認識非同步 (Asynchronous) 及串流 (Stream)

12th鐵人賽 rxjs asynchronous stream

黃升煌 Mike

團隊全端開發人員天梯

2020-09-20 11:24:09

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非同步 (asynchronous) 與串流 (stream)，是程式開發時經常必須面對的議題，各自有各自解決的問題，也各自都有其帶來的延伸問題，今天就先來對這兩個東西有基礎的理解吧！

認識非同步

在 JavaScript 中有個 setTimeout 方法，會在指定的時間(毫秒) 後執行裡面的程式碼邏輯，請問以下程式有兩個 console.log 會分別印出 A 和 B，請問印出的順序為？

setTimeout(() => {
  console.log('A');
}, 1000);
console.log('B');

一秒後印出 A，然後再印出 B
先印出 B，一秒後再印出 A

相信使用過 setTimeout() 的人都知道答案是 2，而其中的原因就是「非同步」。

到底什麼是非同步呢？我們先來說明一下「同步」是什麼？

先想下一下以下程式印出的順序為何？

console.log('A');
console.log('B');

相信所有人都會毫不猶豫地回答「先印出 A 再印出 B」，因為我們通常在閱讀程式碼時候是按照前後順序閱讀的，自然而然會認為程式碼是按照前後順序執行的，也就是先發生的程式碼先處理，而這個按照前後發生順序執行的行為我們就稱為「同步」行為。

因此，不一定按照這種順序的行為我們就稱為「非同步」行為。那麼為什麼要有「非同步」這種行為？全部照順序執行不是很好嗎？我們可以想像一下 setTimeout(() => console.log('A'), 1000) 這樣的程式碼，如果一定「等待」一秒鐘，在畫面操作上會發生什麼事情？

最簡單的理解就是在這一秒鐘畫面因為全心等待要去執行 console.log('A') 而導致其他互動完全無法處理，一秒鐘聽起來還好，但如果換成是 AJAX 呼叫後端 API 的請求，偏偏伺服器處理又要等待比較長的時間，數十秒甚至數分鐘都有可能的時候呢？我們真的能接受畫面完全卡住那麼長的一段時間卻什麼都不做嗎？

相信大多數人的答案應該都是「不能」。

這種情況下「非同步」的設計就變得非常重要，當程式並沒有任何其他的運算，只是單純的「等待」時，我們就把它丟到一個暫存區內，讓畫面可以繼續處理其他的行為，直到等待到我們要的資料時，在拿回處理的所有權，繼續後續的程式運算。

當然這只是很粗淺的說明非同步存在的必要性跟流程，它的背後原理有很多東西可以說，但我們的目標是學習 RxJS，因此在這裡只需要知道基本的觀念就好，關於非同步處理的深入原理，網路上有非常多深度介紹的文章，有興趣可以自行搜尋一下。

透過非同步我們可以避免等待時間畫面卡住的時間浪費，也就是俗稱的「non blocking I/O」，然而明顯的缺點是這樣的處理方式把程式邏輯變得更複雜了，畢竟這跟多數人閱讀程式碼的習慣不同，但只要理解什麼時候應該是非同步處理，其實習慣後也不會造成太大困擾，且 JavaScript 也提供了 Promise 這個好用的非同步處理 API 來簡化一些複雜的問題。而另一個問題是，一般的非同步就是「等待完成」後就結束了，若有一系列的等待和先後順序等行為，就需要搭配到串流了。

認識串流

相信大家都有在網路上看過線上影片的經驗，如果是高畫質影片，通常都要數十 MB 甚至數 GB 以上，如果每個次都要把整個影片檔案下載完才能播放，那麼體驗之差相信難以想像。

但假設我們將影片依照時間切成一小段一小段，只需要數秒鐘就能載入完成的影片片段，當播放器快要播放到某個時間點時，再去下載這個時間點對應的片段呢？是不是就不用等那麼長的時間啦！

這就是串流背後做的事情，將資料分成小小的片段，再「串」起來分段「流」向同一個地方，以上述的例子來說就是播放影片的邏輯。

以播放影片的例子來說，大概會寫出像這樣的程式碼：

// 建立一個 stream 物件
const videoPlayStream = {
  // 用來存放每個時間片段的影片內容
  videoObject: [],
  downloadVideo: minute => {
    // 如果影片片段已存在，直接回傳
    if (videoPlayStream.videoObject[minute]) {
      return Promise.resolve(videoPlayStream.videoObject[minute]);
    } else {
      // 如果影片片段不存在，則下載
      return fetch(`...?minute=${minute}`).then(video => {
        videoPlayStream.videoObject[minute] = video;
        return video;
      });
    }
  },
  // 跳到指定的時間
  jumpTo: minute => {
    // 如果影片片段影存在，直接播放
    if (videoPlayStream.videoObject[minute]) {
      videoPlayStream.play(minute);
    } else {
      // 如果影片片段不存在，先進行下載，然後再播放
      videoPlayStream.downloadVideo(minute).then(video => {
        videoPlayStream.play(minute);
      });
    }
  },
  // 播放指定時間影片片段
  play: minute => {
    // 實際播放影片的邏輯
    // 同時預先下載下一個時間點的片段
    videoPlayStream.downloadVideo(minute + 1);
  }
};

// 從頭開始播放
videoPlayStream.jumpTo(0);

// 跳到第 45 分鐘播放
videoPlayStream.jumpTo(45);

當然以上程式碼還有很大的優化空間，也有很多未處理的細節，實際上也絕對跑不動，但作為範例，大概就會像這樣的概念去處理串流。

ReactiveX 與串流

在 ReactiveX 的觀念中，我們會將所有發生的事情都視為串流！

以網頁為例子，滑鼠的點擊事件可以視為一連串事件的串流，除非網頁關閉，否則這個事件持續可能會發生。

當 HTTP 請求呼叫時(也就是 AJAX)，也是一種串流，只是這種串流事件只發生一次就會結束

既然所有行為都可以視為串流，如何整合這些串流就變得非常重要，若沒有妥善的設計，很容易就會發生串流包串流這種巢狀地獄的發生，任何有經驗的開發人員應該想盡辦法避免這種狀況！而 ReactiveX 就是結合了多種程式設計的觀念和技巧，漂亮的解決了這些問題！關於這些觀念和技巧，我們之後再來說明。現在我們只需要先有一個觀念，就是盡量以串流的方式思考就好，未來我們會學習到各種組合串流的方式。