.reject('出错了')
    .catch(e => console.log(e));
  return await Promise.resolve('hello world');
}

f()
.then(v => console.log(v))
// 出错了
// hello world
```

如果有多个`await`命令，可以统一放在`try...catch`结构中。

```javascript
async function main() {
  try {
    var val1 = await firstStep();
    var val2 = await secondStep(val1);
    var val3 = await thirdStep(val1, val2);

    console.log('Final: ', val3);
  }
  catch (err) {
    console.error(err);
  }
}
```

（4）如果`await`后面的异步操作出错，那么等同于`async`函数返回的Promise对象被`reject`。

```javascript
async function f() {
  await new Promise(function (resolve, reject) {
    throw new Error('出错了');
  });
}

f()
.then(v => console.log(v))
.catch(e => console.log(e))
// Error：出错了
```

上面代码中，`async`函数`f`执行后，`await`后面的Promise对象会抛出一个错误对象，导致`catch`方法的回调函数被调用，它的参数就是抛出的错误对象。具体的执行机制，可以参考后文的“async函数的实现”。

防止出错的方法，也是将其放在`try...catch`代码块之中。

```javascript
async function f() {
  try {
    await new Promise(function (resolve, reject) {
      throw new Error('出错了');
    });
  } catch(e) {
  }
  return await('hello world');
}
```

### async函数的实现

async 函数的实现，就是将 Generator 函数和自动执行器，包装在一个函数里。

```javascript
async function fn(args){
  // ...
}

// 等同于

function fn(args){
  return spawn(function*() {
    // ...
  });
}
```

所有的`async`函数都可以写成上面的第二种形式，其中的 spawn 函数就是自动执行器。

下面给出`spawn`函数的实现，基本就是前文自动执行器的翻版。

```javascript
function spawn(genF) {
  return new Promise(function(resolve, reject) {
    var gen = genF();
    function step(nextF) {
      try {
        var next = nextF();
      } catch(e) {
        return reject(e);
      }
      if(next.done) {
        return resolve(next.value);
      }
      Promise.resolve(next.value).then(function(v) {
        step(function() { return gen.next(v); });
      }, function(e) {
        step(function() { return gen.throw(e); });
      });
    }
    step(function() { return gen.next(undefined); });
  });
}
```

### async 函数的用法

`async`函数返回一个Promise对象，可以使用`then`方法添加回调函数。当函数执行的时候，一旦遇到`await`就会先返回，等到触发的异步操作完成，再接着执行函数体内后面的语句。

下面是一个例子。

```javascript
async function getStockPriceByName(name) {
  var symbol = await getStockSymbol(name);
  var stockPrice = await getStockPrice(symbol);
  return stockPrice;
}

getStockPriceByName('goog').then(function (result) {
  console.log(result);
});
```

上面代码是一个获取股票报价的函数，函数前面的`async`关键字，表明该函数内部有异步操作。调用该函数时，会立即返回一个`Promise`对象。

下面的例子，指定多少毫秒后输出一个值。

```javascript
function timeout(ms) {
  return new Promise((resolve) => {
    setTimeout(resolve, ms);
  });
}

async function asyncPrint(value, ms) {
  await timeout(ms);
  console.log(value)
}

asyncPrint('hello world', 50);
```

上面代码指定50毫秒以后，输出`hello world`。

Async函数有多种使用形式。

```javascript
// 函数声明
async function foo() {}

// 函数表达式
const foo = async function () {};

// 对象的方法
let obj = { async foo() {} };
obj.foo().then(...)

// Class 的方法
class Storage {
  constructor() {
    this.cachePromise = caches.open('avatars');
  }

  async getAvatar(name) {
    const cache = await this.cachePromise;
    return cache.match(`/avatars/${name}.jpg`);
  }
}

const storage = new Storage();
storage.getAvatar('jake').then(…);

// 箭头函数
const foo = async () => {};
```

### 注意点

第一点，`await`命令后面的`Promise`对象，运行结果可能是`rejected`，所以最好把`await`命令放在`try...catch`代码块中。

```javascript
async function myFunction() {
  try {
    await somethingThatReturnsAPromise();
  } catch (err) {
    console.log(err);
  }
}

// 另一种写法

async function myFunction() {
  await somethingThatReturnsAPromise()
  .catch(function (err) {
    console.log(err);
  };
}
```

第二点，多个`await`命令后面的异步操作，如果不存在继发关系，最好让它们同时触发。

```javascript
let foo = await getFoo();
let bar = await getBar();
```

上面代码中，`getFoo`和`getBar`是两个独立的异步操作（即互不依赖），被写成继发关系。这样比较耗时，因为只有`getFoo`完成以后，才会执行`getBar`，完全可以让它们同时触发。

```javascript
// 写法一
let [foo, bar] = await Promise.all([getFoo(), getBar()]);

// 写法二
let fooPromise = getFoo();
let barPromise = getBar();
let foo = await fooPromise;
let bar = await barPromise;
```

上面两种写法，`getFoo`和`getBar`都是同时触发，这样就会缩短程序的执行时间。

第三点，`await`命令只能用在`async`函数之中，如果用在普通函数，就会报错。

```javascript
async function dbFuc(db) {
  let docs = [{}, {}, {}];

  // 报错
  docs.forEach(function (doc) {
    await db.post(doc);
  });
}
```

上面代码会报错，因为await用在普通函数之中了。但是，如果将`forEach`方法的参数改成`async`函数，也有问题。

```javascript
async function dbFuc(db) {
  let docs = [{}, {}, {}];

  // 可能得到错误结果
  docs.forEach(async function (doc) {
    await db.post(doc);
  });
}
```

上面代码可能不会正常工作，原因是这时三个`db.post`操作将是并发执行，也就是同时执行，而不是继发执行。正确的写法是采用`for`循环。

```javascript
async function dbFuc(db) {
  let docs = [{}, {}, {}];

  for (let doc of docs) {
    await db.post(doc);
  }
}
```

如果确实希望多个请求并发执行，可以使用`Promise.all`方法。

```javascript
async function dbFuc(db) {
  let docs = [{}, {}, {}];
  let promises = docs.map((doc) => db.post(doc));

  let results = await Promise.all(promises);
  console.log(results);
}

// 或者使用下面的写法

async function dbFuc(db) {
  let docs = [{}, {}, {}];
  let promises = docs.map((doc) => db.post(doc));

  let results = [];
  for (let promise of promises) {
    results.push(await promise);
  }
  console.log(results);
}
```

ES6将`await`增加为保留字。使用这个词作为标识符，在ES5是合法的，在ES6将抛出SyntaxError。

### 与Promise、Generator的比较

我们通过一个例子，来看Async函数与Promise、Generator函数的区别。

假定某个DOM元素上面，部署了一系列的动画，前一个动画结束，才能开始后一个。如果当中有一个动画出错，就不再往下执行，返回上一个成功执行的动画的返回值。

首先是Promise的写法。

```javascript
function chainAnimationsPromise(elem, animations) {

  // 变量ret用来保存上一个动画的返回值
  var ret = null;

  // 新建一个空的Promise
  var p = Promise.resolve();

  // 使用then方法，添加所有动画
  for(var anim of animations) {
    p = p.then(function(val) {
      ret = val;
      return anim(elem);
    });
  }

  // 返回一个部署了错误捕捉机制的Promise
  return p.catch(function(e) {
    /* 忽略错误，继续执行 */
  }).then(function() {
    return ret;
  });

}
```

虽然Promise的写法比回调函数的写法大大改进，但是一眼看上去，代码完全都是Promise的API（then、catch等等），操作本身的语义反而不容易看出来。

接着是Generator函数的写法。

```javascript
function chainAnimationsGenerator(elem, animations) {

  return spawn(function*() {
    var ret = null;
    try {
      for(var anim of animations) {
        ret = yield anim(elem);
      }
    } catch(e) {
      /* 忽略错误，继续执行 */
    }
    return ret;
  });

}
```

上面代码使用Generator函数遍历了每个动画，语义比Promise写法更清晰，用户定义的操作全部都出现在spawn函数的内部。这个写法的问题在于，必须有一个任务运行器，自动执行Generator函数，上面代码的spawn函数就是自动执行器，它返回一个Promise对象，而且必须保证yield语句后面的表达式，必须返回一个Promise。

最后是Async函数的写法。

```javascript
async function chainAnimationsAsync(elem, animations) {
  var ret = null;
  try {
    for(var anim of animations) {
      ret = await anim(elem);
    }
  } catch(e) {
    /* 忽略错误，继续执行 */
  }
  return ret;
}
```

可以看到Async函数的实现最简洁，最符合语义，几乎没有语义不相关的代码。它将Generator写法中的自动执行器，改在语言层面提供，不暴露给用户，因此代码量最少。如果使用Generator写法，自动执行器需要用户自己提供。

### 实例：按顺序完成异步操作

实际开发中，经常遇到一组异步操作，需要按照顺序完成。比如，依次远程读取一组URL，然后按照读取的顺序输出结果。

Promise 的写法如下。

```javascript
function logInOrder(urls) {
  // 远程读取所有URL
  const textPromises = urls.map(url => {
    return fetch(url).then(response => response.text());
  });

  // 按次序输出
  textPromises.reduce((chain, textPromise) => {
    return chain.then(() => textPromise)
      .then(text => console.log(text));
  }, Promise.resolve());
}
```

上面代码使用`fetch`方法，同时远程读取一组URL。每个`fetch`操作都返回一个`Promise`对象，放入`textPromises`数组。然后，`reduce`方法依次处理每个`Promise`对象，然后使用`then`，将所有`Promise`对象连起来，因此就可以依次输出结果。

这种写法不太直观，可读性比较差。下面是`async`函数实现。

```javascript
async function logInOrder(urls) {
  for (const url of urls) {
    const response = await fetch(url);
    console.log(await response.text());
  }
}
```

上面代码确实大大简化，问题是所有远程操作都是继发。只有前一个URL返回结果，才会去读取下一个URL，这样做效率很差，非常浪费时间。我们需要的是并发发出远程请求。

```javascript
async function logInOrder(urls) {
  // 并发读取远程URL
  const textPromises = urls.map(async url => {
    const response = await fetch(url);
    return response.text();
  });

  // 按次序输出
  for (const textPromise of textPromises) {
    console.log(await textPromise);
  }
}
```

上面代码中，虽然`map`方法的参数是`async`函数，但它是并发执行的，因为只有`async`函数内部是继发执行，外部不受影响。后面的`for..of`循环内部使用了`await`，因此实现了按顺序输出。

## 异步遍历器

《遍历器》一章说过，Iterator 接口是一种数据遍历的协议，只要调用遍历器对象的`next`方法，就会得到一个对象，表示当前遍历指针所在的那个位置的信息。`next`方法返回的对象的结构是`{value, done}`，其中`value`表示当前的数据的值，`done`是一个布尔值，表示遍历是否结束。

这里隐含着一个规定，`next`方法必须是同步的，只要调用就必须立刻返回值。也就是说，一旦执行`next`方法，就必须同步地得到`value`和`done`这两个属性。如果遍历指针正好指向同步操作，当然没有问题，但对于异步操作，就不太合适了。目前的解决方法是，Generator 函数里面的异步操作，返回一个 Thunk 函数或者 Promise 对象，即`value`属性是一个 Thunk 函数或者 Promise 对象，等待以后返回真正的值，而`done`属性则还是同步产生的。

目前，有一个[提案](https://github.com/tc39/proposal-async-iteration)，为异步操作提供原生的遍历器接口，即`value`和`done`这两个属性都是异步产生，这称为”异步遍历器“（Async Iterator）。

### 异步遍历的接口

异步遍历器的最大的语法特点，就是调用遍历器的`next`方法，返回的是一个 Promise 对象。

```javascript
asyncIterator
  .next()
  .then(
    ({ value, done }) => /* ... */
  );
```

上面代码中，`asyncIterator`是一个异步遍历器，调用`next`方法以后，返回一个 Promise 对象。因此，可以使用`then`方法指定，这个 Promise 对象的状态变为`resolve`以后的回调函数。回调函数的参数，则是一个具有`value`和`done`两个属性的对象，这个跟同步遍历器是一样的。

我们知道，一个对象的同步遍历器的接口，部署在`Symbol.iterator`属性上面。同样地，对象的异步遍历器接口，部署在`Symbol.asyncIterator`属性上面。不管是什么样的对象，只要它的`Symbol.asyncIterator`属性有值，就表示应该对它进行异步遍历。

下面是一个异步遍历器的例子。

```javascript
const asyncIterable = createAsyncIterable(['a', 'b']);
const asyncIterator = asyncIterable[Symbol.asyncIterator]();

asyncIterator
.next()
.then(iterResult1 => {
  console.log(iterResult1); // { value: 'a', done: false }
  return asyncIterator.next();
})
.then(iterResult2 => {
  console.log(iterResult2); // { value: 'b', done: false }
  return asyncIterator.next();
})
.then(iterResult3 => {
  console.log(iterResult3); // { value: undefined, done: true }
});
```

上面代码中，异步遍历器其实返回了两次值。第一次调用的时候，返回一个 Promise 对象；等到 Promise 对象`resolve`了，再返回一个表示当前数据成员信息的对象。这就是说，异步遍历器与同步遍历器最终行为是一致的，只是会先返回 Promise 对象，作为中介。

由于异步遍历器的`next`方法，返回的是一个 Promise 对象。因此，可以把它放在`await`命令后面。

```javascript
async function f() {
  const asyncIterable = createAsyncIterable(['a', 'b']);
  const asyncIterator = asyncIterable[Symbol.asyncIterator]();
  console.log(await asyncIterator.next());
  // { value: 'a', done: false }
  console.log(await asyncIterator.next());
  // { value: 'b', done: false }
  console.log(await asyncIterator.next());
  // { value: undefined, done: true }
}
```

上面代码中，`next`方法用`await`处理以后，就不必使用`then`方法了。整个流程已经很接近同步处理了。

注意，异步遍历器的`next`方法是可以连续调用的，不必等到上一步产生的Promise对象`resolve`以后再调用。这种情况下，`next`方法会累积起来，自动按照每一步的顺序运行下去。下面是一个例子，把所有的`next`方法放在`Promise.all`方法里面。

```javascript
const asyncGenObj = createAsyncIterable(['a', 'b']);
const [{value: v1}, {value: v2}] = await Promise.all([
  asyncGenObj.next(), asyncGenObj.next()
]);

console.log(v1, v2); // a b
```

另一种用法是一次性调用所有的`next`方法，然后`await`最后一步操作。

```javascript
const writer = openFile('someFile.txt');
writer.next('hello');
writer.next('world');
await writer.return();
```

### for await...of

前面介绍过，`for...of`循环用于遍历同步的 Iterator 接口。新引入的`for await...of`循环，则是用于遍历异步的 Iterator 接口。

```javascript
async function f() {
  for await (const x of createAsyncIterable(['a', 'b'])) {
    console.log(x);
  }
}
// a
// b
```

上面代码中，`createAsyncIterable()`返回一个异步遍历器，`for...of`循环自动调用这个遍历器的`next`方法，会得到一个Promise对象。`await`用来处理这个Promise对象，一旦`resolve`，就把得到的值（`x`）传入`for...of`的循环体。

`for await...of`循环的一个用途，是部署了 asyncIterable 操作的异步接口，可以直接放入这个循环。

```javascript
let body = '';
for await(const data of req) body += data;
const parsed = JSON.parse(body);
console.log('got', parsed);
```

上面代码中，`req`是一个 asyncIterable 对象，用来异步读取数据。可以看到，使用`for await...of`循环以后，代码会非常简洁。

如果`next`方法返回的Promise对象被`reject`，那么就要用`try...catch`捕捉。

```javascript
async function () {
  try {
    for await (const x of createRejectingIterable()) {
      console.log(x);
    }
  } catch (e) {
    console.error(e);
  }
}
```

注意，`for await...of`循环也可以用于同步遍历器。

```javascript
(async function () {
  for await (const x of ['a', 'b']) {
    console.log(x);
  }
})();
// a
// b
```

### 异步Generator函数

就像 Generator 函数返回一个同步遍历器对象一样，异步 Generator 函数的作用，是返回一个异步遍历器对象。

在语法上，异步 Generator 函数就是`async`函数与 Generator 函数的结合。

```javascript
async function* readLines(path) {
  let file = await fileOpen(path);

  try {
    while (!file.EOF) {
      yield await file.readLine();
    }
  } finally {
    await file.close();
  }
}
```

上面代码中，异步操作前面使用`await`关键字标明，即`await`后面的操作，应该返回Promise对象。凡是使用`yield`关键字的地方，就是`next`方法的停下来的地方，它后面的表达式的值（即`await file.readLine()`的值），会作为`next()`返回对象的`value`属性，这一点是于同步Generator函数一致的。

可以像下面这样，使用上面代码定义的异步Generator函数。

```javascript
for await (const line of readLines(filePath)) {
  console.log(line);
}
```

异步Generator函数可以与`for await...of`循环结合起来使用。

```javascript
async function* prefixLines(asyncIterable) {
  for await (const line of asyncIterable) {
    yield '> ' + line;
  }
}
```

`yield`命令依然是立刻返回的，但是返回的是一个Promise对象。

```javascript
async function* asyncGenerator() {
  console.log('Start');
  const result = await doSomethingAsync(); // (A)
  yield 'Result: '+ result; // (B)
  console.log('Done');
}
```

上面代码中，调用`next`方法以后，会在`B`处暂停执行，`yield`命令立刻返回一个Promise对象。这个Promise对象不同于`A`处`await`命令后面的那个Promise对象。主要有两点不同，一是`A`处的Promise对象`resolve`以后产生的值，会放入`result`变量；二是`B`处的Promise对象`resolve`以后产生的值，是表达式`'Result： ' + result`的值；二是`A`处的Promise对象一定先于`B`处的Promise对象`resolve`。

如果异步Generator函数抛出错误，会被Promise对象`reject`，然后抛出的错误被`catch`方法捕获。

```javascript
async function* asyncGenerator() {
  throw new Error('Problem!');
}

asyncGenerator()
.next()
.catch(err => console.log(err)); // Error: Problem!
```

注意，普通的`async`函数返回的是一个Promise对象，而异步Generator函数返回的是一个异步Iterator对象。基本上，可以这样理解，`async`函数和异步Generator函数，是封装异步操作的两种方法，都用来达到同一种目的。区别在于，前者自带执行器，后者通过`for await...of`执行，或者自己编写执行器。下面就是一个异步Generator函数的执行器。

```javascript
async function takeAsync(asyncIterable, count=Infinity) {
  const result = [];
  const iterator = asyncIterable[Symbol.asyncIterator]();
  while (result.length < count) {
    const {value,done} = await iterator.next();
    if (done) break;
    result.push(value);
  }
  return result;
}
```

上面代码中，异步Generator函数产生的异步遍历器，会通过`while`循环自动执行，每当`await iterator.next()`完成，就会进入下一轮循环。

下面是这个自动执行器的一个使用实例。

```javascript
async function f() {
  async function* gen() {
    yield 'a';
    yield 'b';
    yield 'c';
  }

  return await takeAsync(gen());
}

f().then(function (result) {
  console.log(result); // ['a', 'b', 'c']
})
```

异步Generator函数出现以后，JavaScript就有了四种函数形式：普通函数、`async`函数、Generator函数和异步Generator函数。请注意区分每种函数的不同之处。

最后，同步的数据结构，也可以使用异步Generator函数。

```javascript
async function* createAsyncIterable(syncIterable) {
  for (const elem of syncIterable) {
    yield elem;
  }
}
```

上面代码中，由于没有异步操作，所以也就没有使用`await`关键字。

### yield* 语句

`yield*`语句也可以跟一个异步遍历器。

```javascript
async function* gen1() {
  yield 'a';
  yield 'b';
  return 2;
}

async function* gen2() {
  const result = yield* gen1();
}
```

上面代码中，`gen2`函数里面的`result`变量，最后的值是`2`。

与同步Generator函数一样，`for await...of`循环会展开`yield*`。

```javascript
(async function () {
  for await (const x of gen2()) {
    console.log(x);
  }
})();
// a
// b
```