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【人人都能读标准】16. 底层算法:生成器的创建与异步迭代

2024-08-30 03:08:18 前端知识 前端哥 442 94 我要收藏

本文为《人人都能读标准》—— ECMAScript篇的第16篇。我在这个仓库中系统地介绍了标准的阅读规则以及使用方式,并深入剖析了标准对JavaScript核心原理的描述。


前面两节我们分别讲了模块化编程的基石 —— 函数,面向对象编程的基石 —— 类,本节我们将关注异步编程的基石 —— generator。我会先讲比generator更为的底层的对象 —— 迭代器与可迭代对象;然后会讲Generator函数的创建与执行;最后我会重点分析,从标准的角度看,generator是如何实现异步编程的。


迭代器与可迭代对象

众所周知,“鸭子类型”是JavaScript应用的一种类型系统。鸭子类型是指语言会在运行时根据对象的结构,隐式地推断对象的类型。标准使用接口(interface)描述某个对象类型的结构,当一个对象实现了这个接口定义的所有属性方法,该对象就可以使用这个接口关联的所有特性。

对于鸭子类型,最典型的应用就是迭代器。标准定义了3个与迭代器相关的接口。分别是:

  • 可迭代对象接口(iterable interface):定义了一个方法,所有实现了该方法的对象都可以称为可迭代对象

    • Symbol.iterator方法:执行该方法会返回一个”迭代器对象“。
  • 迭代器接口(iterator interface):定义了一个必须的方法以及两个可选的方法,所有实现了该接口的对象称为迭代器对象

    • next方法:必须的方法,返回一个“迭代结果对象”。
    • return方法:可选,一般返回一个done属性为true的迭代结果对象,表示迭代结束。
    • throw方法:可选,返回一个异常或done属性为true的迭代结果对象,表示迭代过程发生错误。
  • 迭代结果接口(iteratorResult interface):定义了两个属性值,所有实现该接口的对象称为迭代结果对象

    • done:使用一个布尔值表示迭代过程是否已经完成。
    • value:表示当前迭代位置的值。

举一个简单的例子。在下面的例子中,iterable是一个可迭代对象,iterator是一个迭代器对象, iteratorRes是一个迭代结果对象:

const iterable = { // 【可迭代对象】
    [Symbol.iterator]: fn,
}


function fn(){
    let curr = 0
    const iterator = { // 【迭代器对象】
        next(){
            const iteratorRes = { //【迭代结果对象】
                done: curr > 10, // 大于10终止遍历
                value: curr
            }
            curr ++
            return iteratorRes 
        }
    } 
    return iterator
}

在ECMAScript中,许多特性是基于可迭代对象接口实现的,比如for ... of ... 循环、展开语法等等,所以上面的可迭代对象可以这么用:

// for ... of ... 循环
for (let i of iterable) {
    console.log(i)
}
// 展开语法:
let a = [...iterable]

许多语言提供的对象类型,本身也是可迭代对象,比如数组、字符串对象、Map、Set:

// 使用展开语法
console.log(...[1,2,3,4]) // 数组
console.log(..."123") // 字符串对象
console.log(...new Map([["a",1],["b",2],["c",3]])) // Map
console.log(...new Set([1,2,3])) // Set

学习迭代器我认为有一个常见的坑:语言内置的迭代器,它既是迭代器,也是可迭代对象。比如下面的代码,我通过执行Symbol.iterator 方法拿到了数组的迭代器,却发现这个迭代器,不仅可以调用next() 方法,还可以使用可迭代对象的特性。

const array = [1,2,3,4]
let arrayIterator = array[Symbol.iterator]() // 数组迭代器

// 作为迭代器使用
arrayIterator.next()

// 作为可迭代对象使用(使用展开语法)
console.log(...arrayIterator)

这个现象总是容易让初学者(比如曾经的我)一不小心就弄混迭代器与可迭代对象的区别。要找到这个现象的根源,需要追溯到这些内置迭代器的原型链上。不管是数组、字符串对象、Map、Set还是其他内置的可迭代对象,通过执行Symbol.iterator 方法都可以拿到它们各自的迭代器,而这些迭代器的原型都共同源自于一个神秘的对象 —— %iteratorPrototype%。

iterator-prototype

之所以说他神秘,是因为这个对象并不是全局对象上的某一个属性,而且也并没有什么简便的方法可以获取到它,要拿到它,你只能爬原型链,如下面的代码所示:

Object.getPrototypeOf(Object.getPrototypeOf([][Symbol.iterator]()))

而这个神秘的对象,自身有一个Symbol.iterator方法,且这个方法会返回它自身,如下图所示(标准使用@@表示Symbol):

iterator-prototype-chain

你可以使用以下代码验证这一点:

let iteratorPrototype = Object.getPrototypeOf(Object.getPrototypeOf([][Symbol.iterator]()))
iteratorPrototype[Symbol.iterator]() === iteratorPrototype // true

于是,其他继承这个对象的迭代器,也继承了这个方法。而基于鸭子类型的特点,实现了Symbol.iterator方法的对象都是可迭代对象,这也就解释了,为什么这些内置迭代器,既是迭代器,也是可迭代对象。


有了以上的基础,我们就可以进入今日的正餐 —— generator。


Generator函数与generator

在这里,首先需要区分的是:Generator函数与generator不是同一个东西。Generator函数用于创建generator,generator既是一个迭代器也是一个可迭代对象(因为generator也继承了%iteratorPrototype%),用于进行实际的异步迭代。

一个Generator函数的使用大致会经历以下三个阶段:

  1. 创建Generator函数;
  2. 执行函数获得可迭代对象;
  3. 对可迭代对象进行迭代。

举个例子:

// 1. 创建Generator函数
function* generatorFn(){
    yield 1;
    yield 2
}

// 2. 执行函数获得可迭代对象
const iterable = generatorFn()

// 3. 对可迭代对象进行迭代
for (let i of iterable) {
    console.log(i)
}

如果Generator函数仅仅拿来做迭代的话,那数组做得比它好一万倍。Generator函数真正的魔力在于:它可以实现异步编程,所以我们要把三个阶段的表述改一改:

一个Generator函数的使用大致会经历以下三个阶段:

  1. 创建Generator函数;
  2. 执行函数获得generator;
  3. 通过generator实现异步编程。

举个例子:

// 1. 创建Generator函数
function* generatorFn(){
    console.log(2);
    yield;
    console.log(4)
}

// 2. 执行函数获得generator;
const generator = generatorFn()

// 3. 通过generator实现异步编程。
console.log(1)
generator.next() // 2
console.log(3)
generator.next() // 4

在剩余的内容中,我会从标准的角度为你展示,Generator函数在这三个阶段分别都经历了什么。


1. 创建Generator函数

在14.函数中,我们讲了ECMAScript创建函数的主要步骤,并且提到了创建Generator函数的运行时语义 —— InstantiateGeneratorFunctionObject。

Generator函数的创建过程与一般函数大体一致,差异主要体现在两个方面:

  • 原型对象不同。普通函数使用的原型对象是Function.prototype的,而Generator函数使用的原型对象是GeneratorFunction.prototype
  • prototype对象不同。普通函数使用MakeConstructor创建一个以Object.prototype为原型的prototype对象,并把函数变成一个构造器;而Generator函数会以GeneratorFunction.prototype.prototype为原型创建prototype对象,但Generator函数不会变成构造器(无[[Construct]]方法),这个prototype对象会在创建generator的时候被使用。

create-generator


2. 执行函数获得generator

在14.函数中我们也说过,对于Generator函数,执行函数体的时候会调用EvaluateGeneratorBody,有趣的是,此时并不会执行Generator函数内语句,而是创建了一个新的对象,即generator:

execute-generator-fn

这里的主要逻辑可以总结如下:

  1. 函数声明实例化;
  2. 基于GeneratorFunction.prototype.prototype创建一个对象G,G就是最终获得的generator;
  3. 准备generator的执行环境,核心算法是GeneratorStart;
  4. 返回G

从这个角度看,执行Generator函数,就好像使用new表达式创建了一个generator实例一样,尽管Generator函数本身并不是一个构造器。关于Generator函数与generator的原型链、prototype对象之间的关系,可以用下面这张图理清楚:

generator-prototype


在上述算法中,GeneratorStart是与实现异步相关的抽象操作,我们放到下面一起讲。


3. 通过generator实现异步编程

从标准的角度来看,与generator实现异步编程密切相关的抽象操作分别是:GeneratorStart、GeneratorResume、GeneratorYield。它们分别会在创建generator、调用generator的next()方法、遇到yield表达式的时候被触发,如下面的代码所示:

function* a(){
    console.log(2);
    yield; // 3. 触发【GeneratorYield】
    console.log(4);
}
b = a() // 1. 触发【GeneratorStart】
console.log(1) 
b.next() // 2. 触发【GeneratorResume】
console.log(3)
b.next() // 4. 触发【GeneratorResume】

在深入这些抽象操作的细节之前,我们需要先知道generator对象上的两个重要的内部插槽:

  • [[GeneratorState]]:记录generator当前的执行状态,该内部插槽有意义的值以及对应的含义分别是:
    • suspendedStart:generator初始化完毕;
    • suspendedYield:在执行generator的过程中,遇到了yield表达式,需要暂停执行。
    • executing:正在执行generator;
    • completed:generator执行完毕。
  • [[GeneratorContext]]:保存用以执行generator的执行上下文,该执行上下文在未来可能会被数次压入、弹出调用栈。

GeneratorStart会在执行Generator函数的过程中触发,它的完整逻辑如下图所示:

generator-start

这里的关键步骤是:(与15.类一样,括号内对应图中算法的步骤)

  1. (2)获取当前执行上下文(图中黄色的genContext),由于此时正在执行Generator的函数,所以genContext为Generator函数所创建的执行上下文。
  2. (4)创建一个抽象闭包(红色的closure),这个抽象闭包封装了一段逻辑:执行Generator函数体内的语句列表(绿色的generatorBody),并根据执行的结果,返回不同的迭代结果对象。我们前面所说的“执行generator”,指的就是执行这个抽象闭包。
  3. (5)设置genContextcode evaluation state 组件,使得每次genContext压入调用栈栈顶并恢复执行时,抽象闭包从原来暂停的地方继续执行。
  4. (6)把genContext保存在generator的[[GeneratorContext]]内部插槽中;
  5. (7)把generator的[[GeneratorState]]内部插槽设置为suspendedStart

在此之后,不管是显式使用next()方法、还是由语言特性(如for…of…)隐式触发generator,都会触发抽象操作GeneratorResume,其完整的逻辑如下图所示:

generator-resume

GeneratorResume的关键步骤并不复杂:

  1. (4)获得generator的[[GeneratorContext]]内部插槽保存的执行上下文,genContext

  2. (7)把generator的[[GeneratorState]]内部插槽设置为executing

  3. (8)把genContext压入调用栈;

  4. (9)恢复genContext的执行。如果next()方法调用的时候有传参,那么此时会使用这个参数(红色的value)作为上一个yield表达式的返回值。如以下的代码所示:

    function *a(){
        console.log(yield)
    }
    
    b = a()
    b.next()
    b.next(2) // 2
    

此后,抽象闭包就会重新启动执行,直至执行完毕,或者再次遇到了yield表达式。

当遇到yield表达式的时候,会触发抽象操作GeneratorYield:

generator-yield

GeneratorYield与GeneratorResume几乎是“镜像”的:

  1. (5)把generator的[[GeneratorState]]设置为suspendedYield

  2. (6)把栈顶的执行上下文弹出,抽象闭包的执行就此暂停执行。

  3. (8)恢复此时栈顶执行上下文的执行。此时,generator外部的代码开始运行,至此,异步编程得到了实现。 此外,这一步还会把yield表达式后面部分(红色的iterNextObj)作为next()方法执行的返回值。如下面的代码所示:

    function *a(){
        yield 1;
    }
    
    b = a()
    console.log(b.next()) // {value: 1, done: false}
    

从以上的内容我们可以看到,执行上下文的保存与恢复对于实现异步编程起到了至关重要的作用。在8.执行环境,我们早已对generator执行过程中调用栈的变化进行了可视化,现在你可以再看一次这张图,相信你会有许多新的感悟:

function* a(){
    console.log(2);
    yield; 
    console.log(4);
}
b = a() 
console.log(1) 
b.next() 
console.log(3)
b.next() 

这段代码执行的过程中,调用栈的变化如下图所示:

execution-context

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