Асинхронность в JavaScript: Пособие для тех, кто хочет разобраться
На JavaScript легко писать. Достаточно взять пару библиотек или модный фреймворк, прочитать несложный туториал и все — через пару часов у вас простой работающий интерфейс.
Проблемы начинаются, когда интерфейс становится сложнее. Вот тут без глубокого понимания JavaScript не обойтись. Важно, чтобы даже большой и сложный интерфейс оставался быстрым и отзывчивым. Отзывчивость, как правило, достигается за счет использования асинхронных функций. Попробуем разобраться, как устроена асинхронность в JavaScript.
В JavaScript нет многопоточности. Несмотря на то, что мы уже можем полноценно использовать вебворкеры, из них нельзя менять DOM или вызывать методы объекта window. Одним словом, не многопоточность, а сплошное разочарование.
Причины таких ограничений понятны. Представьте себе, что два параллельных потока пытаются наперегонки поменять один и тот же узел в DOM с непредсказуемым результатом. Представили? Мне тоже стало не по себе.
С DOM-деревом работают в одном потоке, чтобы гарантировать целостность и непротиворечивость данных, но как программировать интерфейс с одним потоком? Ведь сама суть интерфейса — в асинхронности. Именно для этого придуманы асинхронные функции. Они выполняются не сразу, а после наступления события. Интересно, что эти функции — не часть JavaScript-движков. Вызов setTimeout на чистом V8 приводит к ошибке, так как в V8 нет такой функции. Тогда откуда же появляется setTimeout или requestAnimationFrame или addEventListener?
Движок JavaScript похож на мясорубку, бесконечно перемалывающую операции, которые последовательно берутся из стека вызовов (1). Код выполняется линейно и последовательно. Удалить операцию из стека нельзя, можно только прервать поток выполнения. Поток выполнения прерывается, если вызвать что-то типа alert или «исключение».
Каждая операция содержит контекст — некую область памяти, из которой доступны данные. Контексты расположены в памяти в виде дерева. Каждому листу в дереве доступны области видимости, которые определены в родительских ветках и в корне (глобальной области видимости). Функции в JavaScript — это данные, они хранятся в памяти именно как данные и поэтому передаются как переменные или возвращаются из других функций.
Асинхронные операции выполняются не в движке, а в окружении (5,6). Окружение — надстройка на движком. NodeJS и Chrome для движка V8 и Firefox для Gecko. Иногда окружение еще называют web API.
Чтобы создать асинхронный вызов, в web API передается ссылка на функцию, которая выполнится позже или не выполнится вовсе.
У функции есть свой контекст или своя область памяти (3), в которой она определена. Функция имеет доступ к этой области памяти и ко всем родителям этой области памяти. Такие функции называются замыканиями. С этой точки зрения, все функции в JavaScript — замыкания, так как все они имеют контекст.
Web API и JavaScrtipt движок работают независимо. Web API решает, в какой момент функция двигается дальше, в очередь вызовов (2).
Функции в очереди вызовов попадают в JavaScript-движок, где выполняются по одной. Выполнение происходит в том же порядке, в котором функции попадают в очередь.
Окружение самостоятельно решает, когда добавить переданный ей код в очередь вызовов. Функции из очереди добавляются в стек выполнения (выполняются) не раньше, чем стек вызовов закончит работу над текущей функцией.
Таким образом, стек вызовов работает синхронно, а web API асинхронно.
Это очень важно! Разработчику не нужно самому контролировать параллельный доступ к ресурсам, асинхронную работу за него выполняет окружение. Окружения определяют различия между браузером и node.js, ведь на node.js мы пишем сетевые приложения или обращаемся напрямую к жесткому диску, а из Chrome перехватываем клики по кнопкам, используя один и тот же движок.
В очереди вызовов нельзя отменять отдельные операции. Это делается в окружении (removeEventListener — в качестве примера).
Можно загрузить стек вызовов так, чтобы он работал бесконечно и следующая функция из очереди вызовов не вызвалась. Попробуйте, например, запустить вот такой код.
document.addEventListener(‘click’, function(){
console.log(‘clicked’)
});
while(true){
console.log(‘wait’);
}
Обработчик клика не сработает, а бесконечный цикл загрузит процессор компьютера. Вкладка зависнет ;)
А вот другой пример.
Клик вызовет «тяжелую» для расчета функцию. После клика в консоль пишется start, в конце выполнения функции — end. Выполнение функции на моем ноутбуке занимает несколько секунд. Все время, пока выполняется функция, квадратик мигает. Это значит, что анимации в CSS выполняются асинхронно JavaScript-коду.
Но что будет, если вместо opacity менять размер?
Квадратик зависнет на время выполнения функции. Дело в том, что CSS-свойство height обращается к DOM. Как мы помним, к DOM можно обращаться только из одного потока, чтобы не было проблем с параллельным доступом.
Делаем вывод, что для анимации лучше пользоваться свойствами, которые не меняют DOM (transform, opacity и т.д.). А всю тяжелую работу в JavaScript лучше делать асинхронно. Например вот так.
Код написан для наглядности и на коленке, в бою применять не рекомендуется. Мы делим большой кусок работы на маленькие и выполняем асинхронно. При этом интерфейс не блокируется. Для таких расчетов можно пользоваться веб-воркерами.
Благодаря JavaScript мы пишем асинхронные приложения, не задумываясь о многопоточности: о целостности и непротиворечивости данных. За эти преимущества мы платим огромным числом обратных вызовов, блокированием основного потока и постоянными потерями контекста.
О том, как бороться с последней проблемой, я расскажу в следующий раз.
