協(xié)程

大家如果已經(jīng)使用Kotlin語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)液走，對(duì)協(xié)程這個(gè)概念應(yīng)該不會(huì)很陌生烂完。雖然在網(wǎng)上有很多Kotlin協(xié)程相關(guān)的文章设哗，但當(dāng)我開(kāi)始準(zhǔn)備使用的時(shí)候，還是有如下幾個(gè)疑慮舶胀。

1. 協(xié)程到底能夠解決什么樣的問(wèn)題概说？
2. 協(xié)程和我們常用的Executor、RxJava有什么區(qū)別嚣伐？
3. 項(xiàng)目上使用有什么風(fēng)險(xiǎn)嗎糖赔？

接下來(lái)就帶著這幾個(gè)問(wèn)題一起來(lái)揭開(kāi)協(xié)程神秘的面紗。

如何使用

關(guān)于協(xié)程轩端，我在網(wǎng)上看到最多的說(shuō)法是協(xié)程是輕量級(jí)的線程放典。那么協(xié)程首先應(yīng)該解決的問(wèn)題就是程序中我們常常遇到的 “異步” 的問(wèn)題。我們看看官網(wǎng)介紹的幾個(gè)使用例子。

依賴(lài)

implementation 'org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-core:1.3.3'
implementation 'org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-android:1.3.3'

入門(mén)

import kotlinx.coroutines.*

fun main() {
    GlobalScope.launch { // 在后臺(tái)啟動(dòng)一個(gè)新的協(xié)程并繼續(xù)
        delay(1000L)
        println("World!")
    }
    println("Hello,") // 主線程中的代碼會(huì)立即執(zhí)行
    runBlocking {     // 但是這個(gè)表達(dá)式阻塞了主線程
        delay(2000L)  // ……我們延遲 2 秒來(lái)保證 JVM 的存活
    } 
}

掛起函數(shù)

suspend fun doSomethingUsefulOne(): Int {
    delay(1000L) // 假設(shè)我們?cè)谶@里做了一些有用的事
    return 13
}

suspend fun doSomethingUsefulTwo(): Int {
    delay(1000L) // 假設(shè)我們?cè)谶@里也做了一些有用的事
    return 29
}

val time = measureTimeMillis {
    val one = doSomethingUsefulOne()
    val two = doSomethingUsefulTwo()
    println("The answer is ${one + two}")
}
println("Completed in $time ms")

結(jié)果:

The answer is 42
Completed in 2015 ms

使用 async 并發(fā)

val time = measureTimeMillis {
    val one = async { doSomethingUsefulOne() }
    val two = async { doSomethingUsefulTwo() }
    println("The answer is ${one.await() + two.await()}")
}
println("Completed in $time ms")

結(jié)果:

The answer is 42
Completed in 1017 ms

單元測(cè)試

class MyTest {
    @Test
    fun testMySuspendingFunction() = runBlocking<Unit> {
        // 這里我們可以使用任何喜歡的斷言風(fēng)格來(lái)使用掛起函數(shù)
    }
}

更新詳細(xì)的使用可參考官網(wǎng)示例

為何使用

既然已經(jīng)有這么多異步處理的框架奋构，那我們?yōu)楹芜€要使用協(xié)程壳影。這里舉個(gè)例子，看看對(duì)同個(gè)需求弥臼，不同異步框架的處理方式宴咧。

現(xiàn)在有一個(gè)產(chǎn)品需求，生成一個(gè)二維碼在頁(yè)面展示給用戶(hù)径缅。我們來(lái)對(duì)比看看不同的做法掺栅。

Thread

Thread(Runnable {
        try {
            val qrCode: Bitmap =
            CodeCreator.createQRCode(this@ShareActivity, SHARE_QR_CODE)
            runOnUiThread { 
                img_qr_code.setImageBitmap(qrCode)
                }
            } catch (e: WriterException) {
                e.printStackTrace()
            }
        }).start()
    }

Executors

Executors.newSingleThreadExecutor().execute {
        try {
            val qrCode: Bitmap =
            CodeCreator.createQRCode(this@ShareActivity, SHARE_QR_CODE)
            runOnUiThread {
                img_qr_code.setImageBitmap(qrCode)
            }
        } catch (e: WriterException) {
            e.printStackTrace()
        }
    }

RxJava

Observable.just(SHARE_QR_CODE)
        .map(new Function<String, Bitmap>() {
            @Override
            public Bitmap apply(String s) throws Exception {
                return CodeCreator.createQRCode(ShareActivity.this, s);
            }
        })
        .subscribe(new Consumer<Bitmap>() {
            @Override
            public void accept(Bitmap bitmap) throws Exception {
                img_qr_code.setImageBitmap(bitmap);
            }
        });

Koroutine

 val job = GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) {
            val bitmap = CodeCreator.createQRCode(ShareActivity.this, SHARE_QR_CODE)
            launch(Dispatchers.Main) {
                img_qr_code.setImageBitmap(bitmap)
            }
        }
}

通過(guò)這個(gè)例子，可以看出使用協(xié)程的非常方便解決 "異步回調(diào)" 問(wèn)題纳猪。
相比傳統(tǒng)的Thread及Excutors氧卧，RxJava將嵌套回調(diào)轉(zhuǎn)換成鏈?zhǔn)秸{(diào)用的形式，提高了代碼可讀性兆旬。協(xié)程直接將鏈?zhǔn)秸{(diào)用轉(zhuǎn)換成了協(xié)程內(nèi)的順序調(diào)用假抄，"代碼更加精簡(jiǎn)"。

性能

官網(wǎng)上對(duì)于協(xié)程的有一句介紹丽猬。

本質(zhì)上宿饱，協(xié)程是輕量級(jí)的線程

那么協(xié)程的執(zhí)行效率到底怎么樣呢？下面我們采用官網(wǎng)的示例在相同的環(huán)境和設(shè)備下做下對(duì)比脚祟。

啟動(dòng)了 1000個(gè)協(xié)程谬以，并且為每個(gè)協(xié)程都輸出一個(gè)點(diǎn)

Coroutine

  var startTime = System.currentTimeMillis()
            repeat(times) { i -> // 啟動(dòng)大量的協(xié)程
                GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) {
                    Log.d(this@MainActivity.toString(), "$i=.")
                }

            }
            var endTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
            Log.d(this@MainActivity.toString(), "endTime=$endTime")
            

執(zhí)行結(jié)果：endTime=239 ms

Thread

 var startTime = System.currentTimeMillis()
            repeat(times) { i ->// 啟動(dòng)大量的線程
                Thread(Runnable {
                    Log.d(this@MainActivity.toString(), "$i=.")
                }).start()
            }
            var endTime = System.currentTimeMillis() - startTime;

執(zhí)行結(jié)果：endTime=3161 ms

Excutors

 var startTime = System.currentTimeMillis()
            var executors = Executors.newCachedThreadPool()
            repeat(times) { i -> // 使用線程池
                executors.execute {
                    Log.d(this@MainActivity.toString(), "$i=.")
                }
            }
            var endTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
            Log.d(this@MainActivity.toString(), "endTime=$endTime")

執(zhí)行結(jié)果：endTime=143 ms

rxjava

      var startTime = System.currentTimeMillis()
            repeat(times) { i -> // 啟動(dòng)Rxjava
                Observable.just("").subscribeOn(Schedulers.io())
                        .subscribe {
                            Log.d(this@MainActivity.toString(), "$i=.")
                        }
            }
            var endTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
            Log.d(this@MainActivity.toString(), "endTime=$endTime")

執(zhí)行結(jié)果：endTime=241 ms

源碼工程：CorountineTest

Profiler

利用AS自帶的Profiler對(duì)運(yùn)行時(shí)的CPU狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，我們可以看到Thread對(duì)CPU的消耗比較大由桌，Koroutine为黎、Executor、RxJava的消耗基本差不多行您。

image

總結(jié)

從執(zhí)行時(shí)間和Profiler上看铭乾，Coroutine比使用Thread性能提升了一個(gè)量級(jí)，但與Excutor和RxJava性能是在一個(gè)量級(jí)上娃循。

注意這里的例子為了簡(jiǎn)便炕檩，因?yàn)楫惒綀?zhí)行的時(shí)間基本和repeat的時(shí)間差不多，我們沒(méi)有等所有異步執(zhí)行完再打印時(shí)間捌斧，這里們不追求精確的時(shí)間笛质，只為做量級(jí)上的對(duì)比。

實(shí)現(xiàn)機(jī)制

協(xié)程底層異步實(shí)現(xiàn)機(jī)制

我們先來(lái)看一段簡(jiǎn)單的Kotlin程序捞蚂。

GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) {
            print("hello world")
        }

我們接著看下launch的實(shí)現(xiàn)代碼妇押。

public fun CoroutineScope.launch(
    context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
    start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
    block: suspend CoroutineScope.() -> Unit
): Job {
    val newContext = newCoroutineContext(context)
    val coroutine = if (start.isLazy)
        LazyStandaloneCoroutine(newContext, block) else
        StandaloneCoroutine(newContext, active = true)
    coroutine.start(start, coroutine, block)
    return coroutine
}

這里注意，我們通過(guò)追蹤最后的繼承關(guān)系發(fā)現(xiàn)姓迅，DefaultScheduler.IO最后也是一個(gè)CoroutineContext敲霍。

接著發(fā)現(xiàn)繼續(xù)看coroutine.start的實(shí)現(xiàn)俊马，如下：

 public fun <R> start(start: CoroutineStart, receiver: R, block: suspend R.() -> T) {
        initParentJob()
        start(block, receiver, this)
    }

接著繼續(xù)看CoroutineStart的start策略，如下：

  @InternalCoroutinesApi
    public operator fun <T> invoke(block: suspend () -> T, completion: Continuation<T>) =
        when (this) {
            CoroutineStart.DEFAULT -> block.startCoroutineCancellable(completion)
            CoroutineStart.ATOMIC -> block.startCoroutine(completion)
            CoroutineStart.UNDISPATCHED -> block.startCoroutineUndispatched(completion)
            CoroutineStart.LAZY -> Unit // will start lazily
        }

繼續(xù)看startCoroutineCancellable方法肩杈，如下：

@InternalCoroutinesApi
public fun <T> (suspend () -> T).startCoroutineCancellable(completion: Continuation<T>) = runSafely(completion) {
    createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted().resumeCancellableWith(Result.success(Unit))
}

繼續(xù)看resumeCancellableWith方法實(shí)現(xiàn)：

@InternalCoroutinesApi
public fun <T> Continuation<T>.resumeCancellableWith(result: Result<T>) = when (this) {
    is DispatchedContinuation -> resumeCancellableWith(result)
    else -> resumeWith(result)
}

最后發(fā)現(xiàn)調(diào)用的resumeCancellableWith方法實(shí)現(xiàn)如下：

   inline fun resumeCancellableWith(result: Result<T>) {
        val state = result.toState()
        if (dispatcher.isDispatchNeeded(context)) {
            _state = state
            resumeMode = MODE_CANCELLABLE
            dispatcher.dispatch(context, this)
        } else {
            executeUnconfined(state, MODE_CANCELLABLE) {
                if (!resumeCancelled()) {
                    resumeUndispatchedWith(result)
                }
            }
        }
    }

這里關(guān)鍵的觸發(fā)方法在這個(gè)地方

dispatcher.dispatch(context, this)

我們看 DefaultScheduler.IO最后的dispatch方法：

    override fun dispatch(context: CoroutineContext, block: Runnable): Unit =
        try {
            coroutineScheduler.dispatch(block)
        } catch (e: RejectedExecutionException) {
            DefaultExecutor.dispatch(context, block)
        }

這里我們最終發(fā)現(xiàn)是調(diào)用了CoroutineScheduler的dispatch方法潭袱，繼續(xù)看CoroutineScheduler的實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，CoroutineScheduler繼承了Executor锋恬。

通過(guò)dispatch的調(diào)用最后可以發(fā)現(xiàn)CoroutineScheduler其實(shí)就是對(duì)Worker的調(diào)度屯换，我們看看Worker的定義。

internal inner class Worker private constructor() : Thread()

通過(guò)這里我們發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)老朋友Thread与学，所以到這里也符合上面性能驗(yàn)證的測(cè)試結(jié)果彤悔。

到這里我們也有結(jié)論了，協(xié)程異步實(shí)現(xiàn)機(jī)制本質(zhì)也就是自定義的線程池索守。

非阻塞式掛起 suspend

suspend有什么作用晕窑，如何做到異步不用回調(diào)？下面先定義一個(gè)最簡(jiǎn)單的suspend方法卵佛。

    suspend fun hello(){
        delay(100)
        print("hello world")
    }

通過(guò)Kotlin Bytecode轉(zhuǎn)換為java 代碼如下：

@Nullable
   public final Object hello(@NotNull Continuation $completion) {
      Object $continuation;
      label20: {
         if ($completion instanceof <undefinedtype>) {
            $continuation = (<undefinedtype>)$completion;
            if ((((<undefinedtype>)$continuation).label & Integer.MIN_VALUE) != 0) {
               ((<undefinedtype>)$continuation).label -= Integer.MIN_VALUE;
               break label20;
            }
         }

         $continuation = new ContinuationImpl($completion) {
            // $FF: synthetic field
            Object result;
            int label;
            Object L$0;

            @Nullable
            public final Object invokeSuspend(@NotNull Object $result) {
               this.result = $result;
               this.label |= Integer.MIN_VALUE;
               return Test.this.hello(this);
            }
         };
      }

      Object $result = ((<undefinedtype>)$continuation).result;
      Object var6 = IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED();
      switch(((<undefinedtype>)$continuation).label) {
      case 0:
         ResultKt.throwOnFailure($result);
         ((<undefinedtype>)$continuation).L$0 = this;
         ((<undefinedtype>)$continuation).label = 1;
         if (DelayKt.delay(100L, (Continuation)$continuation) == var6) {
            return var6;
         }
         break;
      case 1:
         Test var7 = (Test)((<undefinedtype>)$continuation).L$0;
         ResultKt.throwOnFailure($result);
         break;
      default:
         throw new IllegalStateException("call to 'resume' before 'invoke' with coroutine");
      }

      String var2 = "hello world";
      boolean var3 = false;
      System.out.print(var2);
      return Unit.INSTANCE;
   }

這里首先我們發(fā)現(xiàn)方法的參數(shù)多了一個(gè)Continuation completion并且內(nèi)部回定義一個(gè) Object continuation杨赤，看看Continuation的定義。

@SinceKotlin("1.3")
public interface Continuation<in T> {
    /**
     * The context of the coroutine that corresponds to this continuation.
     */
    public val context: CoroutineContext

    /**
     * Resumes the execution of the corresponding coroutine passing a successful or failed [result] as the
     * return value of the last suspension point.
     */
    public fun resumeWith(result: Result<T>)
}

這是一個(gè)回調(diào)接口截汪，里面有一個(gè)關(guān)鍵的方法為resumeWith疾牲。 這個(gè)方法的具體調(diào)用通過(guò)上面的協(xié)程調(diào)用流程可以知道 ，在DispatchedContinuation的resumeCancellableWith會(huì)觸發(fā)衙解。

public fun <T> Continuation<T>.resumeCancellableWith(result: Result<T>) = when (this) {
    is DispatchedContinuation -> resumeCancellableWith(result)
    else -> resumeWith(result)
}

那么resumeWith里面做了那些事情阳柔？我們看下具體的實(shí)現(xiàn)在ContinuationImpl的父類(lèi)BaseContinuationImpl中。

 public final override fun resumeWith(result: Result<Any?>) {
        // This loop unrolls recursion in current.resumeWith(param) to make saner and shorter stack traces on resume
        var current = this
        var param = result
        while (true) {
            // Invoke "resume" debug probe on every resumed continuation, so that a debugging library infrastructure
            // can precisely track what part of suspended callstack was already resumed
            probeCoroutineResumed(current)
            with(current) {
                val completion = completion!! // fail fast when trying to resume continuation without completion
                val outcome: Result<Any?> =
                    try {
                        val outcome = invokeSuspend(param)
                        if (outcome === COROUTINE_SUSPENDED) return
                        Result.success(outcome)
                    } catch (exception: Throwable) {
                        Result.failure(exception)
                    }
                releaseIntercepted() // this state machine instance is terminating
                if (completion is BaseContinuationImpl) {
                    // unrolling recursion via loop
                    current = completion
                    param = outcome
                } else {
                    // top-level completion reached -- invoke and return
                    completion.resumeWith(outcome)
                    return
                }
            }
        }
    }

首先我們發(fā)現(xiàn)這里其實(shí)是一個(gè)遞歸的循環(huán)蚓峦，并且會(huì)調(diào)用invokeSuspend方法觸發(fā)實(shí)際的調(diào)用舌剂，等待返回結(jié)果。通過(guò)上面的分析可以看出2點(diǎn)暑椰。

1. 非阻塞是因?yàn)楸旧韱?dòng)一個(gè)協(xié)程也是使用線程池異步執(zhí)行霍转，所以不會(huì)阻塞
2. 協(xié)程并不是沒(méi)有回調(diào)，而是將回調(diào)的接口（Continuation）及調(diào)度代碼在編譯器生成一汽，不用自己編寫(xiě)避消。
3. resumeWith是一個(gè)循環(huán)及遞歸，所以會(huì)將協(xié)程內(nèi)定義的表達(dá)式順序串聯(lián)調(diào)用角虫。達(dá)到掛起及恢復(fù)的鏈?zhǔn)秸{(diào)用沾谓。

總結(jié)

1. 協(xié)程到底能夠解決什么樣的問(wèn)題委造？

• 解決異步回調(diào)嵌套
• 解決異步任務(wù)之間協(xié)作

2. 協(xié)程和我們常用的Executor戳鹅、RxJava有什么區(qū)別？

• 從任務(wù)調(diào)度上看昏兆，本質(zhì)都是線程池的封裝

3. 項(xiàng)目上使用有什么風(fēng)險(xiǎn)嗎枫虏？

• 從性能上看與線程池與RxJava在一個(gè)量級(jí)
• 目前已是穩(wěn)定版本1.3.3，開(kāi)源項(xiàng)目使用多
• 代碼使用簡(jiǎn)便，可維護(hù)性高
• 開(kāi)源生態(tài)支持良好隶债，方便使用（Retrofit腾它、Jitpack已支持）
• 團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)及舊項(xiàng)目改造需要投入一定成本

參考資料

www.kotlincn.net

關(guān)于

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• 作者：黃俊彬
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