1. 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。

2. 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 () => {};

3. 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(v),
  e => console.log(e)
)
// 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 。

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() 。

4. 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); });
  });
}

5. 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。

6. 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。

7. 顶层 await

根据语法规格， 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。

目前，有一个语法提案，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。这个提案的目的，是借用 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 。

上面的代码也可以写成立即执行函数的形式。

// awaiting.js
let output;
(async function1 main() {
  const dynamic = await import(someMission);
  const data = await fetch(url);
  output = someProcess(dynamic.default, data);
})();
export { output };

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。

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。