Generator 函数
简介
基本概念
Generator
函数是ES6提供的一种异步编程解决方案,语法行为与传统函数完全不同。
Generator
函数有多种理解角度。从语法上,首先可以把它理解成,Generator
函数是一个状态机,封装了多个内部状态。
执行Generator函数会返回一个遍历器对象,也就是说,Generator函数除了状态机,还是一个遍历器对象生成函数。返回的遍历器对象,可以依次遍历Generator函数内部的每一个状态。
形式上,Generator函数是一个普通函数,但是有两个特征。一是,function
关键字与函数名之间有一个星号;二是,函数体内部使用yield
语句,定义不同的内部状态(yield语句在英语里的意思就是“产出”)。
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上面代码定义了一个Generator
函数helloWorldGenerator
,它内部有两个yield
语句“hello”和“world”,即该函数有三个状态:hello
,world
和return
语句(结束执行)。
然后,Generator
函数的调用方法与普通函数一样,也是在函数名后面加上一对圆括号。不同的是,调用Generator
函数后,该函数并不执行,返回的也不是函数运行结果,而是一个指向内部状态的指针对象,也就是上一章介绍的遍历器对象Iterator Object
。
下一步,必须调用遍历器对象的next
方法,使得指针移向下一个状态。也就是说,每次调用next
方法,内部指针就从函数头部或上一次停下来的地方开始执行,直到遇到下一个yield
语句(或return
语句)为止。换言之,Generator
函数是分段执行的,yield
语句是暂停执行的标记,而next
方法可以恢复执行。
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ES6没有规定,function
关键字与函数名之间的星号,写在哪个位置。这导致下面的写法都能通过。
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由于Generator
函数仍然是普通函数,所以一般的写法是上面的第三种,即星号紧跟在function
关键字后面。
yield语句
由于Generator函数返回的遍历器对象,只有调用next方法才会遍历下一个内部状态,所以其实提供了一种可以暂停执行的函数。yield语句就是暂停标志。
遍历器对象的next方法的运行逻辑如下。
(1)遇到yield语句,就暂停执行后面的操作,并将紧跟在yield后面的那个表达式的值,作为返回的对象的value属性值。
(2)下一次调用next方法时,再继续往下执行,直到遇到下一个yield语句。
(3)如果没有再遇到新的yield语句,就一直运行到函数结束,直到return语句为止,并将return语句后面的表达式的值,作为返回的对象的value属性值。
(4)如果该函数没有return语句,则返回的对象的value属性值为undefined。
需要注意的是,yield
语句后面的表达式,只有当调用next
方法、内部指针指向该语句时才会执行,因此等于为JavaScript提供了手动的“惰性求值”Lazy Evaluation
的语法功能。
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上面代码中,yield
后面的表达式123 + 456
,不会立即求值,只会在next
方法将指针移到这一句时,才会求值。
另外需要注意,yield语句不能用在普通函数中,否则会报错。
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上面代码在一个普通函数中使用yield
语句,结果产生一个句法错误。另外,yield
语句如果用在一个表达式之中,必须放在圆括号里面。
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yield
语句用作函数参数或赋值表达式的右边,可以不加括号。
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与Iterator接口的关系
上一章说过,任意一个对象的Symbol.iterator
方法,等于该对象的遍历器生成函数,调用该函数会返回该对象的一个遍历器对象。
由于Generator
函数就是遍历器生成函数,因此可以把Generator
赋值给对象的Symbol.iterator
属性,从而使得该对象具有Iterator
接口。
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上面代码中,Generator
函数赋值给Symbol.iterator
属性,从而使得myIterable
对象具有了Iterator
接口,可以被...
运算符遍历了。
Generator
函数执行后,返回一个遍历器对象。该对象本身也具有Symbol.iterator
属性,执行后返回自身。
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上面代码中,gen
是一个Generator
函数,调用它会生成一个遍历器对象g
。它的Symbol.iterator
属性,也是一个遍历器对象生成函数,执行后返回它自己。
next方法的参数
yield
句本身没有返回值,或者说总是返回undefined
。next
方法可以带一个参数,该参数就会被当作上一个yield
语句的返回值。
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上面代码先定义了一个可以无限运行的Generator
函数f
,如果next
方法没有参数,每次运行到yield
语句,变量reset
的值总是undefined
。当next
方法带一个参数true
时,当前的变量reset
就被重置为这个参数(即true),因此i
会等于-1
,下一轮循环就会从-1
开始递增。
这个功能有很重要的语法意义。Generator
函数从暂停状态到恢复运行,它的上下文状态context
是不变的。通过next
方法的参数,就有办法在Generator
函数开始运行之后,继续向函数体内部注入值。也就是说,可以在Generator
函数运行的不同阶段,从外部向内部注入不同的值,从而调整函数行为。
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上面代码第一次调用a
的next
方法时,返回x+1的值6;第二次运行next
方法的时候不带参数,导致y
的值等于2 * undefined(即NaN),除以3以后还是NaN,因此返回对象的value属性也等于NaN。第三次运行next
方法的时候不带参数,所以z等于undefined
,返回对象的value
属性等于5 + NaN + undefined,即NaN。
上面代码第一次调用b
的next
方法时,返回x+1的值6;第二次调用next
方法,将上一次yield
语句的值设为12,因此y等于24,返回y / 3的值8;第三次调用next
方法,将上一次yield
语句的值设为13,因此z等于13,这时x等于5,y等于24,所以return
语句的值等于42。
注意,由于next
方法的参数表示上一个yield
语句的返回值,所以第一次使用next
方法时,不能带有参数。V8引擎直接忽略第一次使用next方法时的参数,只有从第二次使用next
方法开始,参数才是有效的。从语义上讲,第一个next
方法用来启动遍历器对象,所以不用带有参数。
如果想要第一次调用next方法时,就能够输入值,可以在Generator函数外面再包一层。
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再看一个通过next
方法的参数,向Generator
函数内部输入值的例子。
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for…of循环
for...of
循环可以自动遍历调用Generator
函数时生成的Iterator
对象,且此时不再需要调用next
方法。
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上面代码使用for...of
循环,依次显示5个yield
语句的值。这里需要注意,一旦next
方法的返回对象的done
属性为true
,for...of
循环就会中止,且不包含该返回对象,所以上面代码的return
语句返回的6,不包括在for...of
循环之中。
下面是一个利用Generator函数和for…of循环,实现斐波那契数列的例子。
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利用for...of
循环,可以写出遍历任意对象的方法。原生的JavaScript对象没有遍历接口,无法使用for...of
循环,通过Generator
函数为它加上这个接口,就可以用了。
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Generator.prototype.throw()
Generator
函数返回的遍历器对象,都有一个throw
方法,可以在函数体外抛出错误,然后在Generator
bbxb函数体内捕获。
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上面代码中,遍历器对象i连续抛出两个错误。第一个错误被Generator
函数体内的catch
语句捕获。i第二次抛出错误,由于Generator
函数内部的catch
语句已经执行过了,不会再捕捉到这个错误了,所以这个错误就被抛出了Generator
函数体,被函数体外的catch
语句捕获。
注意,不要混淆遍历器对象的throw
方法和全局的throw
命令。上面代码的错误,是用遍历器对象的throw
方法抛出的,而不是用throw
命令抛出的。后者只能被函数体外的catch
语句捕获。
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上面代码之所以只捕获了a
,是因为函数体外的catch
语句块,捕获了抛出的a
错误以后,就不会再继续try代码块里面剩余的语句了。
如果Generator
函数内部部署了try...catch
代码块,那么遍历器的throw
方法抛出的错误,不影响下一次遍历,否则遍历直接终止。
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一旦Generator
执行过程中抛出错误,就不会再执行下去了。如果此后还调用next
方法,将返回一个value
属性等于undefined
、done
属性等于true
的对象,即JavaScript引擎认为这个Generator已经运行结束了。
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上面代码一共三次运行next方法,第二次运行的时候会抛出错误,然后第三次运行的时候,Generator函数就已经结束了,不再执行下去了。
Generator.prototype.return()
Generator
函数返回的遍历器对象,还有一个return
方法,可以返回给定的值,并且终结遍历Generator
函数。
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如果return
方法调用时,不提供参数,则返回值的value
属性为undefined
。
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如果Generator
函数内部有try...finally
代码块,那么return
方法会推迟到finally
代码块执行完再执行。
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yield*语句
如果在Generater
函数内部,调用另一个Generator
函数,默认情况下是没有效果的。
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上面代码中,foo
和bar
都是Generator
函数,在bar
里面调用foo
,是不会有效果的。这个就需要用到yield*
语句,用来在一个Generator
函数里面执行另一个Generator
函数
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从语法角度看,如果yield
命令后面跟的是一个遍历器对象,需要在yield
命令后面加上星号,表明它返回的是一个遍历器对象。这被称为yield*
语句。
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上面代码中,delegatingIterator
是代理者,delegatedIterator
是被代理者。由于yield* delegatedIterator
语句得到的值,是一个遍历器,所以要用星号表示。运行结果就是使用一个遍历器,遍历了多个Generator
函数,有递归的效果。
yield*
后面的Generator
函数(没有return
语句时),等同于在Generator
函数内部,部署一个for...of
循环。
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上面代码说明,yield*
后面的Generator
函数(没有return
语句时),不过是for...of
的一种简写形式,完全可以用后者替代前者。反之,则需要用var value = yield* iterator
的形式获取return
语句的值。
实际上,任何数据结构只要有Iterator
接口,就可以被yield*
遍历。
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上面代码中,yield
命令后面如果不加星号,返回的是整个数组,加了星号就表示返回的是数组的遍历器对象。
yield*
命令可以很方便地取出嵌套数组的所有成员。
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下面是一个稍微复杂的例子,使用yield*
语句遍历完全二叉树。
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Generator函数的this
Generator
函数总是返回一个遍历器,ES6规定这个遍历器是Generator
函数的实例,也继承了Generator
函数的prototype
对象上的方法。
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上面代码表明,Generator
函数g
返回的遍历器obj
,是g
的实例,而且继承了g.prototype
。但是,如果把g当作普通的构造函数,并不会生效,因为g
返回的总是遍历器对象,而不是this
对象。
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上面代码中,Generator
函数g
在this
对象上面添加了一个属性a
,但是obj
对象拿不到这个属性。Generator
函数也不能跟new
命令一起用,会报错。
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那么,有没有办法让Generator
函数返回一个正常的对象实例,既可以用next
方法,又可以获得正常的this
?
下面是一个变通方法。首先,生成一个空对象,使用bind
方法绑定Generator
函数内部的this
。这样,构造函数调用以后,这个空对象就是Generator
函数的实例对象了。
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上面代码中,首先是F
内部的this
对象绑定obj
对象,然后调用它,返回一个Iterator
对象。这个对象执行三次next
方法(因为F内部有两个yield
语句),完成F
内部所有代码的运行。这时,所有内部属性都绑定在obj
对象上了,因此obj
对象也就成了F
的实例。
上面代码中,执行的是遍历器对象f
,但是生成的对象实例是obj
,有没有办法将这两个对象统一呢?一个办法就是将obj
换成F.prototype
。
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再将F改成构造函数,就可以对它执行new命令了。
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含义
Generator与状态机
Generator
是实现状态机的最佳结构。比如,下面的clock
函数就是一个状态机。
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上面代码的clock
函数一共有两种状态(Tick
和Tock
),每运行一次,就改变一次状态。这个函数如果用Generator
实现,就是下面这样。
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上面的Generator实现与ES5实现对比,可以看到少了用来保存状态的外部变量ticking,这样就更简洁,更安全(状态不会被非法篡改)、更符合函数式编程的思想,在写法上也更优雅。Generator之所以可以不用外部变量保存状态,是因为它本身就包含了一个状态信息,即目前是否处于暂停态。
Generator与协程
协程(coroutine
)是一种程序运行的方式,可以理解成“协作的线程”或“协作的函数”。协程既可以用单线程实现,也可以用多线程实现。前者是一种特殊的子例程,后者是一种特殊的线程。
- (1)协程与子例程的差异
传统的“子例程”(subroutine
)采用堆栈式“后进先出”的执行方式,只有当调用的子函数完全执行完毕,才会结束执行父函数。协程与其不同,多个线程(单线程情况下,即多个函数)可以并行执行,但是只有一个线程(或函数)处于正在运行的状态,其他线程(或函数)都处于暂停态(suspended
),线程(或函数)之间可以交换执行权。也就是说,一个线程(或函数)执行到一半,可以暂停执行,将执行权交给另一个线程(或函数),等到稍后收回执行权的时候,再恢复执行。这种可以并行执行、交换执行权的线程(或函数),就称为协程。
从实现上看,在内存中,子例程只使用一个栈(stack
),而协程是同时存在多个栈,但只有一个栈是在运行状态,也就是说,协程是以多占用内存为代价,实现多任务的并行。
- (2)协程与普通线程的差异
不难看出,协程适合用于多任务运行的环境。在这个意义上,它与普通的线程很相似,都有自己的执行上下文、可以分享全局变量。它们的不同之处在于,同一时间可以有多个线程处于运行状态,但是运行的协程只能有一个,其他协程都处于暂停状态。此外,普通的线程是抢先式的,到底哪个线程优先得到资源,必须由运行环境决定,但是协程是合作式的,执行权由协程自己分配。
由于ECMAScript是单线程语言,只能保持一个调用栈。引入协程以后,每个任务可以保持自己的调用栈。这样做的最大好处,就是抛出错误的时候,可以找到原始的调用栈。不至于像异步操作的回调函数那样,一旦出错,原始的调用栈早就结束。
Generator函数是ECMAScript 6对协程的实现,但属于不完全实现。Generator函数被称为“半协程”(semi-coroutine),意思是只有Generator函数的调用者,才能将程序的执行权还给Generator函数。如果是完全执行的协程,任何函数都可以让暂停的协程继续执行。
如果将Generator函数当作协程,完全可以将多个需要互相协作的任务写成Generator函数,它们之间使用yield语句交换控制权。
应用
Generator可以暂停函数执行,返回任意表达式的值。这种特点使得Generator有多种应用场景。
(1)异步操作的同步化表达
Generator
函数的暂停执行的效果,意味着可以把异步操作写在yield
语句里面,等到调用next
方法时再往后执行。这实际上等同于不需要写回调函数了,因为异步操作的后续操作可以放在yield
语句下面,反正要等到调用next
方法时再执行。所以,Generator
函数的一个重要实际意义就是用来处理异步操作,改写回调函数。
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上面代码表示,第一次调用loadUI
函数时,该函数不会执行,仅返回一个遍历器。下一次对该遍历器调用next
方法,则会显示Loading
界面,并且异步加载数据。等到数据加载完成,再一次使用next
方法,则会隐藏Loading
界面。可以看到,这种写法的好处是所有Loading
界面的逻辑,都被封装在一个函数,按部就班非常清晰。
Ajax
是典型的异步操作,通过Generator
函数部署Ajax
操作,可以用同步的方式表达。
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上面代码的main函数,就是通过Ajax操作获取数据。可以看到,除了多了一个yield,它几乎与同步操作的写法完全一样。注意,makeAjaxCall函数中的next方法,必须加上response参数,因为yield语句构成的表达式,本身是没有值的,总是等于undefined。
下面是另一个例子,通过Generator函数逐行读取文本文件。
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(2)控制流管理
如果有一个多步操作非常耗时,采用回调函数,可能会写成下面这样。
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采用Promise改写上面的代码。
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上面代码已经把回调函数,改成了直线执行的形式,但是加入了大量Promise
的语法。Generator
函数可以进一步改善代码运行流程。
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然后,使用一个函数,按次序自动执行所有步骤。
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注意,yield
语句是同步运行,不是异步运行(否则就失去了取代回调函数的设计目的了)。实际操作中,一般让yield
语句返回Promise
对象。
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上面代码使用Promise
的函数库Q
,yield
语句返回的就是一个Promise
对象。如果yield
语句后面的参数,是一个具有遍历器接口的对象,yield
会遍历这个对象,再往下执行。这意味着,多个任务按顺序一个接一个执行时,yield
语句可以按顺序排列。多个任务需要并列执行时(比如只有A任务和B任务都执行完,才能执行C任务),可以采用数组的写法。
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上面代码中,yield
语句的参数是一个数组,成员就是两个任务taskA
和taskB
,只有等这两个任务都完成了,才会接着执行下面的语句。
(3)部署iterator接口
利用Generator函数,可以在任意对象上部署iterator接口。
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上述代码中,myObj
是一个普通对象,通过iterEntries
函数,就有了iterator
接口。也就是说,可以在任意对象上部署next方法。
下面是一个对数组部署Iterator
接口的例子,尽管数组原生具有这个接口。
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(4)作为数据结构
Generator可以看作是数据结构,更确切地说,可以看作是一个数组结构,因为Generator函数可以返回一系列的值,这意味着它可以对任意表达式,提供类似数组的接口。
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上面代码就是依次返回三个函数,但是由于使用了Generator函数,导致可以像处理数组那样,处理这三个返回的函数。
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文章参考ECMAScript 6 入门