JavaScript异步编程

什么是异步编程？

异步编程是一种编程范式，允许程序在执行耗时操作（如网络请求、文件读写等）时，不阻塞后续代码的执行。JavaScript是单线程语言，异步编程对于提高应用性能和用户体验至关重要。

异步编程的演进

JavaScript异步编程经历了以下几个阶段：

回调函数：最早的异步编程方式，存在回调地狱问题
Promise：解决了回调地狱问题，提供了更优雅的链式调用
async/await：ES2017引入的语法糖，基于Promise，提供了更接近同步代码的异步编程体验

async/await基础

async函数

使用async关键字声明的函数称为异步函数，它有以下特点：

自动返回一个Promise对象
内部可以使用await关键字

// 声明异步函数
async function fetchData() {
  return 'Hello, World!';
}

// 调用异步函数
fetchData().then(result => {
  console.log(result); // Hello, World!
});

await关键字

await关键字只能在异步函数内部使用，它的作用是：

暂停异步函数的执行，等待Promise解决
解析Promise的结果，并继续执行异步函数
如果Promise被拒绝，抛出异常，可以用try/catch捕获

// 异步函数中使用await
async function fetchData() {
  const promise = new Promise((resolve) => {
    setTimeout(() => resolve('Data fetched!'), 1000);
  });
  
  const result = await promise;
  console.log(result); // Data fetched!
  return result;
}

fetchData();

async/await与Promise的关系

async/await是基于Promise的语法糖，它们可以互相转换：

Promise链式调用

function fetchData() {
  return fetch('https://api.example.com/data')
    .then(response => response.json())
    .then(data => {
      console.log(data);
      return data;
    })
    .catch(error => {
      console.error('Error:', error);
    });
}

async/await版本

async function fetchData() {
  try {
    const response = await fetch('https://api.example.com/data');
    const data = await response.json();
    console.log(data);
    return data;
  } catch (error) {
    console.error('Error:', error);
  }
}

错误处理

async/await使用try/catch来处理异步操作中的错误，比Promise的catch方法更直观：

基本错误处理

async function fetchData() {
  try {
    const response = await fetch('https://api.example.com/data');
    if (!response.ok) {
      throw new Error(`HTTP error! Status: ${response.status}`);
    }
    const data = await response.json();
    return data;
  } catch (error) {
    console.error('Fetch error:', error.message);
    // 可以选择重新抛出错误
    // throw error;
    // 或者返回默认值
    return { error: error.message };
  }
}

并行错误处理

async function fetchMultipleData() {
  try {
    // 并行执行多个异步操作
    const [data1, data2, data3] = await Promise.all([
      fetch('https://api.example.com/data1').then(res => res.json()),
      fetch('https://api.example.com/data2').then(res => res.json()),
      fetch('https://api.example.com/data3').then(res => res.json())
    ]);
    
    console.log('Data1:', data1);
    console.log('Data2:', data2);
    console.log('Data3:', data3);
    
    return { data1, data2, data3 };
  } catch (error) {
    console.error('Error fetching data:', error);
  }
}

异步函数的执行流程

同步与异步代码的混合

async function mixedCode() {
  console.log('1. Start');
  
  // 异步操作，暂停执行
  await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 1000));
  
  console.log('2. After await');
  
  // 同步代码继续执行
  console.log('3. End');
}

mixedCode();
console.log('4. Outside function');

// 输出顺序：
// 1. Start
// 4. Outside function
// 2. After await
// 3. End

事件循环与异步函数

异步函数的执行依赖于JavaScript的事件循环机制：

当遇到await关键字时，异步函数会暂停执行，并将后续代码放入微任务队列
主线程继续执行其他同步代码
当Promise解决后，异步函数的后续代码会被放入微任务队列
事件循环在执行完所有同步代码后，会依次执行微任务队列中的任务

高级用法

异步迭代器

ES2018引入了异步迭代器，允许使用for await...of循环遍历异步数据源：

// 异步迭代器示例
async function* asyncGenerator() {
  yield await new Promise(resolve => setTimeout(() => resolve(1), 1000));
  yield await new Promise(resolve => setTimeout(() => resolve(2), 1000));
  yield await new Promise(resolve => setTimeout(() => resolve(3), 1000));
}

// 使用for await...of循环
async function iterateAsync() {
  for await (const value of asyncGenerator()) {
    console.log(value); // 1, 2, 3（每次间隔1秒）
  }
}

iterateAsync();

异步生成器

异步生成器是返回异步迭代器的函数，使用async function*声明：

// 异步生成器示例
async function* fetchPaginatedData(url) {
  let page = 1;
  let hasMore = true;
  
  while (hasMore) {
    const response = await fetch(`${url}?page=${page}`);
    const data = await response.json();
    
    yield data.items;
    
    hasMore = data.hasMore;
    page++;
  }
}

// 使用异步生成器
async function processAllData() {
  for await (const items of fetchPaginatedData('https://api.example.com/items')) {
    console.log('Processing', items.length, 'items');
    // 处理数据...
  }
}

processAllData();

并发控制

使用async/await可以方便地实现并发控制，限制同时执行的异步操作数量：

// 并发控制函数
async function concurrentControl(tasks, limit) {
  const results = [];
  const executing = [];
  
  for (const task of tasks) {
    // 创建异步任务
    const promise = Promise.resolve().then(() => task());
    results.push(promise);
    
    // 如果达到并发限制，等待一个任务完成
    if (tasks.length >= limit) {
      const execution = promise.then(() => {
        executing.splice(executing.indexOf(execution), 1);
      });
      executing.push(execution);
      
      if (executing.length >= limit) {
        await Promise.race(executing);
      }
    }
  }
  
  return Promise.all(results);
}

// 使用示例
const tasks = [
  () => fetch('https://api.example.com/data1').then(res => res.json()),
  () => fetch('https://api.example.com/data2').then(res => res.json()),
  () => fetch('https://api.example.com/data3').then(res => res.json()),
  () => fetch('https://api.example.com/data4').then(res => res.json()),
  () => fetch('https://api.example.com/data5').then(res => res.json())
];

concurrentControl(tasks, 2).then(results => {
  console.log(results);
});

async/await的最佳实践

始终使用try/catch处理错误：避免未捕获的Promise拒绝
不要过度使用await：对于不依赖的异步操作，可以并行执行
使用Promise.all处理并行操作：提高性能
避免在循环中使用await：会导致串行执行，降低性能
使用合适的并发控制：对于大量异步操作，限制并发数量
返回有意义的值：异步函数应该返回明确的结果，便于调用者处理
使用类型检查：在TypeScript中为异步函数添加返回类型
保持函数简洁：每个异步函数专注于一个任务

async/await与其他异步模式的比较

特性	回调函数	Promise	async/await
代码可读性	差	中	优
错误处理	嵌套	链式	try/catch
调试难度	高	中	低
并行执行	复杂	简单（Promise.all）	简单（Promise.all + await）
学习曲线	低	中	低

总结

async/await是JavaScript异步编程的重大进步，它基于Promise，提供了更简洁、更易读的异步编程语法。通过async/await，可以写出更接近同步代码的异步代码，提高代码的可读性和可维护性。

async/await的主要优势包括：

更简洁的语法
更直观的错误处理
更易调试
更接近同步代码的思维模式

在实际开发中，应优先使用async/await，并结合Promise的强大功能，如Promise.all、Promise.race等，来处理复杂的异步场景。

练习

创建一个异步函数，使用fetch API获取GitHub用户的仓库信息
实现一个并发控制函数，限制同时执行的异步操作数量
使用async/await和for await...of循环处理分页数据
比较Promise链式调用和async/await两种方式，实现相同的功能
实现一个带有超时处理的异步函数，使用Promise.race和setTimeout
创建一个异步生成器，模拟无限数据流，并使用for await...of循环消费它