声明：以下内容来源于https://wangdoc.com/javascript/async/general.html。此处仅作为学习记录，建议查看原文

一、单线程模型

单线程模型指的是，JavaScript 只在一个线程上运行。也就是说，JavaScript 同时只能执行一个任务，其他任务都必须在后面排队等待。

注意，JavaScript 只在一个线程上运行，不代表 JavaScript 引擎只有一个线程。事实上，JavaScript 引擎有多个线程，单个脚本只能在一个线程上运行（称为主线程），其他线程都是在后台配合。

JavaScript 之所以采用单线程，而不是多线程，跟历史有关系。JavaScript 从诞生起就是单线程，原因是不想让浏览器变得太复杂，因为多线程需要共享资源、且有可能修改彼此的运行结果，对于一种网页脚本语言来说，这就太复杂了。如果 JavaScript 同时有两个线程，一个线程在网页 DOM 节点上添加内容，另一个线程删除了这个节点，这时浏览器应该以哪个线程为准？是不是还要有锁机制？所以，为了避免复杂性，JavaScript 一开始就是单线程，这已经成了这门语言的核心特征，将来也不会改变。

这种模式的好处是实现起来比较简单，执行环境相对单纯；坏处是只要有一个任务耗时很长，后面的任务都必须排队等着，会拖延整个程序的执行。常见的浏览器无响应（假死），往往就是因为某一段 JavaScript 代码长时间运行（比如死循环），导致整个页面卡在这个地方，其他任务无法执行。JavaScript 语言本身并不慢，慢的是读写外部数据，比如等待 Ajax 请求返回结果。这个时候，如果对方服务器迟迟没有响应，或者网络不通畅，就会导致脚本的长时间停滞。

如果排队是因为计算量大，CPU 忙不过来，倒也算了，但是很多时候 CPU 是闲着的，因为 IO 操作（输入输出）很慢（比如 Ajax 操作从网络读取数据），不得不等着结果出来，再往下执行。JavaScript 语言的设计者意识到，这时 CPU 完全可以不管 IO 操作，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到 IO 操作返回了结果，再回过头，把挂起的任务继续执行下去。这种机制就是 JavaScript 内部采用的“事件循环”机制（Event Loop）。（loop： /luːp/ n. 环状物、圈；弯曲的部分；环状结构；v. 使成环；环行；放磁带，执行计算机指令；）

单线程模型虽然对 JavaScript 构成了很大的限制，但也因此使它具备了其他语言不具备的优势。如果用得好，JavaScript 程序是不会出现堵塞的，这就是为什么 Node 可以用很少的资源，应付大流量访问的原因。

为了利用多核 CPU 的计算能力，HTML5 提出 Web Worker 标准，允许 JavaScript 脚本创建多个线程，但是子线程完全受主线程控制，且不得操作 DOM。所以，这个新标准并没有改变 JavaScript 单线程的本质。

二、同步任务和异步任务

程序里面所有的任务，可以分成两类：同步任务（synchronous）和异步任务（asynchronous）。

同步任务是那些没有被引擎挂起、在主线程上排队执行的任务。只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务。

异步任务是那些被引擎放在一边，不进入主线程、而进入任务队列的任务。只有引擎认为某个异步任务可以执行了（比如 Ajax 操作从服务器得到了结果），该任务（采用回调函数的形式）才会进入主线程执行。排在异步任务后面的代码，不用等待异步任务结束会马上运行，也就是说，异步任务不具有“堵塞”效应。

举例来说，Ajax 操作可以当作同步任务处理，也可以当作异步任务处理，由开发者决定。如果是同步任务，主线程就等着 Ajax 操作返回结果，再往下执行；如果是异步任务，主线程在发出 Ajax 请求以后，就直接往下执行，等到 Ajax 操作有了结果，主线程再执行对应的回调函数。

三、任务队列和事件循环

JavaScript 运行时，除了一个正在运行的主线程，引擎还提供一个任务队列（task queue），里面是各种需要当前程序处理的异步任务。（实际上，根据异步任务的类型，存在多个任务队列。为了方便理解，这里假设只存在一个队列。）
首先，主线程会去执行所有的同步任务。等到同步任务全部执行完，就会去看任务队列里面的异步任务。如果满足条件，那么异步任务就重新进入主线程开始执行，这时它就变成同步任务了。等到执行完，下一个异步任务再进入主线程开始执行。一旦任务队列清空，程序就结束执行。
异步任务的写法通常是回调函数。一旦异步任务重新进入主线程，就会执行对应的回调函数。如果一个异步任务没有回调函数，就不会进入任务队列，也就是说，不会重新进入主线程，因为没有用回调函数指定下一步的操作。
JavaScript 引擎怎么知道异步任务有没有结果，能不能进入主线程呢？答案就是引擎在不停地检查，一遍又一遍，只要同步任务执行完了，引擎就会去检查那些挂起来的异步任务，是不是可以进入主线程了。这种循环检查的机制，就叫做事件循环（Event Loop）。维基百科的定义是：“事件循环是一个程序结构，用于等待和发送消息和事件（a programming construct that waits for and dispatches events or messages in a program）”。

四、异步操作的模式

下面总结一下异步操作的几种模式

4.1 回调函数

回调函数是异步操作最基本的方法。
下面是两个函数f1和f2，编程的意图是f2必须等到f1执行完成，才能执行。

  1. function f1() {
  2.   // ...
  3. }
  5. function f2() {
  6.   // ...
  7. }
  9. f1();
  10. f2();

上面代码的问题在于，如果f1是异步操作，f2会立即执行，不会等到f1结束再执行。
这时，可以考虑改写f1，把f2写成f1的回调函数。

  1. function f1(callback) {
  2.   // ...
  3.   callback();
  4. }
  6. function f2() {
  7.   // ...
  8. }
  10. f1(f2);

回调函数的优点是简单、容易理解和实现，缺点是不利于代码的阅读和维护，各个部分之间高度耦合（coupling），使得程序结构混乱、流程难以追踪（尤其是多个回调函数嵌套的情况），而且每个任务只能指定一个回调函数。

4.2 事件监听

另一种思路是采用事件驱动模式。异步任务的执行不取决于代码的顺序，而取决于某个事件是否发生。

还是以f1和f2为例。首先，为f1绑定一个事件（这里采用的 jQuery 的写法）。

  1. f1.on('done', f2);

上面这行代码的意思是，当f1发生done事件，就执行f2。然后，对f1进行改写：

function f1() {
  setTimeout(function () {
    // ...
    f1.trigger('done');
  }, 1000);
}

上面代码中，f1.trigger(‘done’)表示，执行完成后，立即触发done事件，从而开始执行f2。
这种方法的优点是比较容易理解，可以绑定多个事件，每个事件可以指定多个回调函数，而且可以“去耦合”（decoupling），有利于实现模块化。缺点是整个程序都要变成事件驱动型，运行流程会变得很不清晰。阅读代码的时候，很难看出主流程。

4.3 发布/订阅

事件完全可以理解成“信号”，如果存在一个“信号中心”，某个任务执行完成，就向信号中心“发布”（publish）一个信号，其他任务可以向信号中心“订阅”（subscribe）这个信号，从而知道什么时候自己可以开始执行。这就叫做”发布/订阅模式”（publish-subscribe pattern），又称“观察者模式”（observer pattern）。 （subscribe /səbˈskraɪb/ vi. 订阅；捐款；认购；赞成；签署）
这个模式有多种实现，下面采用的是 Ben Alman 的 Tiny Pub/Sub，这是 jQuery 的一个插件。
首先，f2向信号中心jQuery订阅done信号。

jQuery.subscribe('done', f2);

然后，f1进行如下改写。

function f1() {
  setTimeout(function () {
    // ...
    jQuery.publish('done');
  }, 1000);
}

上面代码中，jQuery.publish(‘done’)的意思是，f1执行完成后，向信号中心jQuery发布done信号，从而引发f2的执行。
f2完成执行后，可以取消订阅（unsubscribe）。

jQuery.unsubscribe('done', f2);

这种方法的性质与“事件监听”类似，但是明显优于后者。因为可以通过查看“消息中心”，了解存在多少信号、每个信号有多少订阅者，从而监控程序的运行。

五、异步操作的流程控制

如果有多个异步操作，就存在一个流程控制的问题：如何确定异步操作执行的顺序，以及如何保证遵守这种顺序。

function async(arg, callback) {
  console.log('参数为 ' + arg +' , 1秒后返回结果');
  setTimeout(function () { callback(arg * 2); }, 1000);
}

上面代码的async函数是一个异步任务，非常耗时，每次执行需要1秒才能完成，然后再调用回调函数。

如果有六个这样的异步任务，需要全部完成后，才能执行最后的final函数。请问应该如何安排操作流程？

function final(value) {
  console.log('完成: ', value);
}

async(1, function (value) {
  async(2, function (value) {
    async(3, function (value) {
      async(4, function (value) {
        async(5, function (value) {
          async(6, final);
        });
      });
    });
  });
});
// 参数为 1 , 1秒后返回结果
// 参数为 2 , 1秒后返回结果
// 参数为 3 , 1秒后返回结果
// 参数为 4 , 1秒后返回结果
// 参数为 5 , 1秒后返回结果
// 参数为 6 , 1秒后返回结果
// 完成:  12

上面代码中，六个回调函数的嵌套，不仅写起来麻烦，容易出错，而且难以维护。

5.1 串行执行

我们可以编写一个流程控制函数，让它来控制异步任务，一个任务完成以后，再执行另一个。这就叫串行执行。

var items = [ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ];
var results = [];

function async(arg, callback) {
  console.log('参数为 ' + arg +' , 1秒后返回结果');
  setTimeout(function () { callback(arg * 2); }, 1000);
}

function final(value) {
  console.log('完成: ', value);
}

function series(item) {
  if(item) {
    async( item, function(result) {
      results.push(result);
      return series(items.shift());
    });
  } else {
    return final(results[results.length - 1]);
  }
}

series(items.shift());

上面代码中，函数series就是串行函数，它会依次执行异步任务，所有任务都完成后，才会执行final函数。items数组保存每一个异步任务的参数，results数组保存每一个异步任务的运行结果。
注意，上面的写法需要六秒，才能完成整个脚本。

5.2 并行执行

流程控制函数也可以是并行执行，即所有异步任务同时执行，等到全部完成以后，才执行final函数。

var items = [ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ];
var results = [];

function async(arg, callback) {
  console.log('参数为 ' + arg +' , 1秒后返回结果');
  setTimeout(function () { callback(arg * 2); }, 1000);
}

function final(value) {
  console.log('完成: ', value);
}

items.forEach(function(item) {
  async(item, function(result){
    results.push(result);
    if(results.length === items.length) {
      final(results[results.length - 1]);
    }
  })
});

上面代码中，forEach方法会同时发起六个异步任务，等到它们全部完成以后，才会执行final函数。

相比而言，上面的写法只要一秒，就能完成整个脚本。这就是说，并行执行的效率较高，比起串行执行一次只能执行一个任务，较为节约时间。但是问题在于如果并行的任务较多，很容易耗尽系统资源，拖慢运行速度。因此有了第三种流程控制方式。

5.3 并行与串行的结合

所谓并行与串行的结合，就是设置一个门槛，每次最多只能并行执行n个异步任务，这样就避免了过分占用系统资源。

var items = [ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ];
var results = [];
var running = 0;
var limit = 2;

function async(arg, callback) {
  console.log('参数为 ' + arg +' , 1秒后返回结果');
  setTimeout(function () { callback(arg * 2); }, 1000);
}

function final(value) {
  console.log('完成: ', value);
}

function launcher() {
  while(running < limit && items.length > 0) {
    var item = items.shift();
    async(item, function(result) {
      results.push(result);
      running--;
      if(items.length > 0) {
        launcher();
      } else if(running == 0) {
        final(results);
      }
    });
    running++;
  }
}

launcher();

上面代码中，最多只能同时运行两个异步任务。变量running记录当前正在运行的任务数，只要低于门槛值，就再启动一个新的任务，如果等于0，就表示所有任务都执行完了，这时就执行final函数。
这段代码需要三秒完成整个脚本，处在串行执行和并行执行之间。通过调节limit变量，达到效率和资源的最佳平衡。