【转向Javascript系列】深入理解Generators

随着Javascript语言的发展，ES6规范为我们带来了许多新的内容，其中生成器Generators是一项重要的特性。利用这一特性，我们可以简化迭代器的创建，更加令人兴奋的，是Generators允许我们在函数执行过程中暂停、并在将来某一时刻恢复执行。这一特性改变了以往函数必须执行完成才返回的特点，将这一特性应用到异步代码编写中，可以有效的简化异步方法的写法，同时避免陷入回调地狱。

本文将对Generators进行简单介绍，然后结合笔者在C#上的一点经验，重点探讨Generators运行机制及在ES5的实现原理。

1.Generators简单介绍

一个简单的Generator函数示例

function* example() {
  yield 1;
  yield 2;
  yield 3;
}
var iter=example();
iter.next();//{value:1，done:false}
iter.next();//{value:2，done:false}
iter.next();//{value:3，done:false}
iter.next();//{value:undefined，done:true}

上述代码中定义了一个生成器函数，当调用生成器函数example()时，并非立即执行该函数，而是返回一个生成器对象。每当调用生成器对象的.next()方法时，函数将运行到下一个yield表达式，返回表达式结果并暂停自身。当抵达生成器函数的末尾时，返回结果中done的值为true，value的值为undefined。我们将上述example()函数称之为生成器函数，与普通函数相比二者有如下区别

• 普通函数使用function声明，生成器函数用function*声明
• 普通函数使用return返回值，生成器函数使用yield返回值
• 普通函数是run to completion模式，即普通函数开始执行后，会一直执行到该函数所有语句完成，在此期间别的代码语句是不会被执行的；生成器函数是run-pause-run模式，即生成器函数可以在函数运行中被暂停一次或多次，并且在后面再恢复执行，在暂停期间允许其他代码语句被执行

对于Generators的使用，本文不再多做介绍，如需了解更多内容推荐阅读下面系列文章，《ES6 Generators: Complete Series》或者《深入掌握 ECMAScript 6 异步编程》系列文章

2.Generators in C#

生成器不是一个新的概念，我最初接触这一概念是在学习使用C#时。C#从2.0版本便引入了yield关键字，使得我们可以更简单的创建枚举数和可枚举类型。不同的是C#中未将其命名为生成器Generators，而将其称之为迭代器。

本文不会介绍C#中可枚举类IEnumerable和枚举数IEnumerator内容，如需了解推荐阅读《C#4.0图解教程》相关章节。

2.1 C#迭代器介绍

让我们先看一个示例，下面方法声明实现了一个产生和返回枚举数的迭代器

public IEnumerable <int> Example()
{
        yield return 1;
        yield return 2;
        yield return 3;
}

方法定义与ES6 Generators定义很接近，定义中声明返回了一个int类型的泛型可枚举类型，方法体内通过yield return语句返回值并将自身暂停执行。

使用迭代器来创建可枚举类型的类

class YieldClass
{
    public IEnumerable<int> Example()//迭代器
    {
    yield return 1;
    yield return 2;
    yield return 3;
    }
}
class Program
{
    static void Main()
    {
    YieldClass yc=new YieldClass ();
    foreach(var a in yc.Example())
        Console.WriteLine(a);
    }
}

上述代码会产生如下输入

1
2
3

2.2 C#迭代器原理

在.Net中，yield并不是.Net runtime的特性，而是一个语法糖，代码编译时，这一语法糖会被C#编译器编译成简单的IL代码。

继续研究上述示例，通过Reflector反编译工具可以看到，编译器为我们生成了一个带有如下声明的内部类

[CompilerGenerated]
private sealed class YieldEnumerator : 
   IEnumerable<object>, IEnumerator<object>
{
    // Fields字段
    private int state;
    private int current;
    public YieldClass owner;
    private int initialThreadId;
 
    // Methods方法
    [DebuggerHidden]
    public YieldEnumerator(int state);
    private bool MoveNext();
    [DebuggerHidden]
    IEnumerator<int> IEnumerable<int>.GetEnumerator();
    [DebuggerHidden]
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator();
    [DebuggerHidden]
    void IEnumerator.Reset();
    void IDisposable.Dispose();
 
    // Properties属性
    object IEnumerator<object>.Current 
    { [DebuggerHidden] get; }
 
    object IEnumerator.Current 
    { [DebuggerHidden] get; }
}

原始的Example()方法仅返回一个YieldEnumerator的实例，并将初始状态-2传递给它自身和其引用者，每一个迭代器保存一个状态指示

• -2：初始化为可迭代类Enumerable
• -1:迭代结束
• 0:初始化为迭代器Enumerator
• 1-n:原始Example()方法中的yield return索引值

Example()方法中代码被转换为YieldingEnumerator.MoveNext()，在我们的示例中转换后代码如下

bool MoveNext()
{
    switch (state)
    {
        case 0:
            state = -1;
            current = 1;
            state = 1;
            return true;
        case 1:
            state = -1;
            current = 2;
            state = 2;
            return true;
        case 2:
            state = -1;
            current = 3;
            state = 3;
            return true;
        case 3:
            state = -1;
            break;
    }
    return false;
}

利用上述的代码转换，编译器为我们生成了一个状态机，正是基于这一状态机模型，实现了yield关键字的特性。

迭代器状态机模型可如下图所示

• Before为迭代器初始状态
• Running 为调用MoveNext后进入这个状态。在这个状态，枚举数检测并设置下一项的位置。遇到yield return、yield break或者迭代结束时，退出该状态
• Suspended为状态机等待下次调用MoveNext的状态
• After为迭代结束的状态

3.Generators in Javascript

通过阅读上文，我们了解了Generator在C#中的使用，并且通过查看编译器生成的IL代码，得知编译器会生成一个内部类来保存上下文信息，然后将yield return表达式转换成switch case，通过状态机模式实现yield关键字的特性。

3.1 Javascript Generators原理浅析

yield关键字在Javascript中如何实现呢？

首先，生成器不是线程。支持线程的语言中，多段不同的代码可以在同一时候运行，这经常会导致资源竞争，使用得当会有不错的性能提升。生成器则完全不同，Javascript执行引擎仍然是一个基于事件循环的单线程环境，当生成器运行的时候，它会在叫做 caller 的同一个线程中运行。执行的顺序是有序、确定的，并且永远不会产生并发。不同于系统的线程，生成器只会在其内部用到 yield 的时候才会被挂起。

既然生成器并非由引擎从底层提供额外的支持，我们可以沿用上文在C#中对yield特性的原理探究的经验，将生成器视为一个语法糖，用一个辅助工具将生成器函数转换为普通的Javascript代码，在经过转换的代码中，有两个关键点，一是要保存函数的上下文信息，二是实现一个完善的迭代方法，使得多个yield表达式按序执行，从而实现生成器的特性。

3.2 How Generators work in ES5

Regenerator工具已经实现了上述思路，借助Regenerator工具，我们已经可以在原生ES5中使用生成器函数，本节我们来分析Regenerator实现方式以深入理解Generators运行原理。

通过这个在线地址可以方便的查看经过转换后的代码，仍然以文章初始为例

function* example() {
  yield 1;
  yield 2;
  yield 3;
}
var iter=example();
iter.next();

经过转换后为

var marked0$0 = [example].map(regeneratorRuntime.mark);
function example() {
  return regeneratorRuntime.wrap(function example$(context$1$0) {
    while (1) switch (context$1$0.prev = context$1$0.next) {
      case 0:
        context$1$0.next = 2;
        return 1;
 
      case 2:
        context$1$0.next = 4;
        return 2;
 
      case 4:
        context$1$0.next = 6;
        return 3;
 
      case 6:
      case "end":
        return context$1$0.stop();
    }
  }, marked0$0[0], this);
}
var iter = example();
iter.next();

从转换后的代码中可以看到，与C#编译器对yield return表达式的转换相似，Regenerator将生成器函数中的yield表达式重写为switch case，同时，在每个case中使用context$1$0来保存函数当前的上下文状态。

switch case之外，迭代器函数example被regeneratorRuntime.mark包装，返回一个被regeneratorRuntime.wrap包装的迭代器对象。

runtime.mark = function(genFun) {
  if (Object.setPrototypeOf) {
    Object.setPrototypeOf(genFun, GeneratorFunctionPrototype);
  } else {
    genFun.__proto__ = GeneratorFunctionPrototype;
  }
  genFun.prototype = Object.create(Gp);
  return genFun;
};

通过mark包装，将example包装成如下对象

当调用生成器函数example()时，返回一个被wrap函数包装后的迭代器对象

runtime.wrap=function (innerFn, outerFn, self, tryLocsList) {
  // If outerFn provided, then outerFn.prototype instanceof Generator.
  var generator = Object.create((outerFn || Generator).prototype);
  var context = new Context(tryLocsList || []);
 
  // The ._invoke method unifies the implementations of the .next,
  // .throw, and .return methods.
  generator._invoke = makeInvokeMethod(innerFn, self, context);
 
  return generator;
}

返回的迭代器对象如下所示

当调用迭代器对象iter.next()方法时，因为有如下代码，所以会执行_invoke方法，而根据前面wrap方法代码可知，最终是调用了迭代器对象的makeInvokeMethod (innerFn, self, context);方法

// Helper for defining the .next, .throw, and .return methods of the
// Iterator interface in terms of a single ._invoke method.
function defineIteratorMethods(prototype) {
  ["next", "throw", "return"].forEach(function(method) {
    prototype[method] = function(arg) {
      return this._invoke(method, arg);
    };
  });
}

makeInvokeMethod方法内容较多，这里选取部分分析。首先，我们发现生成器将自身状态初始化为“Suspended Start”

function makeInvokeMethod(innerFn, self, context) {
  var state = GenStateSuspendedStart;
 
  return function invoke(method, arg) {

makeInvokeMethod返回invoke函数，当我们执行.next方法时，实际调用的是invoke方法中的下面语句

var record = tryCatch(innerFn, self, context);

这里tryCatch方法中fn为经过转换后的example$方法，arg为上下文对象context,因为invoke函数内部对context的引用形成闭包引用，所以context上下文得以在迭代期间一直保持。

function tryCatch(fn, obj, arg) {
  try {
    return { type: "normal", arg: fn.call(obj, arg) };
  } catch (err) {
    return { type: "throw", arg: err };
  }
}

tryCatch方法会实际调用example$方法，进入转换后的switch case,执行代码逻辑。如果得到的结果是一个普通类型的值，我们将它包装成一个可迭代对象格式，并且更新生成器状态至GenStateCompleted或者GenStateSuspendedYield

var record = tryCatch(innerFn, self, context);
        if (record.type === "normal") {
          // If an exception is thrown from innerFn, we leave state ===
          // GenStateExecuting and loop back for another invocation.
          state = context.done
            ? GenStateCompleted
            : GenStateSuspendedYield;
 
          var info = {
            value: record.arg,
            done: context.done
          };

4.总结

通过对Regenerator转换后的生成器代码及工具源码分析，我们探究了生成器的运行原理。Regenerator通过工具函数将生成器函数包装，为其添加如next/return等方法。同时也对返回的生成器对象进行包装，使得对next等方法的调用，最终进入由switch case组成的状态机模型中。除此之外，利用闭包技巧，保存生成器函数上下文信息。

上述过程与C#中yield关键字的实现原理基本一致，都采用了编译转换思路，运用状态机模型，同时保存函数上下文信息，最终实现了新的yield关键字带来的新的语言特性。

参考文章

1.ES6 Generators:Complete Series系列文章

2.深入浅出ES6 Generators

3.《深入掌握 ECMAScript 6 异步编程》系列文章

4.ES6 Generators:How do they work?

5.Behind the scenes of the C# yield keyword