async 函数

阮一峰2019年10月23日...大约 22 分钟

ES2017 标准引入了 async 函数，使得异步操作变得更加方便。

Async 函数是什么? 一句话，它就是 Generator 函数的语法糖。

前文有一个 Generator 函数，依次读取两个文件。

const fs = require("fs");

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

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

写成 async 函数，就是下面这样。

const asyncReadFile = async function () {
  const f1 = await readFile("/etc/fstab");
  const 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。

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。您可以用 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。

基本用法

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。

async function getStockPriceByName(name) {
  const symbol = await getStockSymbol(name);
  const 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。

下面是另一个例子，指定多少毫秒后输出一个值。

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。

由于 async 函数返回的是 Promise 对象，可以作为 await 命令的参数。所以，上面的例子也可以写成下面的形式。

async function timeout(ms) {
  await new Promise((resolve) => {
    setTimeout(resolve, ms);
  });
}

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

asyncPrint("hello world", 50);

Async 函数有多种使用形式。

// 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 () => {};

async 函数的实现原理

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

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。

function spawn(genF) {
  return new Promise(function (resolve, reject) {
    const gen = genF();
    function step(nextF) {
      let next;
      try {
        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);
    });
  });
}

与其他异步处理方法的比较

我们通过一个例子，来看 async 函数与 Promise、Generator 函数的比较。

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。

function chainAnimationsPromise(elem, animations) {
  // 变量ret用来保存上一个动画的返回值
  let ret = null;

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

  // 使用then方法，添加所有动画
  for (let 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。

function chainAnimationsGenerator(elem, animations) {
  return spawn(function* () {
    let ret = null;
    try {
      for (let 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。

async function chainAnimationsAsync(elem, animations) {
  let ret = null;
  try {
    for (let 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。

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。

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。

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。

ES2018 引入了”异步遍历器“(Async Iterator)，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。

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。

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。

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。

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。

const asyncIterable = createAsyncIterable(["a", "b"]);
const asyncIterator = asyncIterable[Symbol.asyncIterator]();
const [{ value: v1 }, { value: v2 }] = await Promise.all([
  asyncIterator.next(),
  asyncIterator.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。

async function runner() {
  const writer = openFile("someFile.txt");
  writer.next("hello");
  writer.next("world");
  await writer.return();
}

runner();

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。

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

上面代码中，createAsyncIterable() 返回一个拥有异步遍历器接口的对象，for...of 循环自动调用这个对象的异步遍历器的 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。

let body = "";

async function f() {
  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，for await...of 就会报错，要用 try...catch 捕捉。

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。

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

Node.js v10 支持异步遍历器，Stream 就部署了这个接口。下面是读取文件的传统写法与异步遍历器写法的差异。

// 传统写法
function main(inputFilePath) {
  const readStream = fs.createReadStream(inputFilePath, {
    encoding: "utf8",
    highWaterMark: 1024,
  });
  readStream.on("data", (chunk) => {
    console.log(">>> " + chunk);
  });
  readStream.on("end", () => {
    console.log("### DONE ###");
  });
}

// 异步遍历器写法
async function main(inputFilePath) {
  const readStream = fs.createReadStream(inputFilePath, {
    encoding: "utf8",
    highWaterMark: 1024,
  });

  for await (const chunk of readStream) {
    console.log(">>> " + chunk);
  }
  console.log("### DONE ###");
}

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。

async function* gen() {
  yield "hello";
}
const genObj = gen();
genObj.next().then((x) => console.log(x));
// { value: 'hello', done: false }

上面代码中，gen 是一个异步 Generator 函数，执行后返回一个异步 Iterator 对象。对该对象调用 next 方法，返回一个 Promise 对象。

异步遍历器的设计目的之一，就是 Generator 函数处理同步操作和异步操作时，能够使用同一套接口。

// 同步 Generator 函数
function* map(iterable, func) {
  const iter = iterable[Symbol.iterator]();
  while (true) {
    const { value, done } = iter.next();
    if (done) break;
    yield func(value);
  }
}

// 异步 Generator 函数
async function* map(iterable, func) {
  const iter = iterable[Symbol.asyncIterator]();
  while (true) {
    const { value, done } = await iter.next();
    if (done) break;
    yield func(value);
  }
}

上面代码中，map 是一个 Generator 函数，第一个参数是可遍历对象 iterable，第二个参数是一个回调函数 func。map 的作用是将 iterable 每一步返回的值，使用 func 进行处理。上面有两个版本的 map，前一个处理同步遍历器，后一个处理异步遍历器，可以看到两个版本的写法基本上是一致的。

下面是另一个异步 Generator 函数的例子。

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，这一点是与同步 Generator 函数一致的。

异步 Generator 函数内部，能够同时使用 await 和 yield 命令。可以这样理解，await 命令用于将外部操作产生的值输入函数内部，yield 命令用于将函数内部的值输出。

上面代码定义的异步 Generator 函数的用法如下。

(async function () {
  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。

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

异步 Generator 函数的返回值是一个异步 Iterator，即每次调用它的 next 方法，会返回一个 Promise 对象，也就是说，跟在 yield 命令后面的，应该是一个 Promise 对象。如果像上面那个例子那样，yield 命令后面是一个字符串，会被自动包装成一个 Promise 对象。

function fetchRandom() {
  const url =
    "https://www.random.org/decimal-fractions/" +
    "?num=1&dec=10&col=1&format=plain&rnd=new";
  return fetch(url);
}

async function* asyncGenerator() {
  console.log("Start");
  const result = await fetchRandom(); // (A)
  yield "Result: " + (await result.text()); // (B)
  console.log("Done");
}

const ag = asyncGenerator();
ag.next().then(({ value, done }) => {
  console.log(value);
});

上面代码中，ag 是 asyncGenerator 函数返回的异步遍历器对象。调用 ag.next() 以后，上面代码的执行顺序如下。

ag.next() 立刻返回一个 Promise 对象。
asyncGenerator 函数开始执行，打印出 Start。
await 命令返回一个 Promise 对象，asyncGenerator 函数停在这里。
A 处变成 fulfilled 状态，产生的值放入 result 变量，asyncGenerator 函数继续往下执行。
函数在 B 处的 yield 暂停执行，一旦 yield 命令取到值，ag.next() 返回的那个 Promise 对象变成 fulfilled 状态。
ag.next() 后面的 then 方法指定的回调函数开始执行。该回调函数的参数是一个对象 {value, done}，其中 value 的值是 yield 命令后面的那个表达式的值，done 的值是 false。

A 和 B 两行的作用类似于下面的代码。

return new Promise((resolve, reject) => {
  fetchRandom()
    .then((result) => result.text())
    .then((result) => {
      resolve({
        value: "Result: " + result,
        done: false,
      });
    });
});

如果异步 Generator 函数抛出错误，会导致 Promise 对象的状态变为 reject，然后抛出的错误被 catch 方法捕获。

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。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。

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。一旦 done 属性变为 true，就会跳出循环，异步遍历器执行结束。

下面是这个自动执行器的一个使用实例。

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。基本上，如果是一系列按照顺序执行的异步操作(比如读取文件，然后写入新内容，再存入硬盘)，可以使用 async 函数；如果是一系列产生相同数据结构的异步操作(比如一行一行读取文件)，可以使用异步 Generator 函数。

异步 Generator 函数也可以通过 next 方法的参数，接收外部传入的数据。

const writer = openFile("someFile.txt");
writer.next("hello"); // 立即执行
writer.next("world"); // 立即执行
await writer.return(); // 等待写入结束

上面代码中，openFile 是一个异步 Generator 函数。next 方法的参数，向该函数内部的操作传入数据。每次 next 方法都是同步执行的，最后的 await 命令用于等待整个写入操作结束。

最后，同步的数据结构，也可以使用异步 Generator 函数。

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。

async function* gen1() {
  yield "a";
  yield "b";
  return 2;
}

async function* gen2() {
  // result 最终会等于 2
  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*。

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

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async 函数

基本用法

语法

返回 Promise 对象

Promise 对象的状态变化

await 命令

错误处理

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