(備忘録) JavaScriptにおける非同期処理を学んだ

JavaScript/TypeScriptにおける非同期処理を完全に理解したので、見返すようにまとめました。

Javascriptのスレッド

JavaScriptはシングルスレッド上で実行される。ブラウザには主に以下の３つのスレッドが存在し、JavaScriptが実行されるのは Main Thread。

Main Thread (JSの実行とレンダリング処理を行う)
Service Worker
Web Worker

同期処理と非同期処理

同期処理: メインスレッド上で順番に処理が進んでいく
非同期処理: 一時的にメインスレッドから処理が切り離される

例) setTimeout(callback, ms)

setTimeoutを実行した時点でメインスレッドから切り離される。そして非同期API(内部で実装されたタイマー)に渡されたのち、指定した時間後にコールバックがタスクキューに積まれる。

タスクキューとコールスタック

重要な登場人物一覧:

コールスタック

実行済みのコンテキストが積まれる
コンテキストには、関数コンテキストやグローバルコンテキストがある
コンテキストが持つ情報:
- ローカル変数や引数の値
- 計算途中の値を持つ
- 関数終了後にどこに戻るか

イベントループ

コールスタックにコンテキストが積まれているかを監視している
監視結果をタスクキューに通知する

タスクキュー

実行待ちの関数行列(FIFO)
イベントループから通知を受け取り、スタックコールが空の場合、積まれている関数を実行する
関数の実行結果はコンテキストとしてコールスタックに積まれる
１つのループあたり実行できる関数は１個まで

Promise

Promiseの状態
- pending: Promiseが生成された時の初期状態
- fullfilled: Promiseがresolveした時の状態
- rejected: Promiseがrejectした時の状態

Promiseのコード例

new Promise(function (resolve, reject) {
  setTimeout(function () {
    console.log("Task done");
  });
  resolve("hello"); // Promiseをfulfilled状態にし、thenのハンドラをキューに登録
  // reject("fail"); // Promiseをrejected状態にし、catchのハンドラをキューに登録
})
  .then(function (data) {
    // resolveの引数が渡ってくる
    console.log(data); // -> "hello"
    return data + " morita"; // 次のthenに値を渡す(渡される型はPromise)
  })
  .then(function (data) {
    console.log(data); // -> "hello morita"
    throw new Error("fail"); // このエラーは次のcatchに渡される
  })
  .catch(function (error) {
    // rejectの引数、またはthrowされたエラーが渡ってくる
    console.error(error);
  })
  .finally(function () {
    console.log("Promise処理終了（成功・失敗問わず）");
  });

console.log("Global context end");

MicroTasks と MacroTasks

キューには２種類ある。

Macro Tasks (タスクキュー)

setTimeoutやsetIntervalのコールバックなどの非同期処理が積まれる
１回のイベントループあたりに１つのタスクを実行する

Micro Tasks (ジョブキュー)

Promiseのthenなどの非同期処理が積まれる
タスクキューよりもジョブキューの方が先に実行される
１回のイベントループあたりに積まれている全てのジョブが実行される

コードの実行順序

以下のコードを実行した時の実行順は？

console.log("starting");

new Promise(function (resolve) {
  setTimeout(function () {
    console.log("task1");
  });
  resolve();
})
  .then(function () {
    console.log("job1");
  })
  .then(function () {
    console.log("job2");
  });

console.log("Global context end");

答え:

starting
global context end
job1
job2
task1

処理の流れ:

コールスタックにグローバルコンテキストが積まれる
(1)“starting”が表示
“task1”がタスクキューに登録される
“job1”がジョブキューに登録される
“job2”がジョブキューに登録される
(2)“global context end”が表示
- (グローバルコンテキストがコールスタックから取り出される)
コールスタックが空になり、先にジョブキューの全ての関数が実行される
(3)“job1”が表示
(4)“job2”が表示
再度コールスタックが空になり、ジョブキューも空なので、タスクキューの関数が実行される
(5)“task1”が表示

await/async

asyncで定義されている関数の返り値は必ずPromise
awaitは、Promiseを返す関数の非同期処理が完了するのを待つ

コード例

const fetchCoffee = async (): Promise<void> => {
  const response = await fetch("https://api.sampleapis.com/coffee/hot");
  const coffeeList = await response.json();
  console.log(coffeeList);
};

fetchCoffee();

Promiseの静的メソッドを使った並行処理

Promiseの並行処理に関する静的メソッド一覧

1. Promise.all

引数にはPromiseを格納した反復可能オブジェクトを入れる。全てのPromiseが”fullfiled”となった場合のみ成功扱い。１つでも”rejected”となると、失敗となる。

返り値は、以下のようなPromiseを１つ返す。

// 成功時
Promise { <state>: "fulfilled", <value>: Array[5] }

// 失敗時
Promise { <state>: "rejected", <reason>: 5 }

2. Promise.race

最も早く”pending”状態が終わったPromiseを返す。そのため、返ってくるPromiseは”fullfiled”か”rejected”のどちらかわからない。また、どのPromiseも解決してない場合は”pending”となる

返り値の例:

// 成功時
Promise { status: 'fulfilled', value: 100 }

// 失敗時
Promise { status: 'rejected', reason: 300 }

// 未解決時
Promise { status: 'pending' }

3. Promise.allSettled

全てのPromiseが解決する(“pending”状態から抜ける)とそれら全てを返す。

返り値の例:

[
   { status: 'fulfilled', value: 33 },
   { status: 'fulfilled', value: 66 },
   { status: 'rejected', reason: Error: an error }
]

Promise.allを使用した並行処理の実例

リストの要素を並行処理でインクリメントする

const incNums = async (nums: number[]): Promise<number[]> => {
  return Promise.all(nums.map((n) => n + 1))
    .then((result: number[]) => {
      if (result.length === 0) {
        throw new Error("failed to increment all nums");
      }
      return result;
    })
    .catch((err) => {
      console.error(err);
      throw err;
    });
};

const nums = [1, 2, 3, 4, 5];
console.log(nums);
incNums(nums).then((result: number[]) => {
  console.log(result);
});

// ==== 出力 ====
// [ 1, 2, 3, 4, 5 ]
// [ 2, 3, 4, 5, 6 ]

setTimeoutを応用した定期実行

setTimeoutを使用することで定期実行を行う処理を実現することができる。

setIntervalではなく、setTimeoutを使うことで安全に定期実行を行うことができる。

setIntervalは一定時間間隔でタスクキューにタスクを積むため、前のタスクに時間がかかってしまっても、止めない限りお構いなしにタスクを積んでいってしまう。そのためキューが詰まってしまうバグに繋がる。

一方で、setTimeoutを使用した場合、タスクの実行を待ってから、次のタスクを積むと言った具合に、柔軟なスケジューリングが実装できる。

以下は、指定した回数分コンソールに数字を出力する処理をsetTimeoutで実装した。 (この程度の処理ならsetIntervalでもキューが詰まることはなさそうだが) コメントを記している箇所で、万が一時間のかかる処理が合ったとしても、その実行を待ってからタスクを積むため、キューが詰まるリスクを回避することができる。

const count = (num: number): void => {
  let count = 0;
  let timer: ReturnType<typeof setTimeout>;

  const timerFunc = () => {
    if (count >= num) {
      clearTimeout(timer);
      return;
    }

    // 時間がかかる処理

    count++;
    console.log(count);
    timer = setTimeout(timerFunc, 1000);
  };

  timer = setTimeout(timerFunc, 1000);
};