Flutter 异步编程 - 捌 | 计算耗时？ Isolate 来帮忙

Posted 2022-12-08 嘴巴吃糖了

一、问题引入 - 计算密集型任务

假如现在有个需求，我想要计算 1 亿 个 1~10000 间随机数的平均值，在界面上显示结果，该怎么办?
可能有小伙伴踊跃发言：这还不简单，生成 1 亿 个随机数，算呗。

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1. 搭建测试场景

如下，写个简单的测试界面，界面中有计算结果和耗时的信息。点击运行按钮，触发 _doTask 方法进行运算。计算完后将结果展示出来：

代码详见： 【async/isolate/01】

void _doTask() 
  int sum = 0;
  int startTime = DateTime.now().millisecondsSinceEpoch;
  for(int i = 0;i<count;i++)
    sum += random.nextInt(10000);
  
  int endTime = DateTime.now().millisecondsSinceEpoch;
  result = sum/count;
  cost =  endTime - startTime;
  setState(() );

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可以看到，这样是可以实现需求的，总耗时在 8.5 秒左右。细心的朋友可能会发现，在点击按键触发 _doTask 时，FloatingActionButton 的水波纹并没有出现，仿佛是卡死一般。为了应证这点，我们再进行一个对比实验。

请点击前	请点击后

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2. 计算耗时阻塞

如下所示，我们让 CupertinoActivityIndicator 一直处于运动状态，作为界面 未被卡死 的标志。当点击运行时，可以看出指示器被卡住了, 再点击按钮也没有任何的水波纹反映，这说明：

计算的耗时任务会阻塞 Dart 的线程，界面因此无法有任何响应。

未执行前	执行前后

Row(
  mainAxisAlignment: MainAxisAlignment.center,
  children: const [Text("动画指示器示意: "), CupertinoActivityIndicator()],
),

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3. 计算耗时阻塞的解决方案

有人说，用异步的方式触发 _doTask 呗，比如用 Future 和 scheduleMicrotask 包一下，或 Stream 异步处理。有这个想法的人可以试一试，如果你看懂前面几篇看到了原理，就知道是不可行的，这些工具只不过是回调包装而已。只要计算的任务仍是 Dart 在单线程中处理的，就无法避免阻塞。现在的问题相当于：

一个人无法同时做 洗漱 和 扫地 的任务。

一旦阻塞，界面就无法有任何响应，自然也无法展示加载中的动画，这对于用户体验来说是极其糟糕的。那如何让计算密集型的耗时任务，在处理时不阻塞呢？ 我们可以好好品味一下这句话：

这句话言外之意给出了两种解决方案：

【1】. 将计算密集型的耗时任务，从 Dart 端剥离，交由 其他机体 来处理。
【2】. 在 Dart 中通过 多线程 的方式处理，从而不阻塞主线程。

方式一其实很好理解，比如耗时的任务交由服务端来完成，客户端通过 接口请求 ，获取响应结果。这样计算型的密集任务，对于 Flutter 而言，就转换成了一个网络的 IO 任务。或者通过 插件 的方式，将计算的耗时任务交由平台来通过多线程处理，而 Dart 端只需要通过回调处理即可，也不会阻塞。

方式一处理的本质上都是将计算密集型的任务转移到其他机体中，从而让 Dart 避免处理计算密集型的耗时任务。这种方式需要其他语言或后端的支持，想要实现是有一定门槛的。那如何直接在 Flutter 中，通过 Dart 语言处理计算密集型的任务呢？

这就是我们今天的主角: Isolate 。 可能很多人潜意识里 Dart 是单线程模型，无法通过多线程的处理任务，这种认知就狭隘了。其实 Dart 提供了 Isolate, 本质上是通过 C++ 创建线程，隔离出另一份区间来通过 Dart 处理任务。它相当于线程的一种上层封装，屏蔽了很多内部细节，可以通过 Dart 语言直接操作。

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二、从 compute 函数认识 Isolate

首先，我们通过 compute 函数认识一下计算密集型的耗时任务该如何处理。 compute 函数字如其名，用于处理计算。只要简单看一下，就知道它本身是 Isolate 的一个简单的封装使用方式。它作为全局函数被定义在 foundation/isolates.dart 中：

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1. 认识 compute 函数

既然是函数，那使用时就非常简单，调用就行了。关于函数的调用，比较重要的是 入参 、返回值 和 泛型。从上面函数定义中可以看出，它就是 isolate 包中的 compute 函数, 其中泛型有两个 Q 和 R ,返回值是 R 泛型的 Future 对象，很明显该泛型表示结果 Result；第二入参是 Q 泛型的 message ，表示消息类型；第三入参是可选参数，用于调试时的标签。

---->[_isolates_io.dart#compute]----
/// The dart:io implementation of [isolate.compute].
Future<R> compute<Q, R>(
    isolates.ComputeCallback<Q, R> callback, 
    Q message, 
     String? debugLabel ) 
async 

看到这里，很自然地就可以想到，这里第一参中传入的 callback 就是计算任务，它将被在其他的 isolate 中被执行，然后返回计算结果。下面我们来看一下在当前场景下的使用方式。在此之前，先封装一下返回的结果。通过 TaskResult 记录结果，作为 compute 的返回值：

代码详见： 【async/isolate/02_compute】

class TaskResult 
  final int cost;
  final double result;

  TaskResult(required this.cost, required this.result);

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2. compute 函数的使用

在 compute 方法在传入两个参数，其一是 _doTaskInCompute ，也就是计算的耗时任务，其二是传递的信息，这里不需要，传空值字符串。虽然方法的泛型可以不传，但严谨一些的话，可也以把泛型加上，这样可读性更好一些：

void _doTask() async 
  TaskResult taskResult = await compute<String, TaskResult>(
      _doTaskInCompute, '',
      debugLabel: "task1");
  setState(() 
    result = taskResult.result;
    cost = taskResult.cost;
  );

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对于 compute 而言，传入的回调有一个非常重要的注意点:

函数必须是 静态函数 或者 全局函数

static Random random = Random();

static Future<TaskResult> _doTaskInCompute(String arg) async 
  int count = 100000000;
  double result = 0;
  int cost = 0;
  int sum = 0;
  int startTime = DateTime.now().millisecondsSinceEpoch;
  for (int i = 0; i < count; i++) 
    sum += random.nextInt(10000);
  
  int endTime = DateTime.now().millisecondsSinceEpoch;
  result = sum / count;
  cost = endTime - startTime;
  return TaskResult(
    result: result,
    cost: cost,
  );

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下面看一下用和不用 compute 处理的效果差异，如下左图是使用 compute 的效果，在进行计算的同时指示器的动画仍在运动，桌面计算操作并未影响主线程，界面仍可以触发响应，这就和前面产生了鲜明的对比。

用 compute	不用 compute

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3. 理解 compute 的作用

如下，在 _doTaskInCompute 中打断点调试一下，可以看出此时除了 main 还有一个 task1 的栈帧。此时断点停留在新帧中， main 仍处于运行状态：

这就相当于计算任务不想自己处理，找另外一个人来做。每块处理任务的单元，就可以视为一个 isolate。它们之间的信息数据在内存中是不互通的，这也是为什么起名为 隔离 isolate 的原因。 这种特性能非常有效地避免多线程中操作同一内存数据的风险。 但同时也需要引入一个 通信机制 来处理两个 isolate 间的通信。

其实这和 客户端 - 服务端 的模型非常相似，通过 发送端 SendPort 发送消息，通过接收端 RawReceivePort 接收消息。从 compute 方法的源码中可以简单地看出，其本质是通过 Isolate.spawn 实现的 Isolate 创建。

这里有个小细节要注意，通过多次测试发现 compute 中的计算耗时要普遍高于主线程中的耗时。这并不是说新建的 isolate 在计算能力上远小于 主 isolate, 毕竟这里是 1 亿 次的计算，任何微小的细节都将被放大 1 亿 倍。这里的关注点应在于 新 isolate 可以独立于 主 isolate 运行，并且可以通过通信机制将结果返回给 主 isolate 。

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4. compute 参数传递与多个 isolate

如果是大量的相互独立的计算耗时任务，可以开启多个 isolate 共同处理，最后进行结果汇总。比如这里 1 亿 次的计算，我们可以开 2 个 isolate , 分别处理 5000 万 个计算任务。如下所示，总耗时就是 6 秒左右。当然创建 isolate 也是有资源消耗的，并不是说创建 100 个就能把耗时降低 100 倍。

关于传参非常简单，compute 第一泛型是参数类型，这里可以指定 int类型作为 _doTaskInCompute 任务的入参，指定计算的次数。这里通过两个 compute 创建两个 isolate 同时处理 5000 万 个随机数的的平均值，来模拟那些相互独立的任务：

代码详见： 【async/isolate/03_compute】

最后通过 Future.await 对多个异步任务进行结果汇总，示意图如下，这样就相当于又开了一个 isolate 进行处理计算任务：

对于 isolate 千万不要盲目使用，一定要认清当前任务是否真有必要使用。比如几百微秒就能处理完成的任务，用 isolate 就是拿导弹打蚊子。或者那些并非由 Dart 端处理的 IO 密集型 任务，用 isolate 就相当于你打开了烧水按钮，又找来一个人专门看着烧水的过程。这种多此一举的行为，都是对于异步不理解的表现。

一般而言，客户端中并没有太多需要处理复杂计算的场景，只有一些特定场景的软件，比如需要进行大量的文字解析、复杂的图片处理等。

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三、分析 compute 函数的源码实现

到这可能有人觉得，新开一个 isolate好简单啊，compute 函数处理一下就好啦。但是，简单必然有简单的 局限性，仔细思考一下，会发现 compute 函数有个缺陷：它只会 "闷头干活"，只有任务完成才会通过 Future 通知 main isolate 。

也就是说，对于 UI 界面来说无法无法感知到 任务执行进度 信息，处理展示 计算中... 之外没什么能干的。这在某些特别耗时的场景中会造成用户的等待焦虑，我们需要让干活的 isolate 抽空通知一下 main isolate，所以对 isolate 之间的通信方式，是有必要了解的。

既然 compute 在完成任务时可以进行一次通信，那么就可以从 compute 函数的源码中去分析这种通信的方式。

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1. 接收端口的创建与处理器设置

如下所示，在一开始会创建一个 Flow 对象，从该对象的成员中可以看出，它只负责维护两个整型 id 和 _type 的数值信息。接下来会创建 RawReceivePort 对象，是不是有点眼熟？

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还记得那个经常在面前晃的 _RawRecivePortImpl类吗？ RawReceivePort 的默认工厂构造方法创建的就是 _RawReceivePortImpl 对象，如下代码所示：

---->[isolate_patch.dart/RawReceivePort]----
@patch
class RawReceivePort 
  @patch
  factory RawReceivePort([Function? handler, String debugName = '']) 
    _RawReceivePortImpl result = new _RawReceivePortImpl(debugName);
    result.handler = handler;
    return result;
  

---

接下来，会创建一个 Completer 对象，并在为 port 设置信息的 handler 处理器，在处理回调中触发 completer#complete 方法，表示异步任务完成。也就是说处理器接收信息之时，就是 completer 中异步任务完成之日。

如果不知道 Completer 和接收端口设置 handler 是干嘛的，可以分别到 【第五篇·第二节】 和 【第六篇·第一节】 温故，这里就不赘述了。

---->[_isolates_io.dart#compute]----
final Completer<dynamic> completer = Completer<dynamic>();
port.handler = (dynamic msg) 
  timeEndAndCleanup();
  completer.complete(msg);
;

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2. 认识 Isolate.spawn 方法

接下来会触发 Isolate.spawn 方法，该方法是生成 isolate 的核心。其中传入的 回调 callback 和 消息 message 以及发送的端口 SendPort 会组合成 _IsolateConfiguration 作为第二参数：

通过 Isolate.spawn 方法的定义可以看出，第一参是一个入口函数，第二参是函数入参。所以上面红框中的对象将作为 _spawn 函数的入参。从这里可以看出第一参 _spawn 函数应该是在新 isolate 中执行的。

external static Future<Isolate> spawn<T>(
    void entryPoint(T message), T message,
    bool paused = false,
    bool errorsAreFatal = true,
    SendPort? onExit,
    SendPort? onError,
    @Since("2.3") String? debugName);

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下面是在耗时任务中打断点的效果，其中很清晰地展现出 _spawn 方法到 _doTaskInCompute 的过程。

如下，是 _spawn 的处理流程，上面的调试发生在 127 行，此时触发回调方法，获取结果。然后在关闭 isolate 时，将结果发送出去，流程其实并不复杂。

有一个小细节，结果通过 _buildSuccessResponse 方法处理了一下，关闭时发送的消息是列表，后期会根据列表的长度判断任务处理的正确性。

List<R> _buildSuccessResponse<R>(R result) 
  return List<R>.filled(1, result);

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3. 异步任务的结束

从前面测试中可以知道 compute 函数返回值是一个泛型为结果的 Future 对象，那这个返回值是什么呢？如下可以看出当结果列表长度为 1 表示任务成功完成，返回 completer 任务结果的首元素：

再结合 completer 触发 complete 完成的时机，就不难知道。最终的结果是由接收端接收到的信息，调试如下：

也就是说，isolate 关闭时发送的信息，将会被 接收端的处理器 监听到。这就是 compute 函数源码的全部处理逻辑，总的来看还是非常简单的。就是，使用 Completer ，基于 Isolate.spawn 的简单封装，屏蔽了用户对 RawReceivePort 的感知，从而简化使用。

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四、Isolate 发送和接收消息的使用

通过 compute 函数我们知道 isoalte 之间有着一套消息 发送 - 监听 的机制。我们可以利用这个机制在某些时刻发送进度消息传给 main isolate，这样 UI 界面中就可以展示出 耗时任务 的进度。如下所示，每当 100 万次 计算时，发送消息通知 main isolate :

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1. 使用 Isolate.spawn

compute 函数为了简化使用，将 发送 - 监听 的处理封装在了内部，用户无法操作。使用为了能使用该功能，我们可以主动来使用 Isolate.spawn 。如下所示，创建 RawReceivePort，并设置 handler 处理器器，这里通过 handleMessage 函数来单独处理。

代码详见： 【async/isolate/04_spawn】

然后调用 Isolate.spawn 来开启新 isolate，其中第一参是在新 isolate 中处理的耗时任务，第二参是任务的入参。这里将发送端口传入 _doTaskInCompute 方法，以便发送消息：

void _doTask() async 
  final receivePort = RawReceivePort();
  receivePort.handler = handleMessage;
  await Isolate.spawn(
    _doTaskInCompute,
    receivePort.sendPort,
    onError: receivePort.sendPort,
    onExit: receivePort.sendPort,
  );

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2. 通过端口发送消息

SendPort 传入 _doTaskInCompute 中，如下 tag1 处，可以每隔 1000000 次发送一次进度通知。在任务完成后，使用 Isolate.exit 方法关闭当前 isolate 并发送结果数据。

static void _doTaskInCompute(SendPort port) async 
  int count = 100000000;
  double result = 0;
  int cost = 0;
  int sum = 0;
  int startTime = DateTime.now().millisecondsSinceEpoch;
  for (int i = 0; i < count; i++) 
    sum += random.nextInt(10000);
    if (i % 1000000 == 0)  // tag1
      port.send(i / count);
    
  
  int endTime = DateTime.now().millisecondsSinceEpoch;
  result = sum / count;
  cost = endTime - startTime;
  Isolate.exit(port, TaskResult(result: result, cost: cost));

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3. 通过接收端处理消息

接下来只要在 handleMessage 方法中处理发送端传递的消息即可，可以根据消息的类型判断是什么消息，比如这里如果是 double 表示是进度，通知 UI 更新进度值。另外，如果不同类型的消息非常多，也可以自己定义一套发送结果的规范方便处理。

void handleMessage(dynamic msg) 
  print("=========$msg===============");
  if (msg is TaskResult) 
    progress = 1;
    setState(() 
      result = msg.result;
      cost = msg.cost;
    );
  
  if (msg is double) 
    setState(() 
      progress = msg;
    );
  

---

其实学会了如何通过 Isolate.spawn 处理计算耗时任务，以及通过 SendPort-RawReceivePort 处理 发送 - 监听 消息，就能满足绝大多数对 Isolate 的使用场景。如果不需要在任务执行过程中发送通知，使用 compute 函数会方便一些。最后还是要强调一点，不要滥用 Isolate ，使用前动动脑子，思考一下是否真的是计算耗时任务，是否真的需要在 Dart 端来完成。开一个 isolate 至少要消耗 30 kb：

作者：张风捷特烈
链接：https://juejin.cn/post/7163431846783483912

最后

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