[JavaScript] Xử lý bất đồng bộ: callbacks, Promises hay async/await

1. Đơn giản về đồng bộ và bất đồng bộ

Trong thực tế cuộc sống, đồng bộ (Synchronous) là quy trình xử lý công việc theo một thứ tự tuần tự đã được lập sẵn. Công việc tiếp theo chỉ được thực hiện khi công việc trước đó đã hoàn thành xong.
Còn trong lập trình máy tính, một chương trình được thực hiện theo từng câu lệnh từ trên xuống dưới một cách tuần tự, câu lệnh sau thực hiện khi câu lệnh trước đó hoàn thành được gọi là một chương trình đồng bộ.

Do thực hiện tuần tự nên chương trình đồng bộ rất sẽ dễ kiểm soát và debug khi có lỗi xảy ra bởi khi một câu lệnh bị lỗi thì cả chương trình sẽ dừng và báo lỗi.
Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể dễ dàng nhận ra, thời gian để hoàn thành một nhiệm vụ đồng bộ sẽ bằng tổng thời gian thực hiện các công việc của nhiệm vụ đó. Do đó, nếu một công việc mất quá nhiều thời gian để hoàn thành (như call APIs, truy vấn database, ...) nó sẽ làm tăng lượng thời gian cần để hoàn thành nhiệm vụ, khoảng thời gian chờ sẽ rất lớn. Trong khoảng thời gian chờ này, chúng ta không thể thực hiện bất kỳ một công việc nào khác. Việc này sẽ làm giảm hiệu suất của chương trình, lãng phí nhiều thời gian, đồng thời cũng gây ảnh hưởng tiêu cực tới trải nghiệm của người dùng.

Ngược lại với đồng bộ, bất đồng bộ (Asynchronous) là việc các sự kiện, công việc có thể được thực hiện một cách độc lập, hoạt động song song không gây ảnh hưởng tới luồng công việc chính. Điều này sẽ tối ưu được thời gian chờ, qua đó làm giảm tổng thời gian cần để hoàn thành một nhiệm vụ.
Nhưng kết quả của công việc thực hiện sau có thể được trả về trước kết quả của công việc chạy trước nó, do vậy kết quả trả về cuối cùng có thể sẽ không theo thứ tự đã định sẵn, yêu cầu chúng ta cần kiểm soát chặt chẽ hơn.

2. Bất đồng bộ trong JavaScript

Để giải quyết vấn đề thời gian chờ trong các chương trình đồng bộ, ở một số ngôn ngữ đồng bộ như C/C++ hay Java, ... sẽ sử dụng cơ chế đa luồng (multi-thread). Chúng ta sẽ bổ sung thêm luồng (thread) để thực hiện các công việc cần nhiều thời gian hoàn thành. Những luồng này sẽ hoạt động độc lập và song song không ảnh hưởng tới luồng chính của chương trình, chúng ta vẫn có thể thực hiện các hành động khác ở luồng chính.

Tuy nhiên, JavaScript lại là một ngôn ngữ đơn luồng (single-thread), các lệnh được thực hiện tuần tự (hoisting), không đồng thời.

Sự bất đồng bộ được thể hiện khi chúng ta thực hiện một số hành động call WebAPI như AJAX hay setTimeout(), nó sẽ tốn một khoảng thời gian chờ dữ liệu được trả về. Nhưng JS sẽ không lãng phí khoảng thời gian này, nó sẽ tiếp tục thực hiện các hành động khác, đó là lý do vì sao JavaScript lại là ngôn ngữ bất đồng bộ.

Một lệnh trong JS chịu sự kiểm soát của Timer, Message Queue, CallStack và Event Loop khi thực hiện. Function trong JS không bao giờ được gọi trực tiếp mà sẽ được gọi thông qua các Messages.

• Timer: lưu trữ các lệnh thực hiện thao tác với WebAPI.
• Message Queue: lưu trữ các Message (hoặc Event) đến. Một lệnh sau khi hết thời gian chờ sẽ được chuyển từ hàng đợi Timer đến đây.
• CallStack: lưu trữ các hàm được thực hiện. Khi một hàm được gọi, nó được đưa vào trên cùng của Stack, và sẽ ra khỏi Stack khi thực hiện xong.
• Event Loop: người điều phối các Messages, nó thực hiện chuyển Message trong Message Queue vào CallStack khi CallStack trống.

3. Xử lý bất đồng bộ trong JavaScript

Noted:

function() {}     function(a) {}      function(a,b) {}

viết ngắn gọn thành

() => {}          a => {}            (a,b) => {}

3.1. Callback (ES5)

Callback là hàm được truyền vào một hàm khác (tạm gọi là hàm cha) giống như một tham số của hàm đó. Khi hàm cha thực hiện xong, thường thì hàm này sẽ tốn nhiều thời gian hoàn thành, hàm callback sẽ được thực hiện.
Đây là cách dễ thực hiện nhất dùng để xử lý bất đồng bộ trong JS.

function getName(name){
  setTimeout(
    () => {
      console.log(name);
    }, Math.floor(Math.random() * 100) + 1
  )
}

Chúng ta có một ví dụ đơn giản: lấy ra name sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên. Bây giờ, viết một hàm lấy ra tên của Hoa, Moc, Lan:

function getAll() {
  getName("Hoa");
  getName("Moc");
  getName("Lan");
}
getAll();

Mặc dù những hàm trên được xếp theo thứ tự, nhưng chúng lại độc lập với nhau (do setTimeout()), do vậy những hàm này là bất đồng bộ. Các name sẽ được lấy ra một cách ngẫu nhiên không theo thứ tự mỗi khi chúng ta gọi hàm getAll().

Giải quyết vấn đề này với callback()

function getName(name, callback){
  setTimeout(
    () => {
      console.log(name);
      callback();
    }, Math.floor(Math.random() * 100) + 1
  )
}

Hàm getAll() sẽ được viết lại thành

function getAll() {
  getName("Hoa", () => {
    getName("Moc", () => {
      getName("Lan", () => {} ) 
    })
  })
}
getAll();

Hoa, Moc, Lan bây giờ sẽ luôn được lấy ra theo đúng thứ tự mỗi khi chúng ta gọi getAll().

Nhưng có một vấn đề phát sinh ở đây, khi chúng ta muốn nhiều hàm bất đồng bộ thực hiện theo đúng thứ tự tuần tự, chúng ta phải gọi nhiều hàm callback() lồng nhau, khi đó code của chúng ta nhìn sẽ phức tạp, không tối ưu và rất khó kiểm soát. Trường hợp này gọi là Callback Hell.

3.2. Promise - ES6/ES2015

Promise là một Object chứa một hàm được gọi là executor gồm đoạn code bất đồng bộ. Nó cung cấp .then() thực thi một hàm, một Promise hay một Object sau khi code bất đồng bộ được thực hiện thành công và .catch() xử lý sau khi mã bất đồng bộ thất bại.

Cú pháp khai báo một Promise

let promise = new Promise(function(resolve, reject) {
  // Coding
});

Promise ban đầu có state là pending và value là undefined. Sau khi executor hoàn thành, gọi một trong hai callback được truyền vào như sau:

• resolve(value): xác định nhiệm vụ hoàn thành thành công. State chuyển thành fulfilled và kết quả trả về là value.
• reject(error): xác định nhiệm vụ thất bại, có lỗi xảy ra. State chuyển thành rejected, kết quả trả về là error.

Promise sẽ giải quyết vấn đề Callback Hell (khi hàm .then() trả về một Promise). Về bản chất, callback vẫn được sử dụng, nhưng với cú pháp rõ ràng hơn khi chain các đoạn code bất đồng bộ.

Ví dụ trên được viết lại, sử dụng Promise

function getName(name) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    setTimeout(
      () => {
        console.log(name);
        resolve();
      }, Math.floor(Math.random() * 100) + 1)
  })
}

getName() sẽ trả về một Promise.

function getAll() {
  getName("Hoa")
  .then(() => {
    return getName("Moc");
  })
  .then(() => {
    return getname("Lan");
  })
  .catch(error => {
    console.log(error);
  });
}
getAll();

Nó được gọi là một Promise Chain. getName() sẽ trả về một Promise và được gửi tới hàm getName() tiếp theo trong chuỗi.

Chúng ta có một cách trình bày khác, sử dụng chức năng của các dấu =>

function getAll() {
  getName("Hoa")
  .then(() => getName("Moc"))
  .then(() => getName("Lan"))
  .catch(error => {
	console.log(error);
  });
}
getAll();

3.3. async/await - ES8/ES2017

async/await là một cơ chế giúp thực hiện các thao tác bất đồng bộ một cách trông tuần tự hơn, nó giúp Promise đơn giản, dễ hiểu và tránh được phải chain .then() quá nhiều.

async là từ khóa để khai báo hàm xử lý các hàm bất đồng bộ, nó sẽ chờ các hàm này hoàn thành rồi mới bắt đầu thực hiện. Hàm bất đồng bộ sẽ được khai báo với từ khóa await và phải trả về một Promise. Một lưu ý nhỏ, await không thể sử dụng được ở mức global.

async function getAll() {
  await getName("Hoa");
  await getName("Moc");
  await getName("Lan");
}
getAll();

Với cách trình bày như trên, chúng ta có thể thực hiện thêm nhiều request nữa mà cấu trúc chương trình vẫn sẽ rõ ràng.

Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng try/catch trong phạm vi async khi bắt lỗi với async/await.

async function getAll() {
  try {
 	await getName("Hoa");
 	await getName("Moc");
  	await getName("Lan");
  }
  catch (error) {
	console.log(error);
  }
  finally {
     // anything you want
  }
}
getAll();

finally() nhận một hàm đầu vào và sẽ thực hiện dù cho Promise trước nó có thành công hay bị lỗi.

async/await có thể làm cho code trông đồng bộ hơn nhưng bản chất nó vẫn được thực hiện theo cách tương tự như khi chúng ta sử dụng callback hay Promise. Các hoạt động I/O bất đồng bộ vẫn sẽ được xử lý song song và code xử lý các response bất đồng bộ vẫn sẽ không được thực hiện cho đến khi hoạt động bất đồng bộ đó có kết quả. Ngoài ra, mặc dù là sử dụng async/await, nhưng là giải quyết nó như một Promise ở mức cao nhất của chương trình. Bởi vì async và await chỉ là cú pháp (syntactical sugar) để tự động creating, returning và resolving Promise mà thôi.

4. Nên sử dụng callback, Promise hay async/await?

Đây là một số quy tắc có thể sử dụng khi lựa chọn cơ chế nào để xử lý bất đồng bộ.

• Chỉ nên sử dụng callback khi có 2,3 function lồng nhau, tránh Callback Hell.
• async/await có lẽ là cách viết code tốt nhất, ngắn và rõ ràng khi thực hiện bất đồng bộ, và không thể sử dụng với callback thuần.
• async/await cũng giống Promise, là non-blocking.
• Không thể đặt breakpoint trong arrow function trả về expression của Promise.
• Promise và async/await không hoàn toàn thay thế mà là hỗ trợ lẫn nhau. Hàm async trả về một Promise. Ngược lại cũng đúng. Mọi function trả về một Promise cũng có thể được coi là async function.
• await được sử dụng để gọi một hàm async và chờ nó resolve hoặc reject. await chặn việc thực thi code trong hàm async chứa nó. Và await nên được sử dụng khi output của function sau phụ thuộc vào output của function trước nó.
• Tạo hai hàm async khác nhau, chạy chúng song song nếu chúng có thể chạy song song độc lập với nhau.
• Nếu chạy song song các Promise thì cần tạo một mảng các Promise và phải sử dụng Promise.all(promisesArray).
• Mỗi khi sử dụng await phải nhớ rằng bạn đang viết mã chặn, chúng ta thường quên mất điều này.
• Thay vì tạo các hàm async lớn có nhiều await, thì chúng ta nên tạo các hàm async nhỏ hơn, hạn chế viết quá nhiều code chặn.
• Một lợi ích khi sử dụng các hàm async nhỏ hơn đó là chúng ta buộc phải quyết định các hàm async nào có thể chạy song song.
• Nếu code có chứa mã chặn, hãy sử dụng async function.

Do vậy, câu trả lời là tùy từng trường hợp thực tế mà chúng ta sẽ có sự lựa chọn phù hợp nhé.

5. Tham khảo

• Getting to know asynchronous JavaScript: Callbacks, Promises and Async/Await
• Callbacks, Promises and Async/Await
• Xử lý bất đồng bộ với callback, promise, async/await