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  • ES6 Generators并发

　ES6 Generators系列：

  1. ES6 Generators基本概念
  2. 深入研究ES6 Generators
  3. ES6 Generators的异步应用
  4. ES6 Generators并发

　　如果你已经读过这个系列的前三篇文章，那么你肯定对ES6 generators非常了解了。希望你能从中有所收获并让generator发挥它真正的作用。最后我们要探讨的这个主题可能会让你血脉喷张，让你绞尽脑汁（说实话，写这篇文章让我很费脑子）。花点时间看下文章中的这些例子，相信对你还是很有帮助的。在学习上的投资会让你将来受益无穷。我完全相信，在未来，JS中那些复杂的异步能力将起源于我这里的一些想法。

 

CSP（Communicating Sequential Processes）

　　首先，我写这一系列文章完全是受Nolen @swannodette出色工作的启发。说真的，他写的所有文章都值得去读一读。我这里有一些链接可以分享给你：

  • Communicating Sequential Processes
  • ES6 Generators Deliver Go Style Concurrency
  • Extracting Processes

　　好了，让我们正式开始对这个主题的探讨。我不是一个从具有Clojure（Clojure是一种运行在Java平台上的 Lisp 方言）背景转投到JS阵营的程序员，而且我也没有任何Go或者ClojureScript的经验。我发现自己在读这些文章的时候很快就会失去兴趣，因此我不得不做很多的实验并从中了解到一些有用的东西。

　　在这个过程中，我觉得我已经有了一些相同的思想，并追求同样的目标，而这些都源自于一个不那么古板的思维方式。

　　我尝试创建了一个更简单的Go风格的CSP（以及ClojureScript core.async）APIs，同时我希望能保留大部分的底层功能。也许有大神会看到我文章中遗漏的地方，这完全有可能。如果真是这样的话，我希望我的探索能够得到进一步的发展和演变，而我也将和大家一起来分享这个过程！

 

详解CSP原理（一点点）

　　到底什么是CSP？说它是"communicating"，"Sequential"，"processes"到底是什么意思呢？

　　首先，CSP一词源自于Tony Hoare所著的“Communicating Sequential Processes”一书。里面全是有关CS的理论，如果你对学术方面的东西感兴趣的话，这本书绝对值得一读。我决不打算以一种让人难以理解的，深奥的，计算机科学的方式来阐述这个主题，而是会以一种轻松的非正式的方式来进行。

　　那我们就从"Sequential"开始吧！这部分你应该已经很熟悉了。这是另外一种谈论有关单线程和ES6 generators异步风格代码的方式。我们来回忆一下generators的语法：

function *main() {
    var x = yield 1;
    var y = yield x;
    var z = yield (y * 2);
}

　　上面代码中的每一条语句都会按顺序一个一个地执行。Yield关键字标明了代码中被阻塞的点（只能被generator函数自己阻塞，外部代码不能阻塞generator函数的执行），但是不会改变*main()函数中代码的执行顺序。这段代码很简单！

　　接下来我们来讨论一下"processes"。这个是什么呢？

　　基本上，generator函数有点像一个虚拟的"process"，它是我们程序的一个独立的部分，如果JavaScript允许，它完全可以与程序的其它部分并行执行。这听起来似乎有点儿荒唐！如果generator函数访问共享内存（即，如果它访问除了自己内部定义的局部变量之外的“自由变量”），那么它就不是一个独立的部分。现在我们假设有一个不访问外部变量的generator函数（在FP（Functional Programming函数式编程）的理论中我们将它称之为一个"combinator"），因此从理论上来说它可以在自己的process中运行，或者说作为自己的process来运行。

　　但是我们说的是"processes"，注意这个单词用的是复数，这是因为会存在两个或多个process在同一时间运行。换句话说，两个或多个generators函数会被放到一起来协同工作，通常是为了完成一项较大的任务。

　　为什么要用多个单独的generator函数，而不是把它们都放到一个generator函数里呢？一个最重要的原因就是：功能和关注点的分离。对于一个任务XYZ来说，如果你将它分解成子任务X，Y和Z，那么在每个子任务自己的generator函数中来实现功能将会使代码更容易理解和维护。这和将函数XYZ()拆分成X()，Y()，和Z()，然后在X()中调用Y()，在Y()中调用Z()是一样的道理。我们将函数分解成一个个独立的子函数，降低代码的耦合度，从而使程序更加容易维护。

对于多个generators函数来说我们也可以做到这一点

　　这就要说到"communicating"了。这个又是什么呢？就是合作。如果我们将多个generators函数放在一些协同工作，它们彼此之间需要一个通信信道（不仅仅是访问共享的作用域，而是一个真正的可以被它们访问的独占式共享通信信道）。这个通信信道是什么呢？不管你发送什么内容（数字，字符串等），事实上你都不需要通过信道发送消息来进行通信。通信会像合作那样简单，就像将程序的控制权从一个地方转移到另外一个地方。

　　为什么需要转移控制？这主要是因为JS是单线程的，意思是说在任意给定的一个时间片段内只会有一个程序在运行，而其它程序都处在暂停状态。也就是说其它程序都处在它们各自任务的中间状态，不过只是被暂停执行，必要时会恢复并继续运行。

　　任意独立的"processes"之间可以神奇地进行通信和合作，这听起来有点不靠谱。这种解耦的想法是好的，但是有点不切实际。相反，似乎任何一个成功的CSP的实现都是对那些问题领域中已存在的、众所周知的逻辑集的有意分解，其中每个部分都被特殊设计过从而使得各部分之间都能良好工作。

　　或许我的理解完全是错的，但是我还没有看到任何一个切实可行的方法，能够让两个随机给定的generator函数可以以某种方式轻易地聚合在一起形成CSP对。它们都需要被设计成能够与其它部分一起工作，需要遵照彼此间的通信协议等等。

 

JS中的CSP

　　在将CSP的理论应用到JS中，有一些非常有趣的探索。前面提到的David Nolen，他有几个很有趣的项目，包括Om，以及core.async。Koa库（node.js）主要通过它的use(..)方法体现了这一点。而另外一个对core.async/Go CSP API十分忠实的库是js-csp。

　　你确实应该去看看这些伟大的项目，看看其中的各种方法和例子，了解它们是如何在JS中实现CSP的。

 

异步的runner(..)：设计CSP

　　因为我一直在努力探索将并行的CSP模式应用到我自己的JS代码中，所以对于使用CSP来扩展我自己的异步流程控制库asynquence来说就是一件顺理成章的事。我写过的runner(..)插件（看上一篇文章：ES6 Generators的异步应用）就是用来处理generators函数的异步运行的，我发现它可以很容易被扩展用来处理多generators函数在同一时间运行，就像CSP的方式那样。

　　我要解决的第一个设计问题是：如何才能知道哪个generator函数将获得下一个控制权？

　　要解决各个generators函数之间的消息或控制权的传递，每个generator函数都必须拥有一个能让其它generators函数知道的ID，这看起来似乎过于笨拙。经过各种尝试，我设定了一个简单的循环调度方法。如果你匹配了三个generators函数A，B和C，那么A将先获得控制权，当A yield时B将接管A的控制权，然后当B yield时C将接管B，然后又是A，以此类推。

　　但是如何才能实际转移generator函数的控制权呢？应该有一个显式的API吗？我再次进行了各种尝试，然后设定了一个更加隐式的方法，看起来和Koa有点类似（完全是以外）：每个generator函数都获得一个共享"token"的引用，当yield时就表示要将控制权进行转移。

　　另一个问题是消息通道应该长什么样。一种是非常正式的通信API如core.async和js-csp（put(..)和take(..)）。但是在我经过各种尝试之后，我比较倾向于另一种不太正式的方法（甚至都谈不上API，而只是一个共享的数据结构，例如数组），它看起来似乎是比较靠谱的。

　　我决定使用数组（称之为消息），你可以根据需要决定如何填充和清空数组的内容。你可以push()消息到数组中，从数组中pop()消息，按照约定将不同的消息存放到数组中特定的位置，并在这些位置存放更复杂的数据结构等。

　　我的疑惑是有些任务需要传递简单的消息，而有些则需要传递复杂的消息，因此不要在一些简单的情况下强制这种复杂度，我选择不拘泥于消息通道的形式而使用数组（除数组本身外这里没有任何API）。在某些情况下它很容易在额外的形式上对消息传递机制进行分层，这对我们来说很有用（参见下面的状态机示例）。

　　最终，我发现这些generator "processes"仍然得益于那些独立的generators可以使用的异步功能。也就是说，如果不yield控制token，而yield一个Promise（或者一个异步队列），则runner(..)的确会暂停以等待返回值，但不会转移控制权，它会将结果返回给当前的process（generator）而保留控制权。

　　最后一点也许是最有争议或与本文中其它库差别最大的（如果我解释正确的话）。也许真正的CSP对这些方法不屑一顾，但是我发现我的选择还是很有用的。

 

一个愚蠢的FooBar示例

　　好了，理论的东西讲得差不多了。我们来看看具体的代码：

复制代码
// 注意：为了简洁，省略了虚构的`multBy20(..)`和`addTo2(..)`异步数学函数

function *foo(token) {
    // 从通道的顶部获取消息
    var value = token.messages.pop(); // 2

    // 将另一个消息存入通道
    // `multBy20(..)`是一个promise-generating函数，它会延迟返回给定值乘以`20`的计算结果
    token.messages.push( yield multBy20( value ) );

    // 转移控制权
    yield token;

    // 从CSP运行中的最后的消息
    yield "meaning of life: " + token.messages[0];
}

function *bar(token) {
    // 从通道的顶部获取消息
    var value = token.messages.pop(); // 40

    // 将另一个消息存入通道
    // `addTo2(..)` 是一个promise-generating函数，它会延迟返回给定值加上`2`的计算结果
    token.messages.push( yield addTo2( value ) );

    // 转移控制权
    yield token;
}
复制代码

　　上面的代码中有两个generator "processes"，*foo()和*bar()。它们都接收并处理一个令牌（当然，如果你愿意你可以随意叫什么都行）。令牌上的属性messages就是我们的共享消息通道，当CSP运行时它会获取初始化传入的消息值进行填充（后面会讲到）。

　　yield token显式地将控制权转移到“下一个”generator函数（循环顺序）。但是，yield multBy20(value)和yield addTo2(value)都是yield一个promises（从这两个虚构的延迟计算函数中返回的），这表示generator函数此时是处于暂停状态直到promise完成。一旦promise完成，当前处于控制中的generator函数会恢复并继续运行。

　　无论最终yield会返回什么，上面的例子中yield返回的是一个表达式，都表示我们的CSP运行完成的消息（见下文）。

　　现在我们有两个CSP process generators，我们来看看如何运行它们？使用asynquence：

复制代码
// 开始一个sequence，初始message的值是2
ASQ( 2 )

// 将两个CSP processes进行配对一起运行
.runner(
    foo,
    bar
)

// 无论接收到的message是什么，都将它传入sequence中的下一步
.val( function(msg){
    console.log( msg ); // 最终返回42
} );
复制代码

　　这只是一个很简单的例子，但我觉得它能很好地用来解释上面的这些概念。你可以尝试一下（试着改变一些值），这有助于你理解这些概念并自己动手编写代码！

 

另一个例子Toy Demo

　　让我们来看一个经典的CSP例子，但只是从我们目前已有的一些简单的发现开始，而不是从我们通常所说的纯粹学术的角度来展开讨论。

　　Ping-pong。一个很有趣的游戏，对吗？也是我最喜欢的运动。

　　让我们来想象一下你已经完成了这个乒乓球游戏的代码，你通过一个循环来运行游戏，然后有两部分代码（例如在if或switch语句中的分支），每一部分代表一个对应的玩家。代码运行正常，你的游戏运行起来就像是一个乒乓球冠军！

　　但是按照我们上面讨论过的，CSP在这里起到了什么样的作用呢？就是功能和关注点的分离。那么具体到我们的乒乓球游戏中，这个分离指的就是两个不同的玩家！

　　那么，我们可以在一个非常高的层面上用两个"processes"（generators）来模拟我们的游戏，每个玩家一个"process"。当我们实现代码细节的时候，我们会发现在两个玩家之家存在控制的切换，我们称之为"glue code"（胶水代码（译：在计算机编程领域，胶水代码也叫粘合代码，用途是粘合那些可能不兼容的代码。可以使用与胶合在一起的代码相同的语言编写，也可以用单独的胶水语言编写。胶水代码不实现程序要求的任何功能，它通常出现在代码中，使现有的库或者程序在外部函数接口（如Java本地接口）中进行互操作。胶水代码在快速原型开发环境中非常高效，可以让几个组件被快速集成到单个语言或者框架中。）），这个任务本身可能需要第三个generator的代码，我们可以将它模拟成游戏的裁判。

　　我们打算跳过各种特定领域的问题，如计分、游戏机制、物理原理、游戏策略、人工智能、操作控制等。这里我们唯一需要关心的部分就是模拟打乒乓球的往复过程（这实际上也代表了我们CSP的控制转移）。

　　想看demo的话可以在这里运行（注意：在支持ES6 JavaScript的最新版的FireFox nightly或Chrome中查看generators是如何工作的）。现在，让我们一起来看看代码。首先，来看看asynquence sequence长什么样？

复制代码
ASQ(
    ["ping","pong"], // 玩家姓名
    { hits: 0 } // 球
)
.runner(
    referee,
    player,
    player
)
.val( function(msg){
    message( "referee", msg );
复制代码

　　我们初始化了一个messages sequence：["ping", "pong"]和{hits: 0}。一会儿会用到。然后，我们设置了一个包含3个processes运行的CSP（相互协同工作）：一个*referee()和两个*player()实例。在游戏结束时最终的message会被传递给sequence中的下一步，作为referee的输出message。下面是referee的实现代码：

复制代码
function *referee(table){
    var alarm = false;

    // referee通过秒表（10秒）为游戏设置了一个计时器
    setTimeout( function(){ alarm = true; }, 10000 );

    // 当计时器警报响起时游戏停止
    while (!alarm) {
        // 玩家继续游戏
        yield table;
    }

    // 通知玩家游戏已结束
    table.messages[2] = "CLOSED";

    // 裁判宣布时间到了
    yield "Time's up!";
}
} );
复制代码

　　这里我们用table来模拟控制令牌以解决我们上面说的那些特定领域的问题，这样就能很好地来描述当一个玩家将球打回去的时候控制权被yield给另一个玩家。*referee()中的while循环表示只要秒表没有停，程序就会一直yield table（将控制权转移给另一个玩家）。当计时器结束时退出while循环，referee将会接管控制权并宣布"Time's up!"游戏结束了。

　　再来看看*player() generator的实现代码（我们使用两个实例）：

复制代码
function *player(table) {
    var name = table.messages[0].shift();
    var ball = table.messages[1];

    while (table.messages[2] !== "CLOSED") {
        // 击球
        ball.hits++;
        message( name, ball.hits );

        // 模拟将球打回给另一个玩家中间的延迟
        yield ASQ.after( 500 );

        // 游戏继续？
        if (table.messages[2] !== "CLOSED") {
            // 球现在回到另一个玩家那里
            yield table;
        }
    }

    message( name, "Game over!" );
}
复制代码

　　第一个玩家将他的名字从message数组的第一个元素中移除（"ping"），然后第二个玩家取他的名字（"pong"），以便他们都能正确地识别自己（译：注意这里是两个*player()的实例，在两个不同的实例中，通过table.messages[0].shift()可以获取各自不同的玩家名字）。同时两个玩家都保持对共享球的引用（使用hits计数器）。

　　当玩家还没有听到裁判说结束，就“击球”并累加计数器（并输出一个message来通知它），然后等待500毫秒（假设球以光速运行不占用任何时间）。如果游戏还在继续，他们就yield table到另一个玩家那里。就是这样。

　　在这里可以查看完整代码，从而了解代码的各部分是如何工作的。

 

状态机：Generator协同程序

　　最后一个例子：将一个状态机定义为由一个简单的helper驱动的一组generator协同程序。Demo（注意：在支持ES6 JavaScript的最新版的FireFox nightly或Chrome中查看generators是如何工作的）。

　　首先，我们定义一个helper来控制有限的状态处理程序。

复制代码
function state(val,handler) {
    // 管理状态的协同处理程序（包装器）
    return function*(token) {
        // 状态转换处理程序
        function transition(to) {
            token.messages[0] = to;
        }

        // 默认初始状态（如果还没有设置）
        if (token.messages.length < 1) {
            token.messages[0] = val;
        }

        // 继续运行直到最终的状态为true
        while (token.messages[0] !== false) {
            // 判断当前状态是否和处理程序匹配
            if (token.messages[0] === val) {
                // 委托给状态处理程序
                yield *handler( transition );
            }

            // 将控制权转移给另一个状态处理程序
            if (token.messages[0] !== false) {
                yield token;
            }
        }
    };
}
复制代码

　　state(..) helper为特定的状态值创建了一个delegating-generator包装器，这个包装器会自动运行状态机，并在每个状态切换时转移控制权。

　　依照惯例，我决定使用共享token.messages[0]的位置来保存我们状态机的当前状态。这意味着你可以通过从序列中前一步传入的message来设定初始状态。但是如果没有传入初始值的话，我们会简单地将第一个状态作为默认的初始值。同样，依照惯例，最终的状态会被假设为false。这很容易修改以适合你自己的需要。

　　状态值可以是任何你想要的值：numbers，strings等。只要该值可以被===运算符严格测试通过，你就可以使用它作为你的状态。

　　在下面的示例中，我展示了一个状态机，它可以按照特定的顺序在四个数值状态间进行转换：1->4->3->2。为了演示，这里使用了一个计数器，因此可以实现多次循环转换。当我们的generator状态机到达最终状态时（false），asynquence序列就会像你所期望的那样移动到下一步。

复制代码
// 计数器（仅用作演示）
var counter = 0;

ASQ( /* 可选：初始状态值 */ )

// 运行状态机，转换顺序：1 -> 4 -> 3 -> 2
.runner(

    // 状态`1`处理程序
    state( 1, function*(transition){
        console.log( "in state 1" );
        yield ASQ.after( 1000 ); // 暂停1s
        yield transition( 4 ); // 跳到状态`4`
    } ),

    // 状态`2`处理程序
    state( 2, function*(transition){
        console.log( "in state 2" );
        yield ASQ.after( 1000 ); // 暂停1s

        // 仅用作演示，在状态循环中保持运行
        if (++counter < 2) {
            yield transition( 1 ); // 跳转到状态`1`
        }
        // 全部完成！
        else {
            yield "That's all folks!";
            yield transition( false ); // 跳转到最终状态
        }
    } ),

    // 状态`3`处理程序
    state( 3, function*(transition){
        console.log( "in state 3" );
        yield ASQ.after( 1000 ); // 暂停1s
        yield transition( 2 ); // 跳转到状态`2`
    } ),

    // 状态`4`处理程序
    state( 4, function*(transition){
        console.log( "in state 4" );
        yield ASQ.after( 1000 ); // 暂停1s
        yield transition( 3 ); // 跳转到状态`3`
    } )

)

// 状态机完成，移动到下一步
.val(function(msg){
    console.log( msg );
});
复制代码

　　应该很容易地跟踪上面的代码来查看到底发生了什么。yield ASQ.after(1000)显示了这些generators可以根据需要做任何类型的基于promise/sequence的异步工作，就像我们在前面所看到的一样。yield transition(...)表示如何转换到一个新的状态。上面代码中的state(..) helper完成了处理yield* delegation和状态转换的主要工作，然后整个程序的主要流程看起来十分简单，表述也很清晰流畅。

 

总结

　　CSP的关键是将两个或更多的generator "processes"连接在一起，给它们一个共享的通信信道，以及一种可以在彼此间传输控制的方法。

　　JS中有很多的库都或多或少地采用了相当正式的方法来与Go和Clojure/ClojureScript APIs或语义相匹配。这些库的背后都有着非常棒的开发者，对于进一步探索CSP来说他们都是非常好的资源。

　　asynquence试图采用一种不太正式而又希望仍然能够保留主要结构的方法。如果没有别的 ，asynquence的runner(..) 可以作为你实验和学习CSP-like generators的入门。

　　最好的部分是asynquence CSP与其它异步功能（promises，generators，流程控制等）在一起工作。如此一来，你便可以掌控一切，使用任何你手头上合适的工具来完成任务，而所有的这一切都只在一个小小的lib中。

　　现在我们已经在这四篇文章中详细探讨了generators，我希望你能够从中受益并获得灵感以探索如何革新自己的异步JS代码！你将用generators来创造什么呢？

 

原文地址：https://davidwalsh.name/es6-generators


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