Generator函数

约 5062 字大约 17 分钟

JavaScript

2025-05-25

传统方法

方法	简介	示例	缺点
回调函数	最基础的异步方式，将函数作为参数传递，在异步完成后调用	`setTimeout(() => { console.log('Done!'); }, 1000);`	回调地狱（Callback Hell），难以维护和阅读
事件监听	通过监听事件触发异步操作，常用于 DOM 和 Node.js 事件系统	`button.addEventListener('click', () => { console.log('Clicked!'); });`	流程不直观，事件绑定过多时难以管理
发布/订阅	通过消息中心调度，订阅者监听特定主题，发布者触发事件	`PubSub.js PubSub.subscribe('event', () => { console.log('Event!'); }); PubSub.publish('event');`	需要引入第三方库，事件流难以追踪
Promise	ES6 引入前的早期实现，通过链式调用解决回调地狱	`new Promise((resolve) => { setTimeout(resolve, 1000); }).then(() => { console.log('Done!'); });`	部分浏览器需 polyfill，错误处理需 catch
Generator	ES6 新特性，通过 yield 暂停函数执行，配合执行器实现异步（如 co 库）	`function* gen() { yield asyncTask(); }`	需要额外执行器，语法较复杂

基本概念

异步

所谓"异步"，简单说就是一个任务不是连续完成的，可以理解成该任务被人为分成两段，先执行第一段，然后转而执行其他任务，等做好了准备，再回过头执行第二段。

不连续的执行，就叫做异步，相应地，连续的执行就叫做同步。

回调函数

JavaScript 语言对异步编程的实现，就是回调函数。所谓回调函数，就是把任务的第二段单独写在一个函数里面，等到重新执行这个任务的时候，就直接调用这个函数。回调函数的英语名字callback，直译过来就是"重新调用"。

fs.readFile('/etc/passwd', 'utf-8', function (err, data) {
  if (err) throw err;
  console.log(data);
});

上面代码中，readFile函数的第三个参数，就是回调函数，也就是任务的第二段。等到操作系统返回了/etc/passwd这个文件以后，回调函数才会执行。

提示

一个有趣的问题是，为什么 Node 约定，回调函数的第一个参数，必须是错误对象err（如果没有错误，该参数就是null）？

原因是执行分成两段，第一段执行完以后，任务所在的上下文环境就已经结束了。在这以后抛出的错误，原来的上下文环境已经无法捕捉，只能当作参数，传入第二段。

回调函数本身并没有问题，它的问题出现在多个回调函数嵌套。假定读取A文件之后，再读取B文件，代码如下。

fs.readFile(fileA, 'utf-8', function (err, data) {
  fs.readFile(fileB, 'utf-8', function (err, data) {
    // ...
  });
});

多个异步操作形成了强耦合，只要有一个操作需要修改，它的上层回调函数和下层回调函数，可能都要跟着修改。这种情况就称为"回调函数地狱"（callback hell）。

Promise

Promise允许将回调函数的嵌套，改成链式调用。

var readFile = require('fs-readfile-promise');

readFile(fileA)
.then(function (data) {
  console.log(data.toString());
})
.then(function () {
  return readFile(fileB);
})
.then(function (data) {
  console.log(data.toString());
})
.catch(function (err) {
  console.log(err);
});

Promise 的最大问题是代码冗余，原来的任务被 Promise 包装了一下，不管什么操作，一眼看去都是一堆then，原来的语义变得很不清楚。

Generator 函数

协程

传统的编程语言，早有异步编程的解决方案（其实是多任务的解决方案）。其中有一种叫做"协程"（coroutine），意思是多个线程互相协作，完成异步任务。

协程有点像函数，又有点像线程。它的运行流程大致如下。

第一步，协程A开始执行。
第二步，协程A执行到一半，进入暂停，执行权转移到协程B。
第三步，（一段时间后）协程B交还执行权。
第四步，协程A恢复执行。

上面流程的协程A，就是异步任务，因为它分成两段（或多段）执行。

协程的 Generator 函数实现

Generator 函数是协程在 ES6 的实现，最大特点就是可以交出函数的执行权（即暂停执行）。

整个 Generator 函数就是一个封装的异步任务，或者说是异步任务的容器。异步操作需要暂停的地方，都用yield语句注明。Generator 函数的执行方法如下。

function* gen(x) {
  var y = yield x + 2;
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next() // { value: 3, done: false }
g.next() // { value: undefined, done: true }

上面代码中，调用 Generator 函数，会返回一个内部指针（即遍历器）g。这是 Generator 函数不同于普通函数的另一个地方，即执行它不会返回结果，返回的是指针对象。调用指针g的next方法，会移动内部指针（即执行异步任务的第一段），指向第一个遇到的yield语句，上例是执行到x + 2为止。

换言之，next方法的作用是分阶段执行Generator函数。每次调用next方法，会返回一个对象，表示当前阶段的信息（value属性和done属性）。value属性是yield语句后面表达式的值，表示当前阶段的值；done属性是一个布尔值，表示 Generator 函数是否执行完毕，即是否还有下一个阶段。

Generator 函数的数据交换和错误处理

Generator 函数可以暂停执行和恢复执行，这是它能封装异步任务的根本原因。除此之外，它还有两个特性，使它可以作为异步编程的完整解决方案：函数体内外的数据交换和错误处理机制。

next返回值的 value 属性，是 Generator 函数向外输出数据；next方法还可以接受参数，向 Generator 函数体内输入数据。

function* gen(x){
  var y = yield x + 2;
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next() // { value: 3, done: false }
g.next(2) // { value: 2, done: true }

Generator 函数内部还可以部署错误处理代码，捕获函数体外抛出的错误。

function* gen(x){
  try {
    var y = yield x + 2;
  } catch (e){
    console.log(e);
  }
  return y;
}

var g = gen(1);
g.next();
g.throw('出错了');
// 出错了

上述示例，出错的代码与处理错误的代码，实现了时间和空间上的分离，这对于异步编程无疑是很重要的

异步任务的封装

使用 Generator 函数执行一个真实的异步任务：

var fetch = require('node-fetch');

function* gen(){
  var url = 'https://api.github.com/users/github';
  var result = yield fetch(url);
  console.log(result.bio);
}
// 执行
var g = gen();
var result = g.next();

result.value.then(function(data){
  return data.json();
}).then(function(data){
  g.next(data);
});

首先执行 Generator 函数，获取遍历器对象，然后使用next方法（第二行），执行异步任务的第一阶段。由于Fetch模块返回的是一个 Promise 对象，因此要用then方法调用下一个next方法。

可以看到，虽然 Generator 函数将异步操作表示得很简洁，但是流程管理却不方便（即何时执行第一阶段、何时执行第二阶段）。

Thunk 函数

Thunk 函数是自动执行 Generator 函数的一种方法。

参数的求值策略

传值调用 vs 传名调用

在编程语言的发展早期，计算机科学家们曾激烈争论一个问题：函数的参数应该在什么时候求值？这个问题被称为“求值策略”（Evaluation Strategy）。

其中最具代表性的两种方法是**“传值调用”（Call by Value）和“传名调用”（Call by Name）**。

传值调用（Call by Value）

传值调用指的是在函数执行之前，先计算参数表达式的值，再将结果传入函数。例如：

var x = 1;

function f(m) {
  return m * 2;
}

f(x + 5);  // 先计算 x + 5 = 6

// 等同于：

f(6);  // 最终计算 6 * 2 = 12

特点：

优点：逻辑清晰，易于理解和优化。
缺点：如果参数在函数内部未被使用，可能会造成不必要的计算开销。

典型语言： C、Java、JavaScript（基本类型）等。

传名调用（Call by Name）

传名调用则不同，它不会预先计算参数，而是直接把表达式传入函数，直到真正需要时才求值。例如：

f(x + 5);  

// 等同于：

return (x + 5) * 2;  // 直到使用时才计算 x + 5

特点：

优点：避免不必要的计算，提升性能（特别是当参数未被使用时）。
缺点：实现复杂，可能多次求值同一表达式，影响效率。

典型语言： Haskell、Scala（部分支持）等。

对比

两种方法各有优劣：

传值调用更直观，但可能导致冗余计算（如参数未被使用时）。
传名调用更灵活，但可能重复计算（如参数被多次引用时）。

为了兼顾性能和可预测性，现代语言引入了更优化的策略，如：

惰性求值（Lazy Evaluation）：按需计算，但缓存结果（如 Haskell）。
引用传递（Call by Reference）：直接操作变量地址（如 C++ 的 & 参数）。
JavaScript 的优化：基本类型采用传值，对象采用“共享传递”（Call by Sharing）。

策略	求值时机	优点	缺点	适用场景
传值调用	调用前求值	简单、可预测	可能冗余计算	大多数命令式语言
传名调用	使用时求值	避免不必要计算	可能重复计算	函数式语言

Thunk 函数的含义

编译器的“传名调用”实现，往往是将参数放到一个临时函数之中，再将这个临时函数传入函数体。这个临时函数就叫做 Thunk 函数。

function f(m) {
  return m * 2;
}

f(x + 5);

// 等同于

var thunk = function () {
  return x + 5;
};

function f(thunk) {
  return thunk() * 2;
}

上面代码中，函数 f 的参数x + 5被一个函数替换了。凡是用到原参数的地方，对Thunk函数求值即可。

这就是 Thunk 函数的定义，它是“传名调用”的一种实现策略，用来替换某个表达式。

JavaScript 语言的 Thunk 函数

JavaScript 语言是传值调用，它的 Thunk 函数含义有所不同。在 JavaScript 语言中，Thunk 函数替换的不是表达式，而是多参数函数，将其替换成一个只接受回调函数作为参数的单参数函数。

// 正常版本的readFile（多参数版本）
fs.readFile(fileName, callback);

// Thunk版本的readFile（单参数版本）
var Thunk = function (fileName) {
  return function (callback) {
    return fs.readFile(fileName, callback);
  };
};

var readFileThunk = Thunk(fileName);
readFileThunk(callback);

上面代码中，fs模块的readFile方法是一个多参数函数，两个参数分别为文件名和回调函数。经过转换器处理，它变成了一个单参数函数，只接受回调函数作为参数。这个单参数版本，就叫做 Thunk 函数。

**任何函数，只要参数有回调函数，就能写成 Thunk 函数的形式。**下面是一个简单的 Thunk 函数转换器。

// ES5版本
var Thunk = function(fn){
  return function (){
    var args = Array.prototype.slice.call(arguments);
    return function (callback){
      args.push(callback);
      return fn.apply(this, args);
    }
  };
};

// ES6版本
const Thunk = function(fn) {
  return function (...args) {
    return function (callback) {
      return fn.call(this, ...args, callback);
    }
  };
};

使用上面的转换器，生成fs.readFile的 Thunk 函数。

var readFileThunk = Thunk(fs.readFile);
readFileThunk(fileA)(callback);

下面是另一个完整的例子。

function f(a, cb) {
  cb(a);
}
const ft = Thunk(f);

ft(1)(console.log) // 1

Generator 函数的流程管理

Thunk 函数有什么用？回答是以前确实没什么用。

但是 ES6 有了 Generator 函数，Thunk 函数现在可以用于 Generator 函数的自动流程管理。

function* gen() {
  // ...
}

var g = gen();
var res = g.next();

while(!res.done){
  console.log(res.value);
  res = g.next();
}

上面代码中，Generator 函数gen会自动执行完所有步骤。

但是，这不适合异步操作。如果必须保证前一步执行完，才能执行后一步，上面的自动执行就不可行。

这时，Thunk 函数就能派上用处。以读取文件为例。下面的 Generator 函数封装了两个异步操作。

var fs = require('fs');
var thunkify = require('thunkify');
var readFileThunk = thunkify(fs.readFile);

var gen = function* (){
  var r1 = yield readFileThunk('/etc/fstab');
  console.log(r1.toString());
  var r2 = yield readFileThunk('/etc/shells');
  console.log(r2.toString());
};

上面代码中，yield命令用于将程序的执行权移出 Generator 函数，那么就需要一种方法，将执行权再交还给 Generator 函数。

这种方法就是 Thunk 函数，因为它可以在回调函数里，将执行权交还给 Generator 函数。为了便于理解，我们先看如何手动执行上面这个 Generator 函数。

var g = gen();

var r1 = g.next();
r1.value(function (err, data) {
  if (err) throw err;
  var r2 = g.next(data);
  r2.value(function (err, data) {
    if (err) throw err;
    g.next(data);
  });
});

上面代码中，变量g是 Generator 函数的内部指针，表示目前执行到哪一步。next方法负责将指针移动到下一步，并返回该步的信息（value属性和done属性）。

仔细查看上面的代码，可以发现 Generator 函数的执行过程，其实是将同一个回调函数，反复传入next方法的value属性。这使得我们可以用递归来自动完成这个过程。

Thunk 函数的自动流程管理

Thunk 函数真正的威力，在于可以自动执行 Generator 函数。下面就是一个基于 Thunk 函数的 Generator 执行器。

function run(fn) {
  var gen = fn();

  function next(err, data) {
    var result = gen.next(data);
    if (result.done) return;
    result.value(next);
  }

  next();
}

function* g() {
  // ...
}

run(g);

上面代码的run函数，就是一个 Generator 函数的自动执行器。内部的next函数就是 Thunk 的回调函数。next函数先将指针移到 Generator 函数的下一步（gen.next方法），然后判断 Generator 函数是否结束（result.done属性），如果没结束，就将next函数再传入 Thunk 函数（result.value属性），否则就直接退出。

有了这个执行器，执行 Generator 函数方便多了。不管内部有多少个异步操作，直接把 Generator 函数传入run函数即可。当然，前提是每一个异步操作，都要是 Thunk 函数，也就是说，跟在yield命令后面的必须是 Thunk 函数。

var g = function* (){
  var f1 = yield readFileThunk('fileA');
  var f2 = yield readFileThunk('fileB');
  // ...
  var fn = yield readFileThunk('fileN');
};

run(g);

上面代码中，函数g封装了n个异步的读取文件操作，只要执行run函数，这些操作就会自动完成。这样一来，异步操作不仅可以写得像同步操作，而且一行代码就可以执行。

Thunk 函数并不是 Generator 函数自动执行的唯一方案。因为自动执行的关键是，必须有一种机制，自动控制 Generator 函数的流程，接收和交还程序的执行权。回调函数可以做到这一点，Promise 对象也可以做到这一点。

co 模块

co 模块是著名程序员 TJ Holowaychuk 于 2013 年 6 月发布的一个小工具，用于 Generator 函数的自动执行。

下面是一个 Generator 函数，用于依次读取两个文件。

var gen = function* () {
  var f1 = yield readFile('/etc/fstab');
  var f2 = yield readFile('/etc/shells');
  console.log(f1.toString());
  console.log(f2.toString());
};

co 模块可以让你不用编写 Generator 函数的执行器。

var co = require('co');
co(gen);

上面代码中，Generator 函数只要传入co函数，就会自动执行。

co函数返回一个Promise对象，因此可以用then方法添加回调函数。

co(gen).then(function (){
  console.log('Generator 函数执行完成');
});

原理

为什么 co 可以自动执行 Generator 函数？

前面说过，Generator 就是一个异步操作的容器。它的自动执行需要一种机制，当异步操作有了结果，能够自动交回执行权。

两种方法可以做到这一点。

（1）回调函数。将异步操作包装成 Thunk 函数，在回调函数里面交回执行权。

（2）Promise 对象。将异步操作包装成 Promise 对象，用then方法交回执行权。

co 模块其实就是将两种自动执行器（Thunk 函数和 Promise 对象），包装成一个模块。使用 co 的前提条件是，Generator 函数的yield命令后面，只能是 Thunk 函数或 Promise 对象。如果数组或对象的成员，全部都是 Promise 对象，也可以使用 co，

基于 Promise 对象的自动执行

基于 Promise 对象的自动执行器。这是理解 co 模块必须的。

首先，把fs模块的readFile方法包装成一个 Promise 对象。

var fs = require('fs');

var readFile = function (fileName){
  return new Promise(function (resolve, reject){
    fs.readFile(fileName, function(error, data){
      if (error) return reject(error);
      resolve(data);
    });
  });
};

var gen = function* (){
  var f1 = yield readFile('/etc/fstab');
  var f2 = yield readFile('/etc/shells');
  console.log(f1.toString());
  console.log(f2.toString());
};

var g = gen();

g.next().value.then(function(data){
  g.next(data).value.then(function(data){
    g.next(data);
  });
});

手动执行其实就是用then方法，层层添加回调函数。理解了这一点，就可以写出一个自动执行器。

function run(gen){
  var g = gen();

  function next(data){
    var result = g.next(data);
    if (result.done) return result.value;
    result.value.then(function(data){
      next(data);
    });
  }

  next();
}

run(gen);

上面代码中，只要 Generator 函数还没执行到最后一步，next函数就调用自身，以此实现自动执行。

co 模块的源码

co 就是上面那个自动执行器的扩展，它的源码只有几十行，非常简单。

首先，co 函数接受 Generator 函数作为参数，返回一个 Promise 对象。

function co(gen) {
  var ctx = this;
  return new Promise(function(resolve, reject) { });
}

在返回的 Promise 对象里面，co 先检查参数gen是否为 Generator 函数。如果是，就执行该函数，得到一个内部指针对象；如果不是就返回，并将 Promise 对象的状态改为resolved。

function co(gen) {
  var ctx = this;

  return new Promise(function(resolve, reject) {
    if (typeof gen === 'function') gen = gen.call(ctx);
    if (!gen || typeof gen.next !== 'function') return resolve(gen);
  });
}

接着，co 将 Generator 函数的内部指针对象的next方法，包装成onFulfilled函数。这主要是为了能够捕捉抛出的错误。

function co(gen) {
  var ctx = this;

  return new Promise(function(resolve, reject) {
    if (typeof gen === 'function') gen = gen.call(ctx);
    if (!gen || typeof gen.next !== 'function') return resolve(gen);

    onFulfilled();
    function onFulfilled(res) {
      var ret;
      try {
        ret = gen.next(res);
      } catch (e) {
        return reject(e);
      }
      next(ret);
    }
  });
}

最后，就是关键的next函数，它会反复调用自身。

function next(ret) {
  if (ret.done) return resolve(ret.value);
  var value = toPromise.call(ctx, ret.value);
  if (value && isPromise(value)) return value.then(onFulfilled, onRejected);
  return onRejected(
    new TypeError(
      'You may only yield a function, promise, generator, array, or object, '
      + 'but the following object was passed: "'
      + String(ret.value)
      + '"'
    )
  );
}

上面代码中，next函数的内部代码，一共只有四行命令。

第一行，检查当前是否为 Generator 函数的最后一步，如果是就返回。

第二行，确保每一步的返回值，是 Promise 对象。

第三行，使用then方法，为返回值加上回调函数，然后通过onFulfilled函数再次调用next函数。

第四行，在参数不符合要求的情况下（参数非 Thunk 函数和 Promise 对象），将 Promise 对象的状态改为rejected，从而终止执行。

处理并发的异步操作

co 支持并发的异步操作，即允许某些操作同时进行，等到它们全部完成，才进行下一步。

这时，要把并发的操作都放在数组或对象里面，跟在yield语句后面。

// 数组的写法
co(function* () {
  var res = yield [
    Promise.resolve(1),
    Promise.resolve(2)
  ];
  console.log(res);
}).catch(onerror);

// 对象的写法
co(function* () {
  var res = yield {
    1: Promise.resolve(1),
    2: Promise.resolve(2),
  };
  console.log(res);
}).catch(onerror);

co(function* () {
  var values = [n1, n2, n3];
  yield values.map(somethingAsync);
});

function* somethingAsync(x) {
  // do something async
  return y
}