利用 JavaScript 实现并发控制的示例代码

一、前言

在开发过程中，有时会遇到需要控制任务并发执行数量的需求。

例如一个爬虫程序，可以通过限制其并发任务数量来降低请求频率，从而避免由于请求过于频繁被封禁问题的发生。

接下来，本文介绍如何实现一个并发控制器。

二、示例

const task = timeout => new Promise((resolve) => setTimeout(() => {
  resolve(timeout);
 }, timeout))

 const taskList = [1000, 3000, 200, 1300, 800, 2000];

 async function startNoConcurrentControl() {
  console.time(NO_CONCURRENT_CONTROL_LOG);
  await Promise.all(taskList.map(item => task(item)));
  console.timeEnd(NO_CONCURRENT_CONTROL_LOG);
 }

 startNoConcurrentControl();

上述示例代码利用 Promise.all 方法模拟6个任务并发执行的场景，执行完所有任务的总耗时为 3000 毫秒。

下面会采用该示例来验证实现方法的正确性。

三、实现

由于任务并发执行的数量是有限的，那么就需要一种数据结构来管理不断产生的任务。

队列的「先进先出」特性可以保证任务并发执行的顺序，在 JavaScript 中可以通过「数组来模拟队列」：

class Queue {
  constructor() {
   this._queue = [];
  }

  push(value) {
   return this._queue.push(value);
  }

  shift() {
   return this._queue.shift();
  }

  isEmpty() {
   return this._queue.length === 0;
  }
 }

对于每一个任务，需要管理其执行函数和参数：

class DelayedTask {
  constructor(resolve, fn, args) {
   this.resolve = resolve;
   this.fn = fn;
   this.args = args;
  }
 }

接下来实现核心的 TaskPool 类，该类主要用来控制任务的执行：

class TaskPool {
  constructor(size) {
   this.size = size;
   this.queue = new Queue();
  }

  addTask(fn, args) {
   return new Promise((resolve) => {
    this.queue.push(new DelayedTask(resolve, fn, args));
    if (this.size) {
     this.size--;
     const { resolve: taskResole, fn, args } = this.queue.shift();
     taskResole(this.runTask(fn, args));
    }
   })
  }

  pullTask() {
   if (this.queue.isEmpty()) {
    return;
   }

   if (this.size === 0) {
    return;
   }

   this.size++;
   const { resolve, fn, args } = this.queue.shift();
   resolve(this.runTask(fn, args));
  }

  runTask(fn, args) {
   const result = Promise.resolve(fn(...args));

   result.then(() => {
    this.size--;
    this.pullTask();
   }).catch(() => {
    this.size--;
    this.pullTask();
   })

   return result;
  }
 }

TaskPool 包含三个关键方法：

addTask: 将新的任务放入队列当中，并触发任务池状态检测，如果当前任务池非满载状态，则从队列中取出任务放入任务池中执行。
runTask: 执行当前任务，任务执行完成之后，更新任务池状态，此时触发主动拉取新任务的机制。
pullTask: 如果当前队列不为空，且任务池不满载，则主动取出队列中的任务执行。

利用 JavaScript 实现并发控制的示例代码

接下来，将前面示例的并发数控制为2个：

 const cc = new ConcurrentControl(2);

 async function startConcurrentControl() {
  console.time(CONCURRENT_CONTROL_LOG);
  await Promise.all(taskList.map(item => cc.addTask(task, [item])))
  console.timeEnd(CONCURRENT_CONTROL_LOG);
 }

 startConcurrentControl();

执行流程如下：

利用 JavaScript 实现并发控制的示例代码

最终执行任务的总耗时为 5000 毫秒。

四、高阶函数优化参数传递

await Promise.all(taskList.map(item => cc.addTask(task, [item])))

手动传递每个任务的参数的方式显得非常繁琐，这里可以通过「高阶函数实现参数的自动透传」：

addTask(fn) {
  return (...args) => {
   return new Promise((resolve) => {
    this.queue.push(new DelayedTask(resolve, fn, args));

    if (this.size) {
     this.size--;
     const { resolve: taskResole, fn: taskFn, args: taskArgs } = this.queue.shift();
     taskResole(this.runTask(taskFn, taskArgs));
    }
   })
  }
 }

改造之后的代码显得简洁了很多：

 await Promise.all(taskList.map(cc.addTask(task)))

五、优化出队操作

数组一般都是基于一块「连续内存」来存储，当调用数组的 shift 方法时，首先是删除头部元素（时间复杂度 O(1)），然后需要将未删除元素左移一位（时间复杂度 O(n)），所以 shift 操作的时间复杂度为 O(n)。

利用 JavaScript 实现并发控制的示例代码

由于 JavaScript 语言的特性，V8 在实现 JSArray 的时候给出了一种空间和时间权衡的解决方案，在不同的场景下，JSArray 会在 FixedArray 和 HashTable 两种模式间切换。

在 hashTable 模式下，shift 操作省去了左移的时间复杂度，其时间复杂度可以降低为 O(1)，即使如此，shift 仍然是一个耗时的操作。

在数组元素比较多且需要频繁执行 shift 操作的场景下，可以通过「reverse + pop」的方式优化。

const Benchmark = require("benchmark");
 const suite = new Benchmark.Suite;

 suite.add("shift", function() {
  let count = 10;
  const arr = generateArray(count);
  while (count--) {
   arr.shift();
  }
 })
 .add("reverse + pop", function() {
  let count = 10;
  const arr = generateArray(count);
  arr.reverse();
  while (count--) {
   arr.pop();
  }
 })
 .on("cycle", function(event) {
  console.log(String(event.target));
 })
 .on("complete", function() {
  console.log("Fastest is " + this.filter("fastest").map("name"));
  console.log("
")
 })
 .run({
  async: true
 })

通过 benchmark.js 跑出的基准测试数据，可以很容易地看出哪种方式的效率更高：

利用 JavaScript 实现并发控制的示例代码

回顾之前 Queue 类的实现，由于只有一个数组来存储任务，直接使用 reverse + pop 的方式，必然会影响任务执行的次序。

这里就需要引入双数组的设计，一个数组负责入队操作，一个数组负责出队操作。

 class HighPerformanceQueue {
  constructor() {
   this.q1 = []; // 用于 push 数据
   this.q2 = []; // 用于 shift 数据
  }

  push(value) {
   return this.q1.push(value);
  }

  shift() {
   let q2 = this.q2;
   if (q2.length === 0) {
    const q1 = this.q1;
    if (q1.length === 0) {
     return;
    }
    q2 = this.q2 = q1.reverse();
   }

   return q2.pop();
  }

  isEmpty() {
   if (this.q1.length === 0 && this.q2.length === 0) {
    return true;
   }
   return false;
  }
 }

最后通过基准测试来验证优化的效果：

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