JavaScript語言對異步編程的實現(xiàn)，就是回調(diào)函數(shù)。所謂回調(diào)函數(shù)，就是把任務(wù)的第二段單獨寫在一個函數(shù)里面，等到重新執(zhí)行這個任務(wù)的時候，就直接調(diào)用這個函數(shù)。它的英語名字callback，直譯過來就是"重新調(diào)用"。

讀取文件進行處理，是這樣寫的。

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

上面代碼中，readFile函數(shù)的第二個參數(shù)，就是回調(diào)函數(shù)，也就是任務(wù)的第二段。等到操作系統(tǒng)返回了/etc/passwd這個文件以后，回調(diào)函數(shù)才會執(zhí)行。

一個有趣的問題是，為什么Node.js約定，回調(diào)函數(shù)的第一個參數(shù)，必須是錯誤對象err（如果沒有錯誤，該參數(shù)就是null）？原因是執(zhí)行分成兩段，在這兩段之間拋出的錯誤，程序無法捕捉，只能當(dāng)作參數(shù)，傳入第二段。

Promise

回調(diào)函數(shù)本身并沒有問題，它的問題出現(xiàn)在多個回調(diào)函數(shù)嵌套。假定讀取A文件之后，再讀取B文件，代碼如下。

fs.readFile(fileA, function (err, data) {
  fs.readFile(fileB, function (err, data) {
    // ...
  });
});

不難想象，如果依次讀取多個文件，就會出現(xiàn)多重嵌套。代碼不是縱向發(fā)展，而是橫向發(fā)展，很快就會亂成一團，無法管理。這種情況就稱為“回調(diào)函數(shù)噩夢”（callback hell）。

Promise就是為了解決這個問題而提出的。它不是新的語法功能，而是一種新的寫法，允許將回調(diào)函數(shù)的橫向加載，改成縱向加載。采用Promise，連續(xù)讀取多個文件，寫法如下。

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);
});

上面代碼中，我使用了fs-readfile-promise模塊，它的作用就是返回一個Promise版本的readFile函數(shù)。Promise提供then方法加載回調(diào)函數(shù)，catch方法捕捉執(zhí)行過程中拋出的錯誤。

可以看到，Promise 的寫法只是回調(diào)函數(shù)的改進，使用then方法以后，異步任務(wù)的兩段執(zhí)行看得更清楚了，除此以外，并無新意。

Promise 的最大問題是代碼冗余，原來的任務(wù)被Promise 包裝了一下，不管什么操作，一眼看去都是一堆 then，原來的語義變得很不清楚。

那么，有沒有更好的寫法呢？

Generator函數(shù)

協(xié)程

傳統(tǒng)的編程語言，早有異步編程的解決方案（其實是多任務(wù)的解決方案）。其中有一種叫做"協(xié)程"（coroutine），意思是多個線程互相協(xié)作，完成異步任務(wù)。

協(xié)程有點像函數(shù)，又有點像線程。它的運行流程大致如下。

第一步，協(xié)程A開始執(zhí)行。
第二步，協(xié)程A執(zhí)行到一半，進入暫停，執(zhí)行權(quán)轉(zhuǎn)移到協(xié)程B。
第三步，（一段時間后）協(xié)程B交還執(zhí)行權(quán)。
第四步，協(xié)程A恢復(fù)執(zhí)行。

上面流程的協(xié)程A，就是異步任務(wù)，因為它分成兩段（或多段）執(zhí)行。

舉例來說，讀取文件的協(xié)程寫法如下。

function asnycJob() {
  // ...其他代碼
  var f = yield readFile(fileA);
  // ...其他代碼
}

上面代碼的函數(shù)asyncJob是一個協(xié)程，它的奧妙就在其中的yield命令。它表示執(zhí)行到此處，執(zhí)行權(quán)將交給其他協(xié)程。也就是說，yield命令是異步兩個階段的分界線。

協(xié)程遇到 yield 命令就暫停，等到執(zhí)行權(quán)返回，再從暫停的地方繼續(xù)往后執(zhí)行。它的最大優(yōu)點，就是代碼的寫法非常像同步操作，如果去除yield命令，簡直一模一樣。

Generator函數(shù)的概念

Generator函數(shù)是協(xié)程在ES6的實現(xiàn)，最大特點就是可以交出函數(shù)的執(zhí)行權(quán)（即暫停執(zhí)行）。

整個Generator函數(shù)就是一個封裝的異步任務(wù)，或者說是異步任務(wù)的容器。異步操作需要暫停的地方，都用yield語句注明。Generator函數(shù)的執(zhí)行方法如下。

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 }

上面代碼中，調(diào)用Generator函數(shù)，會返回一個內(nèi)部指針（即遍歷器）g 。這是Generator函數(shù)不同于普通函數(shù)的另一個地方，即執(zhí)行它不會返回結(jié)果，返回的是指針對象。調(diào)用指針g的next方法，會移動內(nèi)部指針（即執(zhí)行異步任務(wù)的第一段），指向第一個遇到的yield語句，上例是執(zhí)行到x + 2為止。

換言之，next方法的作用是分階段執(zhí)行Generator函數(shù)。每次調(diào)用next方法，會返回一個對象，表示當(dāng)前階段的信息（value屬性和done屬性）。value屬性是yield語句后面表達式的值，表示當(dāng)前階段的值；done屬性是一個布爾值，表示Generator函數(shù)是否執(zhí)行完畢，即是否還有下一個階段。

Generator函數(shù)的數(shù)據(jù)交換和錯誤處理

Generator函數(shù)可以暫停執(zhí)行和恢復(fù)執(zhí)行，這是它能封裝異步任務(wù)的根本原因。除此之外，它還有兩個特性，使它可以作為異步編程的完整解決方案：函數(shù)體內(nèi)外的數(shù)據(jù)交換和錯誤處理機制。

next方法返回值的value屬性，是Generator函數(shù)向外輸出數(shù)據(jù)；next方法還可以接受參數(shù)，這是向Generator函數(shù)體內(nèi)輸入數(shù)據(jù)。

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 }

上面代碼中，第一個next方法的value屬性，返回表達式x + 2的值（3）。第二個next方法帶有參數(shù)2，這個參數(shù)可以傳入 Generator 函數(shù)，作為上個階段異步任務(wù)的返回結(jié)果，被函數(shù)體內(nèi)的變量y接收。因此，這一步的 value 屬性，返回的就是2（變量y的值）。

Generator 函數(shù)內(nèi)部還可以部署錯誤處理代碼，捕獲函數(shù)體外拋出的錯誤。

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

var g = gen(1);
g.next();
g.throw（'出錯了'）;
// 出錯了

上面代碼的最后一行，Generator函數(shù)體外，使用指針對象的throw方法拋出的錯誤，可以被函數(shù)體內(nèi)的try ...catch代碼塊捕獲。這意味著，出錯的代碼與處理錯誤的代碼，實現(xiàn)了時間和空間上的分離，這對于異步編程無疑是很重要的。

異步任務(wù)的封裝

下面看看如何使用 Generator 函數(shù)，執(zhí)行一個真實的異步任務(wù)。

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

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

上面代碼中，Generator函數(shù)封裝了一個異步操作，該操作先讀取一個遠程接口，然后從JSON格式的數(shù)據(jù)解析信息。就像前面說過的，這段代碼非常像同步操作，除了加上了yield命令。

執(zhí)行這段代碼的方法如下。

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

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

上面代碼中，首先執(zhí)行Generator函數(shù)，獲取遍歷器對象，然后使用next 方法（第二行），執(zhí)行異步任務(wù)的第一階段。由于Fetch模塊返回的是一個Promise對象，因此要用then方法調(diào)用下一個next 方法。

可以看到，雖然 Generator 函數(shù)將異步操作表示得很簡潔，但是流程管理卻不方便（即何時執(zhí)行第一階段、何時執(zhí)行第二階段）。

Thunk函數(shù)

參數(shù)的求值策略

Thunk函數(shù)早在上個世紀(jì)60年代就誕生了。

那時，編程語言剛剛起步，計算機學(xué)家還在研究，編譯器怎么寫比較好。一個爭論的焦點是"求值策略"，即函數(shù)的參數(shù)到底應(yīng)該何時求值。

var x = 1;

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

f(x + 5)

上面代碼先定義函數(shù)f，然后向它傳入表達式x + 5。請問，這個表達式應(yīng)該何時求值？

一種意見是"傳值調(diào)用"（call by value），即在進入函數(shù)體之前，就計算x + 5的值（等于6），再將這個值傳入函數(shù)f 。C語言就采用這種策略。

f(x + 5)
// 傳值調(diào)用時，等同于
f(6)

另一種意見是"傳名調(diào)用"（call by name），即直接將表達式x + 5傳入函數(shù)體，只在用到它的時候求值。Hskell語言采用這種策略。

f(x + 5)
// 傳名調(diào)用時，等同于
(x + 5) * 2

傳值調(diào)用和傳名調(diào)用，哪一種比較好？回答是各有利弊。傳值調(diào)用比較簡單，但是對參數(shù)求值的時候，實際上還沒用到這個參數(shù)，有可能造成性能損失。

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

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

上面代碼中，函數(shù)f的第一個參數(shù)是一個復(fù)雜的表達式，但是函數(shù)體內(nèi)根本沒用到。對這個參數(shù)求值，實際上是不必要的。因此，有一些計算機學(xué)家傾向于"傳名調(diào)用"，即只在執(zhí)行時求值。

Thunk函數(shù)的含義

編譯器的"傳名調(diào)用"實現(xiàn)，往往是將參數(shù)放到一個臨時函數(shù)之中，再將這個臨時函數(shù)傳入函數(shù)體。這個臨時函數(shù)就叫做Thunk函數(shù)。

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

f(x + 5);

// 等同于

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

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

上面代碼中，函數(shù)f的參數(shù)x + 5被一個函數(shù)替換了。凡是用到原參數(shù)的地方，對Thunk函數(shù)求值即可。這就是Thunk函數(shù)的定義，它是"傳名調(diào)用"的一種實現(xiàn)策略，用來替換某個表達式。

JavaScript語言的Thunk函數(shù)

JavaScript語言是傳值調(diào)用，它的Thunk函數(shù)含義有所不同。在JavaScript語言中，Thunk函數(shù)替換的不是表達式，而是多參數(shù)函數(shù)，將其替換成單參數(shù)的版本，且只接受回調(diào)函數(shù)作為參數(shù)。

// 正常版本的readFile（多參數(shù)版本）
fs.readFile(fileName, callback);

// Thunk版本的readFile（單參數(shù)版本）
var readFileThunk = Thunk(fileName);
readFileThunk(callback);

var Thunk = function (fileName){
  return function (callback){
    return fs.readFile(fileName, callback);
  };
};

上面代碼中，fs模塊的readFile方法是一個多參數(shù)函數(shù)，兩個參數(shù)分別為文件名和回調(diào)函數(shù)。經(jīng)過轉(zhuǎn)換器處理，它變成了一個單參數(shù)函數(shù)，只接受回調(diào)函數(shù)作為參數(shù)。這個單參數(shù)版本，就叫做Thunk函數(shù)。

任何函數(shù)，只要參數(shù)有回調(diào)函數(shù)，就能寫成Thunk函數(shù)的形式。下面是一個簡單的Thunk函數(shù)轉(zhuǎn)換器。

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

使用上面的轉(zhuǎn)換器，生成fs.readFile的Thunk函數(shù)。

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

Thunkify模塊

生產(chǎn)環(huán)境的轉(zhuǎn)換器，建議使用Thunkify模塊。

首先是安裝。

$ npm install thunkify

使用方式如下。

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

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

Thunkify的源碼與上一節(jié)那個簡單的轉(zhuǎn)換器非常像。

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);
      }
    }
  }
};

它的源碼主要多了一個檢查機制，變量called確保回調(diào)函數(shù)只運行一次。這樣的設(shè)計與下文的Generator函數(shù)相關(guān)。請看下面的例子。

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

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

上面代碼中，由于thunkify只允許回調(diào)函數(shù)執(zhí)行一次，所以只輸出一行結(jié)果。

Generator 函數(shù)的流程管理

你可能會問， Thunk函數(shù)有什么用？回答是以前確實沒什么用，但是ES6有了Generator函數(shù)，Thunk函數(shù)現(xiàn)在可以用于Generator函數(shù)的自動流程管理。

以讀取文件為例。下面的Generator函數(shù)封裝了兩個異步操作。

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());
};

上面代碼中，yield命令用于將程序的執(zhí)行權(quán)移出Generator函數(shù)，那么就需要一種方法，將執(zhí)行權(quán)再交還給Generator函數(shù)。

這種方法就是Thunk函數(shù)，因為它可以在回調(diào)函數(shù)里，將執(zhí)行權(quán)交還給Generator函數(shù)。為了便于理解，我們先看如何手動執(zhí)行上面這個Generator函數(shù)。

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);
  });
});

上面代碼中，變量g是Generator函數(shù)的內(nèi)部指針，表示目前執(zhí)行到哪一步。next方法負(fù)責(zé)將指針移動到下一步，并返回該步的信息（value屬性和done屬性）。

仔細查看上面的代碼，可以發(fā)現(xiàn)Generator函數(shù)的執(zhí)行過程，其實是將同一個回調(diào)函數(shù)，反復(fù)傳入next方法的value屬性。這使得我們可以用遞歸來自動完成這個過程。

Thunk函數(shù)的自動流程管理

Thunk函數(shù)真正的威力，在于可以自動執(zhí)行Generator函數(shù)。下面就是一個基于Thunk函數(shù)的Generator執(zhí)行器。

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

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

  next();
}

run(gen);

上面代碼的run函數(shù)，就是一個Generator函數(shù)的自動執(zhí)行器。內(nèi)部的next函數(shù)就是Thunk的回調(diào)函數(shù)。next函數(shù)先將指針移到Generator函數(shù)的下一步（gen.next方法），然后判斷Generator函數(shù)是否結(jié)束（result.done 屬性），如果沒結(jié)束，就將next函數(shù)再傳入Thunk函數(shù)（result.value屬性），否則就直接退出。

有了這個執(zhí)行器，執(zhí)行Generator函數(shù)方便多了。不管有多少個異步操作，直接傳入run函數(shù)即可。當(dāng)然，前提是每一個異步操作，都要是Thunk函數(shù)，也就是說，跟在yield命令后面的必須是Thunk函數(shù)。

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

run(gen);

上面代碼中，函數(shù)gen封裝了n個異步的讀取文件操作，只要執(zhí)行run函數(shù)，這些操作就會自動完成。這樣一來，異步操作不僅可以寫得像同步操作，而且一行代碼就可以執(zhí)行。

Thunk函數(shù)并不是Generator函數(shù)自動執(zhí)行的唯一方案。因為自動執(zhí)行的關(guān)鍵是，必須有一種機制，自動控制Generator函數(shù)的流程，接收和交還程序的執(zhí)行權(quán)?；卣{(diào)函數(shù)可以做到這一點，Promise 對象也可以做到這一點。

co函數(shù)庫

如果并發(fā)執(zhí)行異步操作，可以將異步操作都放入一個數(shù)組，跟在yield語句后面。

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

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

上面的代碼允許并發(fā)三個somethingAsync異步操作，等到它們?nèi)客瓿?，才會進行下一步。