21. async 函数

含义

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());
};

上面代码的函数gen可以写成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，但这时会自动转成立即 resolved 的 Promise 对象）。

（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。

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 () => {};

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。

返回 Promise 对象

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。

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。

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

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

Promise 对象的状态变化

async函数返回的 Promise 对象，必须等到内部所有await命令后面的 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。

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。

await 命令

正常情况下，await命令后面是一个 Promise 对象，返回该对象的结果。如果不是 Promise 对象，就直接返回对应的值。

async function f() {
  // 等同于
  // return 123;
  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，这时等同于return 123。

另一种情况是，await命令后面是一个thenable对象（即定义了then方法的对象），那么await会将其等同于 Promise 对象。

class Sleep {
  constructor(timeout) {
    this.timeout = timeout;
  }
  then(resolve, reject) {
    const startTime = Date.now();
    setTimeout(
      () => resolve(Date.now() - startTime),
      this.timeout
    );
  }
}

(async () => {
  const sleepTime = await new Sleep(1000);
  console.log(sleepTime);
})();
// 1000

上面代码中，await命令后面是一个Sleep对象的实例。这个实例不是 Promise 对象，但是因为定义了then方法，await会将其视为Promise处理。

这个例子还演示了如何实现休眠效果。JavaScript 一直没有休眠的语法，但是借助await命令就可以让程序停顿指定的时间。下面给出了一个简化的sleep实现。

function sleep(interval) {
  return new Promise(resolve => {
    setTimeout(resolve, interval);
  })
}

// 用法
async function one2FiveInAsync() {
  for(let i = 1; i <= 5; i++) {
    console.log(i);
    await sleep(1000);
  }
}

one2FiveInAsync();

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。

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。

任何一个await语句后面的 Promise 对象变为reject状态，那么整个async函数都会中断执行。

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。

有时，我们希望即使前一个异步操作失败，也不要中断后面的异步操作。这时可以将第一个await放在try...catch结构里面，这样不管这个异步操作是否成功，第二个await都会执行。

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。

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

错误处理

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。

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 函数的实现原理”。

防止出错的方法，也是将其放在try...catch代码块之中。

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

如果有多个await命令，可以统一放在try...catch结构中。

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

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

下面的例子使用try...catch结构，实现多次重复尝试。

const superagent = require('superagent');
const NUM_RETRIES = 3;

async function test() {
  let i;
  for (i = 0; i < NUM_RETRIES; ++i) {
    try {
      await superagent.get('http://google.com/this-throws-an-error');
      break;
    } catch(err) {}
  }
  console.log(i); // 3
}

test();

上面代码中，如果await操作成功，就会使用break语句退出循环；如果失败，会被catch语句捕捉，然后进入下一轮循环。

使用注意点

第一点，前面已经说过，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。

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。

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。

// 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。

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。

function dbFuc(db) { //这里不需要 async
  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。

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

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

另一种方法是使用数组的reduce()方法。

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

  await docs.reduce(async (_, doc) => {
    await _;
    await db.post(doc);
  }, undefined);
}

上面例子中，reduce()方法的第一个参数是async函数，导致该函数的第一个参数是前一步操作返回的 Promise 对象，所以必须使用await等待它操作结束。另外，reduce()方法返回的是docs数组最后一个成员的async函数的执行结果，也是一个 Promise 对象，导致在它前面也必须加上await。

上面的reduce()的参数函数里面没有return语句，原因是这个函数的主要目的是db.post()操作，不是返回值。而且async函数不管有没有return语句，总是返回一个 Promise 对象，所以这里的return是不必要的。

如果确实希望多个请求并发执行，可以使用Promise.all方法。当三个请求都会resolved时，下面两种写法效果相同。

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);
}

第四点，async 函数可以保留运行堆栈。

const a = () => {
  b().then(() => c());
};

上面代码中，函数a内部运行了一个异步任务b()。当b()运行的时候，函数a()不会中断，而是继续执行。等到b()运行结束，可能a()早就运行结束了，b()所在的上下文环境已经消失了。如果b()或c()报错，错误堆栈将不包括a()。

现在将这个例子改成async函数。

const a = async () => {
  await b();
  c();
};

上面代码中，b()运行的时候，a()是暂停执行，上下文环境都保存着。一旦b()或c()报错，错误堆栈将包括a()。

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。

顶层 await

早期的语法规定是，await命令只能出现在 async 函数内部，否则都会报错。

// 报错
const data = await fetch('https://api.example.com');

上面代码中，await命令独立使用，没有放在 async 函数里面，就会报错。

从 ES2022 开始，允许在模块的顶层独立使用await命令，使得上面那行代码不会报错了。它的主要目的是使用await解决模块异步加载的问题。

// awaiting.js
let output;
async function main() {
  const dynamic = await import(someMission);
  const data = await fetch(url);
  output = someProcess(dynamic.default, data);
}
main();
export { output };

上面代码中，模块awaiting.js的输出值output，取决于异步操作。我们把异步操作包装在一个 async 函数里面，然后调用这个函数，只有等里面的异步操作都执行，变量output才会有值，否则就返回undefined。

下面是加载这个模块的写法。

// usage.js
import { output } from "./awaiting.js";

function outputPlusValue(value) { return output + value }

console.log(outputPlusValue(100));
setTimeout(() => console.log(outputPlusValue(100)), 1000);

上面代码中，outputPlusValue()的执行结果，完全取决于执行的时间。如果awaiting.js里面的异步操作没执行完，加载进来的output的值就是undefined。

目前的解决方法，就是让原始模块输出一个 Promise 对象，从这个 Promise 对象判断异步操作有没有结束。

// awaiting.js
let output;
export default (async function main() {
  const dynamic = await import(someMission);
  const data = await fetch(url);
  output = someProcess(dynamic.default, data);
})();
export { output };

上面代码中，awaiting.js除了输出output，还默认输出一个 Promise 对象（async 函数立即执行后，返回一个 Promise 对象），从这个对象判断异步操作是否结束。

下面是加载这个模块的新的写法。

// usage.js
import promise, { output } from "./awaiting.js";

function outputPlusValue(value) { return output + value }

promise.then(() => {
  console.log(outputPlusValue(100));
  setTimeout(() => console.log(outputPlusValue(100)), 1000);
});

上面代码中，将awaiting.js对象的输出，放在promise.then()里面，这样就能保证异步操作完成以后，才去读取output。

这种写法比较麻烦，等于要求模块的使用者遵守一个额外的使用协议，按照特殊的方法使用这个模块。一旦你忘了要用 Promise 加载，只使用正常的加载方法，依赖这个模块的代码就可能出错。而且，如果上面的usage.js又有对外的输出，等于这个依赖链的所有模块都要使用 Promise 加载。

顶层的await命令，就是为了解决这个问题。它保证只有异步操作完成，模块才会输出值。

// awaiting.js
const dynamic = import(someMission);
const data = fetch(url);
export const output = someProcess((await dynamic).default, await data);

上面代码中，两个异步操作在输出的时候，都加上了await命令。只有等到异步操作完成，这个模块才会输出值。

加载这个模块的写法如下。

// usage.js
import { output } from "./awaiting.js";
function outputPlusValue(value) { return output + value }

console.log(outputPlusValue(100));
setTimeout(() => console.log(outputPlusValue(100)), 1000);

上面代码的写法，与普通的模块加载完全一样。也就是说，模块的使用者完全不用关心，依赖模块的内部有没有异步操作，正常加载即可。

这时，模块的加载会等待依赖模块（上例是awaiting.js）的异步操作完成，才执行后面的代码，有点像暂停在那里。所以，它总是会得到正确的output，不会因为加载时机的不同，而得到不一样的值。

注意，顶层await只能用在 ES6 模块，不能用在 CommonJS 模块。这是因为 CommonJS 模块的require()是同步加载，如果有顶层await，就没法处理加载了。

下面是顶层await的一些使用场景。

// import() 方法加载
const strings = await import(`/i18n/${navigator.language}`);

// 数据库操作
const connection = await dbConnector();

// 依赖回滚
let jQuery;
try {
  jQuery = await import('https://cdn-a.com/jQuery');
} catch {
  jQuery = await import('https://cdn-b.com/jQuery');
}

注意，如果加载多个包含顶层await命令的模块，加载命令是同步执行的。

// x.js
console.log("X1");
await new Promise(r => setTimeout(r, 1000));
console.log("X2");

// y.js
console.log("Y");

// z.js
import "./x.js";
import "./y.js";
console.log("Z");

上面代码有三个模块，最后的z.js加载x.js和y.js，打印结果是X1、Y、X2、Z。这说明，z.js并没有等待x.js加载完成，再去加载y.js。

顶层的await命令有点像，交出代码的执行权给其他的模块加载，等异步操作完成后，再拿回执行权，继续向下执行。