JavaScript异步编程异常处理与解决方案详解

JavaScript异步编程的两个核心难点

一、JavaScript异步编程的两个核心难点

异步I/O和事件驱动机制让单线程的JavaScript能够在不阻塞用户界面的前提下，执行网络请求和文件访问等操作，从而在后端实现高性能。然而，这种异步风格也带来了一些挑战，其中两个核心问题尤为突出：

1、函数嵌套过深

JavaScript的异步调用依赖于回调函数。当多个异步任务存在多级依赖关系时，回调函数会形成多层嵌套，导致代码呈现“金字塔”结构。这不仅让代码难以阅读和理解，还增加了调试和重构的风险。

2、异常处理

回调嵌套不仅让代码变得杂乱，还使得错误处理变得更加复杂。本文将重点讨论异常处理方面的问题。

异常处理

二、异常处理

与其他现代编程语言一样，JavaScript支持抛出异常，并通过try/catch语句块进行捕获。如果异常未被捕获，大多数JavaScript环境会提供有用的堆栈轨迹信息。例如，以下代码由于传入的JSON字符串包含无效的'{'字符而抛出异常：

function JSONToObject(jsonStr) {
 return JSON.parse(jsonStr);
}
var obj = JSONToObject('{');
//SyntaxError: Unexpected end of input
//at Object.parse (native)
//at JSONToObject (/AsyncJS/stackTrace.js:2:15)
//at Object.<anonymous> (/AsyncJS/stackTrace.js:4:11)

堆栈轨迹不仅指出了错误发生的位置，还揭示了错误的根源：第4行代码。遗憾的是，在异步编程中，自顶向下地追踪异步错误的起源往往并不像同步代码那样直观。

在异步编程中，可能抛出错误的情况主要有两种：回调函数错误和异步函数错误。

1、回调函数错误

如果从异步回调中抛出错误，会发生什么？让我们通过一个测试来观察。

setTimeout(function A() {
 setTimeout(function B() {
 setTimeout(function C() {
  throw new Error('Something terrible has happened!');
 }, 0);
 }, 0);
}, 0);

上述应用的结果显示了一条极其简短的堆栈轨迹。

Error: Something terrible has happened!
at Timer.C (/AsyncJS/nestedErrors.js:4:13)

那么，A和B发生了什么？为什么它们没有出现在堆栈轨迹中？这是因为当运行C时，异步函数的上下文已经不再存在，A和B也不在内存堆栈中。这三个函数都是从事件队列直接执行的。基于同样的原因，利用try/catch语句块无法捕获从异步回调中抛出的错误。此外，回调函数中的return语句也失去了意义。

try {
 setTimeout(function() {
 throw new Error('Catch me if you can!');
 }, 0);
} catch (e) {
console.error(e);
}

看到这里的问题了吗？这里的try/catch语句块只捕获setTimeout函数自身内部发生的错误。因为setTimeout异步地执行其回调，所以即使延时设置为0，回调抛出的错误也会直接流向应用程序。

总的来说，即使异步回调函数被包装在try/catch语句块中，这种做法也是无效的。（特例是，该异步函数确实是在同步地做某些事且容易出错。例如，Node.js中的fs.watch(file,callback)就是一个这样的函数，它在目标文件不存在时会抛出一个错误。）正因为如此，Node.js中的回调几乎总是接受一个错误作为其首个参数，这样允许回调自己决定如何处理这个错误。

2、异步函数错误

由于异步函数是立即返回的，异步事务中发生的错误无法通过try-catch来捕捉，只能采用由调用方提供错误处理回调的方案来解决。

例如，Node.js中常见的function (err, ...) {...}回调函数，就是Node.js中处理错误的约定：将错误作为回调函数的第一个实参返回。再比如，HTML5中FileReader对象的onerror函数，会被用于处理异步读取文件过程中的错误。

举个例子，下面这个Node.js应用尝试异步地读取一个文件，并负责记录任何错误（如“文件不存在”）。

var fs = require('fs');
 fs.readFile('fhgwgdz.txt', function(err, data) {
 if (err) {
 return console.error(err);
 };
 console.log(data.toString('utf8'));
});

客户端JavaScript库的一致性要稍微差些，不过最常见的模式是，针对成功和失败这两种情形各规定一个单独的回调。jQuery的Ajax方法就遵循了这个模式。

$.get('/data', {
 success: successHandler,
 failure: failureHandler
});

不管API形态如何，始终要记住的是，只能在回调内部处理源于回调的异步错误。

未捕获异常的处理

三、未捕获异常的处理

如果是从回调中抛出异常的，则由那个调用了回调的人负责捕获该异常。但如果异常从未被捕获，又会怎么样？这时，不同的JavaScript环境有着不同的处理规则……

1. 在浏览器环境中

现代浏览器会在开发人员控制台显示那些未捕获的异常，接着返回事件队列。要想修改这种行为，可以给window.onerror附加一个处理器。如果window.onerror处理器返回true，则能阻止浏览器的默认错误处理行为。

window.onerror = function(err) {
 return true; //彻底忽略所有错误
};

在成品应用中，会考虑某种JavaScript错误处理服务，譬如Errorception。Errorception提供了一个现成的window.onerror处理器，它向应用服务器报告所有未捕获的异常，接着应用服务器发送消息通知我们。

2. 在Node.js环境中

在Node.js环境中，window.onerror的类似物就是process对象的uncaughtException事件。正常情况下，Node.js应用会因未捕获的异常而立即退出。但只要至少还有一个uncaughtException事件处理器，Node.js应用就会直接返回事件队列。

process.on('uncaughtException', function(err) {
 console.error(err); //避免了关停的命运！
});

但是，自Node.js 0.8.4起，uncaughtException事件就被废弃了。据其文档所言，对异常处理而言，uncaughtException是一种非常粗暴的机制，请勿使用uncaughtException，而应使用Domain对象。

Domain对象又是什么？你可能会这样问。Domain对象是事件化对象，它将throw转化为'error'事件。下面是一个例子。

var myDomain = require('domain').create();
myDomain.run(function() {
 setTimeout(function() {
 throw new Error('Listen to me!')
 }, 50);
});
myDomain.on('error', function(err) {
 console.log('Error ignored!');
});

源于延时事件的throw只是简单地触发了Domain对象的错误处理器。

Error ignored!

很奇妙，是不是？Domain对象让throw语句生动了很多。不管在浏览器端还是服务器端，全局的异常处理器都应被视作最后一根救命稻草。请仅在调试时才使用它。

几种解决方案

四、几种解决方案

下面对几种解决方案的讨论主要集中于上面提到的两个核心问题上，当然也会考虑其他方面的因素来评判其优缺点。

1、Async.js

首先是Node.js中非常著名的Async.js，这个库能够在Node.js中展露头角，恐怕也得归功于Node.js统一的错误处理约定。而在前端，一开始并没有形成这么统一的约定，因此使用Async.js的话可能需要对现有的库进行封装。

Async.js其实就是给回调函数的几种常见使用模式加了一层包装。比如我们需要三个前后依赖的异步操作，采用纯回调函数写法如下：

asyncOpA(a, b, (err, result) => {
 if (err) {
 handleErrorA(err);
 }
 asyncOpB(c, result, (err, result) => {
 if (err) {
  handleErrorB(err);
 }
 asyncOpB(d, result, (err, result) => {
  if (err) {
  handlerErrorC(err);
  }
  finalOp(result);
 });
 });
});

如果我们采用async库来做：

async.waterfall([
 (cb) => {
 asyncOpA(a, b, (err, result) => {
  cb(err, c, result);
 });
 },
 (c, lastResult, cb) => {
 asyncOpB(c, lastResult, (err, result) => {
  cb(err, d, result);
 })
 },
 (d, lastResult, cb) => {
 asyncOpC(d, lastResult, (err, result) => {
  cb(err, result);
 });
 }
], (err, finalResult) => {
 if (err) {
 handlerError(err);
 }
 finalOp(finalResult);
});

可以看到，回调函数由原来的横向发展转变为纵向发展，同时错误被统一传递到最后的处理函数中。其原理是，将函数数组中的后一个函数包装后作为前一个函数的末参数cb传入，同时要求：

每一个函数都应当执行其cb参数;cb的第一个参数用来传递错误。我们可以自己写一个async.waterfall的实现：

let async = {
 waterfall: (methods, finalCb = _emptyFunction) => {
 if (!_isArray(methods)) {
  return finalCb(new Error('First argument to waterfall must be an array of functions'));
 }
 if (!methods.length) {
  return finalCb();
 }
 function wrap(n) {
  if (n === methods.length) {
  return finalCb;
  }
  return function (err, ...args) {
  if (err) {
   return finalCb(err);
  }
  methods[n](...args, wrap(n + 1));
  }
 }
 wrap(0)(false);
 }
};

Async.js还有series/parallel/whilst等多种流程控制方法，来实现常见的异步协作。

Async.js的问题：

在外在上依然没有摆脱回调函数，只是将其从横向发展变为纵向，还是需要程序员熟练异步回调风格。错误处理上仍然没有利用上try-catch和throw，依赖于“回调函数的第一个参数用来传递错误”这样的一个约定。

2、Promise方案

ES6的Promise来源于Promise/A+。使用Promise来进行异步流程控制，有几个需要注意的问题，把前面提到的功能用Promise来实现，需要先包装异步函数，使之能返回一个Promise：

function toPromiseStyle(fn) {
 return (...args) => {
 return new Promise((resolve, reject) => {
  fn(...args, (err, result) => {
  if (err) reject(err);
  resolve(result);
  })
 });
 };
}

这个函数可以把符合下述规则的异步函数转换为返回Promise的函数：

回调函数的第一个参数用于传递错误，第二个参数用于传递正常的结果。接着就可以进行操作了：

let [opA, opB, opC] = [asyncOpA, asyncOpB, asyncOpC].map((fn) => toPromiseStyle(fn));

opA(a, b)
 .then((res) => {
 return opB(c, res);
 })
 .then((res) => {
 return opC(d, res);
 })
 .then((res) => {
 return finalOp(res);
 })
 .catch((err) => {
 handleError(err);
 });

通过Promise，原来明显的异步回调函数风格显得更像同步编程风格，我们只需要使用then方法将结果传递下去即可，同时return也有了相应的意义：在每一个then的onFullfilled函数（以及onRejected）里的return，都会为下一个then的onFullfilled函数（以及onRejected）的参数设定好值。

如此一来，return、try-catch/throw都可以使用了，但catch是以方法的形式出现，还是不尽如人意。

3、Generator方案

ES6引入的Generator可以理解为可在运行中转移控制权给其他代码，并在需要的时候返回继续执行的函数。利用Generator可以实现协程的功能。

将Generator与Promise结合，可以进一步将异步代码转化为同步风格：

function* getResult() {
 let res, a, b, c, d;
 try {
 res = yield opA(a, b);
 res = yield opB(c, res);
 res = yield opC(d);
 return res;
 } catch (err) {
 return handleError(err);
 }
}

然而我们还需要一个可以自动运行Generator的函数：

function spawn(genF, ...args) {
 return new Promise((resolve, reject) => {
 let gen = genF(...args);

 function next(fn) {
  try {
  let r = fn();
  if (r.done) {
   resolve(r.value);
  }
  Promise.resolve(r.value)
   .then((v) => {
   next(() => {
    return gen.next(v);
   });
   }).catch((err) => {
   next(() => {
    return gen.throw(err);
   })
   });
  } catch (err) {
   reject(err);
  }
 }

 next(() => {
  return gen.next(undefined);
 });
 });
}

用这个函数来调用Generator即可：

spawn(getResult)
 .then((res) => {
 finalOp(res);
 })
 .catch((err) => {
 handleFinalOpError(err);
 });

可见try-catch和return实际上已经以其原本面貌回到了代码中，在代码形式上也已经看不到异步风格的痕迹。

类似的功能有co/task.js等库实现。

4、ES7的async/await

ES7中将会引入async function和await关键字，利用这个功能，我们可以轻松写出同步风格的代码，同时依然可以利用原有的异步I/O机制。

采用async function，我们可以将之前的代码写成这样：

async function getResult() {
 let res, a, b, c, d;
 try {
 res = await opA(a, b);
 res = await opB(c, res);
 res = await opC(d);
 return res;
 } catch (err) {
 return handleError(err);
 }
}

getResult();

和Generator & Promise方案看起来没有太大区别，只是关键字换了换。实际上async function就是对Generator方案的一个官方认可，将之作为语言内置功能。

async function的缺点：

await只能在async function内部使用，因此一旦你写了几个async function，或者使用了依赖于async function的库，那你很可能会需要更多的async function。

目前处于提案阶段的async function还没有得到任何浏览器或Node.js/io.js的支持。Babel转码器也需要打开实验选项，并且对于不支持Generator的浏览器来说，还需要引进一层厚厚的regenerator runtime，想在前端生产环境得到应用还需要时间。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助。