前端高手进阶-中兴科软前端架构 - 加餐2：手写 Promise、async/await - 《📚 技术修行》

Promise/A+ 规范
Promise 实现
Promise 测试
async/await
- 什么是 Generator 函数？
- async/await 原理
总结

Promise、async/await 已经逐渐成为主流的异步处理方式，所以了解其实现原理非常重要。这一课时我们就来讲讲 Promise 和 async/await 的实现。

Promise/A+ 规范

在编写 Promise 之前，我们必须了解 Promise/A+ 规范。由于内容较长，下面我总结了几点，更详细的内容可以查阅 Promise/A+ 规范。

Promise 是一个对象或者函数，对外提供了一个 then 函数，内部拥有 3 个状态。

then 函数

then 函数接收两个函数作为可选参数：

promise.then(onFulfilled, onRejected)

同时遵循下面几个规则：

如果可选参数不为函数时应该被忽略；
两个函数都应该是异步执行的，即放入事件队列等待下一轮 tick，而非立即执行；
当调用 onFulfilled 函数时，会将当前 Promise 的值作为参数传入；
当调用 onRejected 函数时，会将当前 Promise 的失败原因作为参数传入；
then 函数的返回值为 Promise。

Promise 状态

Promise 的 3 个状态分别为 pending、fulfilled 和 rejected。

pending：“等待” 状态，可以转移到 fulfilled 或者 rejected 状态
fulfilled：“执行”（或 “履行”）状态，是 Promise 的最终态，表示执行成功，该状态下不可再改变。
rejected：“拒绝” 状态，是 Promise 的最终态，表示执行失败，该状态不可再改变。

Promise 解决过程

Promise 解决过程是一个抽象的操作，即接收一个 promise 和一个值 x，目的就是对 Promise 形式的执行结果进行统一处理。需要考虑以下 4 种情况。

情况 1： x 等于 promise

抛出一个 TypeError 错误，拒绝 promise。

情况 2：x 为 Promise 的实例

如果 x 处于等待状态，那么 promise 继续等待至 x 执行或拒绝，否则根据 x 的状态执行 / 拒绝 promise。

情况 3：x 为对象或函数

该情况的核心是取出 x.then 并调用，在调用的时候将 this 指向 x。将 then 回调函数中得到结果 y 传入新的 Promise 解决过程中，形成一个递归调用。其中，如果执行报错，则以对应的错误为原因拒绝 promise。

这一步是处理拥有 then() 函数的对象或函数，这类对象或函数我们称之为 “thenable”。注意，它只是拥有 then() 函数，并不是 Promise 实例。

情况 4：如果 x 不为对象或函数

以 x 作为值，执行 promise。

Promise 实现

下面我们就根据规范来逐步实现一个 Promise。

Promise() 函数及状态

由于 Promise 只有 3 个状态，这里我们可以先创建 3 个 “常量” 来消除魔术字符串：

var PENDING = 'pending'
var FULFILLED = 'fulfilled'
var REJECTED = 'rejected

由于 Promise 可以被实例化，所以可以定义成类或函数，这里为了增加难度，先考虑在 ES5 环境下实现，所以写成构造函数的形式。

使用过 Promise 的人肯定知道，在创建 Promise 的时候会传入一个回调函数，该回调函数会接收两个参数，分别用来执行或拒绝当前 Promise。同时考虑到 Promise 在执行时可能会有返回值，在拒绝时会给出拒绝原因，我们分别用 value 和 reason 两个变量来表示。具体代码如下：

function Promise(execute) {
var self = this;
  self.state = PENDING;
function resolve(value) {
if (self.state === PENDING) {
      self.state = FULFILLED;
      self.value = value;
    }
  }
function reject(reason) {
if (self.state === PENDING) {
      self.state = REJECTED;
      self.reason = reason;
    }
  }
try {
    execute(resolve, reject);
  } catch (e) {
    reject(e);
  }
}

我们在第 09 课时中提过，Promise 是单次执行的，所以需要判断状态为 PENDING 的时候再执行函数 resolve() 或函数 reject() 。同时 Promise 的内部异常不能直接抛出，所以要进行异常捕获。

then() 函数

每个 Promise 实例都有一个 then() 函数，该函数会访问 Promise 内部的值或拒绝原因，所以通过函数原型 prototype 来实现。then() 函数接收两个回调函数作为参数，于是写成下面的形式：

Promise.prototype.then = function (onFulfilled, onRejected) {
}

根据第 1 条原则，如果可选参数不为函数时应该被忽略，所以在函数 then() 内部加上对参数的判断：

onFulfilled = typeof onFulfilled === "function" ? onFulfilled : function (x) {
return x
};
onRejected = typeof onRejected === "function" ? onRejected : function (e) {
throw e
};

根据第 2 条规则，传入的回调函数是异步执行的。要模拟异步，可以通过 setTimeout 来延迟执行。再根据第 3 条和第 4 条规则，应根据 Promise 的状态来执行对应的回调，执行状态下调用 onFulfilled() 函数，拒绝状态下调用 onRejected() 函数。

var self = this;
switch (self.state) {
case FULFILLED:
    setTimeout(function () {
      onFulfilled(self.value);
    })
break;
case REJECTED:
    setTimeout(function () {
      onRejected(self.reason);
    })
break;
case PENDING:
break;
}

等待状态下就有些麻烦了，需要等到 Promise 状态转变时才能调用。

按照常规处理方式，可以建立一个监听，监听 Promise 的状态值改变。由于浏览器环境和 Node.js 环境的事件监听不一样，考虑兼容性，这种实现会比较复杂。

换个角度来看，在不考虑异常的情况下 Promise 的状态改变只依赖于构造函数中的 resolve() 函数和 reject() 函数执行。所以可考虑将 onFulfilled() 和 onRejected() 函数先保存到 Promise 属性 onFulfilledFn 和 onRejectedFn 中，等到状态改变时再调用。

case PENDING:
  self.onFulfilledFn = function () {
    onFulfilled(self.value);
  }
  self.onRejectedFn = function () {
    onRejected(self.reason);
  }
break;

最后看第 5 条规则，then() 被调用时应该返回一个新的 Promise，所以在上面的 3 种状态的处理逻辑中，都应该创建并返回一个 Promise 实例。以执行状态为例，可以改成下面的样子。

case FULFILLED:
  promise = new Promise(function (resolve, reject) {
    setTimeout(function () {
try {
        onFulfilled(self.value);
      } catch (e) {
        reject(e)
      }
    })
  });
break;

同时，它带来的另一个效果是支持链式调用。在链式调用的情况下，如果 Promise 实例处于等待状态，那么需要保存多个 resolve() 或 reject() 函数，所以 onFulfilledFn 和 onRejectedFn 应该改成数组。

case PENDING:
  promise = new Promise(function (resolve, reject) {
    self.onFulfilledFn.push(function () {
try {
        onFulfilled(self.value);
      } catch (e) {
        reject(e)
      }
    });
    self.onRejectedFn.push(function () {
try {
        onRejected(self.reason);
      } catch (e) {
        reject(e)
      }
    })
  });
break;

对应的，Promise 构造函数中应该初始化属性 onFulfilledFn 和 onRejectedFn 为数组，同时 resolve() 和 reject() 函数在改变状态时应该调用这个数组中的函数，并且这个调用过程应该是异步的。

function Promise(execute) {
  ...
  self.onFulfilledFn = [];
  self.onRejectedFn = [];
  ...
  function resolve(value) {
    setTimeout(function() {
      ...
      self.onFulfilledFn.forEach(function (f) {
        f(self.value)
      })
    })
  }
function reject(reason) {
    setTimeout(function() {
      ...
      self.onRejectedFn.forEach(function (f) {
        f(self.reason)
      })
    })
  }
}

resolvePromise() 函数

前面提到解决过程函数有两个参数及 3 种情况，先来考虑第 1 种情况，promise 与 x 相等，应该直接抛出 TypeError 错误：

function resolvePromise(promise, x) {
if (promise === x) {
return reject(new TypeError("x 不能与 promise 相等"));
  }
}

情况 2，x 为 Promise 的实例，应该尝试让 promise 接受 x 的状态，怎么接受呢？

直接改变 promise 状态肯定是不可取的，首先状态信息属于内部变量，其次也无法调用属性 onResolvedFn 和 onFulfilledFn 中的待执行函数。所以必须要通过调用 promise 在构造时的函数 resolve() 和 reject() 来改变。

如果 x 处于等待状态，那么 promise 继续保持等待状态，等待解决过程函数 resolvePromise() 执行，否则应该用相同的值执行或拒绝 promise。我们无法从外部拒绝或执行一个 Promise 实例，只能通过调用构造函数传入的 resolve() 和 reject() 函数来实现。所以还需要把这两个函数作为参数传递到 resolvePromise 函数中。

在函数 resolvePromise() 内部加上情况 2 的判断，代码如下：

function resolvePromise(promise, x, resolve, reject) {
  ...
  if (x instanceof Promise) {
if (x.state === FULFILLED) {
      resolve(x.value)
    } else if (x.state === REJECTED) {
      reject(x.reason)
    } else {
      x.then(function (y) {
        resolvePromise(promise, y, resolve, reject)
      }, reject)
    }
  }
}

再来实现情况 3，将 x.then 取出然后执行，并将执行结果放入解决过程函数 resolvePromise() 中。考虑到 x 可能只是一个 thenable 而非真正的 Promise，所以在调用 then() 函数的时候要设置一个变量 excuted 避免重复调用。同时记得在执行时添加异常捕获并及时拒绝当前 promise。

if ((x !== null) && ((typeof x === 'object') || (typeof x === 'function'))) {
var executed;
try {
var then = x.then;
if (typeof then === "function") {
      then.call(x, function (y) {
if (executed) return;
        executed = true;
return resolvePromise(promise, y, resolve, reject)
      }, function (e) {
if (executed) return;
        executed = true;
        reject(e);
      })
    } else {
      resolve(x);
    }
  } catch (e) {
if (executed) return;
    executed = true;
    reject(e);
  }
}

情况 4 就很简单了，直接把 x 作为值执行。

Promise 测试

编写测试代码永远是一个好习惯，为了验证编写的 Promise 正确性，引用一个专门用来测试 Promise 规范性的模块 promises-aplus-tests，该模块内置了数百个测试案例，支持命令行一键测试。只是在导出模块的时候需要遵循 CommonJS 规范，并且按照要求导出对应的函数。最终代码地址请点击这里获取。

测试结果如下图所示：

加餐2：手写 Promise、async/await - 图1

async/await

async 是 ES2017 标准推出的用于处理异步操作的关键字，从本质上来说，它就是 Generator 函数的语法糖。

什么是 Generator 函数？

Generator 函数是 ES6 提出的除 Promise 之外的另一种异步解决方案，不同于常见的异步回调，它的用法有些 “奇怪”。这里我们只简单介绍一下它的主要用法。

当声明一个 Generator 函数时，需要在 function 关键字与函数名之间加上一个星号，像下面这样：

当调用 Generator 函数后，函数并不会立即执行，而是返回一个迭代器对象。

函数体内部使用 yield 表达式，定义不同的内部状态。
当函数体外部调用迭代器的 next() 函数时，函数会执行到下一个 yield 表达式的位置，并返回一个对象，该对象包含属性 value 和 done，value 是调用 next() 函数时传入的参数，done 为布尔值表示是否执行完成。

下面是一个将异步回调函数改写成 Generator 函数的示例代码：

function asyncFn(cb) {
  setTimeout(cb, 1000, 1)
}
function* fn() {
var result = yield asyncFn(function(data) {
    it.next(data);
  })
console.log(result)  
}
var it = fn() 
it.next()

下面讲讲这段代码的执行逻辑。

asyncFn() 是一个自定义的异步回调函数，1 秒后返回数值 1。
先调用 Generator 函数得到迭代器 it，但此时函数并没有执行，需要执行迭代器的 next() 函数才能调用函数 fn() 。
Generator 函数 fn() 内部调用异步函数 asyncFn 时使用了 yield 关键字，代表此处暂停执行，等到异步函数 asyncFn 执行完成后再执行后面的代码。
1 秒后，匿名回调函数内部得到的返回值 1，通过 it.next() 函数返回这个值，并告诉迭代器继续执行后面的 console.log。

async/await 原理

虽然说 Generator 函数号称是解决异步回调问题，但却带来了一些麻烦，比如函数外部无法捕获异常，比如多个 yield 会导致调试困难。所以相较之下 Promise 是更优秀的异步解决方案。

async/await 做的事情就是将 Generator 函数转换成 Promise。下面代码描述的是 async 的实现逻辑：

function generator2promise(generatorFn) {
return function () {
var gen = generatorFn.apply(this, arguments);
return new Promise(function (resolve, reject) {
function step(key, arg) {
try {
var info = gen[key](arg);
var value = info.value;
        } catch (error) {
          reject(error);
return;
        }
if (info.done) {
          resolve(value);
        } else {
return Promise.resolve(value).then(function (value) {
            step("next", value);
          }, function (err) {
            step("throw", err);
          });
        }
      }
return step("next");
    });
  };
}

它将 Generator 函数包装成了一个新的匿名函数，调用这个匿名函数时返回一个 Promise。在这个 Promise 内部会创建一个 step() 函数，该函数负责递归调用 Generator 函数对应的迭代器，当迭代器执行完成时执行当前的 Promise，失败时则拒绝 Promise。

总结

本课时通过代码实例深入分析了 Promise/A+ 规范以及 async/await 的实现原理。对于手写 Promise 的过程，重点不在于实现结果，而在于实现过程，即先理解清楚规范，然后根据规范一步一步地去实现和优化。对于 async/await 语法糖，结合 Generator 函数，理解其封装原理即可。

最后布置一道练习题：学完本课时内容后，试着自己动手写一个 Promise，看看能否通过测试用例。