深入浅出协程线程和并发问题

Posted 2021-07-14 码农 小生

"协程是轻量级的线程"，相信大家不止一次听到这种说法。但是您真的理解其中的含义吗?恐怕答案是否定的。

接下来的内容会告诉大家协程是如何在 android 运行时中被运行的，它们和线程之间的关系是什么，以及在使用 Java 编程语言线程模型时所遇到的并发问题。

协程和线程

协程旨在简化异步执行的代码。对于 Android 运行时的协程，lambda 表达式的代码块会在专门的线程中执行。例如，示例中的 斐波那契 运算:

// 在后台线程中运算第十级斐波那契数 
someScope.launch(Dispatchers.Default) { 
    val fibonacci10 = synchronousFibonacci(10) 
    saveFibonacciInMemory(10, fibonacci10) 
} 

private fun synchronousFibonacci(n: Long): Long { /* ... */ } 

上面 async 协程的代码块，会被分发到由协程库所管理的线程池中执行，实现了同步且阻塞的斐波那契数值运算，并且将结果存入内存，上例中的线程池属于Dispatchers.Default。

该代码块会在未来某些时间在线程池中的某一线程中执行，具体执行时间取决于线程池的策略。

请注意由于上述代码中未包含挂起操作，因此它会在同一个线程中执行。而协程是有可能在不同的线程中执行的，比如将执行部分移动到不同的分发器，或者在使用线程池的分发器中包含带有挂起操作的代码。

如果不使用协程的话，您还可以使用线程自行实现类似的逻辑，代码如下:

1.  // 创建包含 4 个线程的线程池 
2.  val executorService = Executors.newFixedThreadPool(4) 

4.  // 在其中的一个线程中安排并执行代码 
5.  executorService.execute { 
6.  val fibonacci10 = synchronousFibonacci(10) 
7.  saveFibonacciInMemory(10, fibonacci10) 
8.  } 

虽然您可以自行实现线程池的管理，但是我们仍然推荐使用协程作为 Android 开发中首选的异步实现方案，它具备内置的取消机制，可以提供更便捷的异常捕捉和结构式并发，后者可以减少类似内存泄漏问题的发生几率，并且与 Jetpack 库集成度更高。

工作原理

从您创建协程到代码被线程执行这期间发生了什么呢?当您使用标准的协程 builder 创建协程时，您可以指定该协程所运行的 CoroutineDispatcher，如果未指定，系统会默认使用Dispatchers.Default。

CoroutineDispatcher 会负责将协程的执行分配到具体的线程 。在底层，当 CoroutineDispatcher 被调用时，它会调用封装了 Continuation (比如这里的协程) interceptContinuation 方法来拦截协程。

该流程是以 CoroutineDispatcher 实现了 CoroutineInterceptor 接口作为前提。

如果您阅读了我之前的关于 协程在底层是如何实现 的文章，您应该已经知道了编译器会创建状态机，以及关于状态机的相关信息 (比如接下来要执行的操作) 是被存储在 Continuation 对象中。

一旦 Continuation 对象需要在另外的 Dispatcher 中执行，DispatchedContinuation 的 resumeWith 方法会负责将协程分发到合适的 Dispatcher。

此外，在 Java 编程语言的实现中，继承自 DispatchedTask 抽象类的 DispatchedContinuation 也属于 Runnable 接口的一种实现类型。

因此，DispatchedContinuation 对象也可以在线程中执行。其中的好处是当指定了 CoroutineDispatcher 时，协程就会转换为 DispatchedTask，并且作为 Runnable 在线程中执行。

那么当您创建协程后，dispatch 方法如何被调用呢?当您使用标准的协程 builder 创建协程时，您可以指定启动参数，它的类型是 CoroutineStart。

例如，您可以设置协程在需要的时候才启动，这时可以将参数设置为 CoroutineStart.LAZY。默认情况下，系统会使用 CoroutineStart.DEFAULT 根据 CoroutineDispatcher 来安排执行时机。

△ 协程的代码块如何在线程中执行的示意图

分发器和线程池

您可以使用 Executor.asCoroutineDispatcher() 扩展函数将协程转换为 CoroutineDispatcher 后，即可在应用中的任何线程池中执行该协程。此外，您还可以使用协程库默认的 Dispatchers。

您可以看到 createDefaultDispatcher 方法中是如何初始化 Dispatchers.Default 的。

默认情况下，系统会使用 DefaultScheduler。如果您看一下 Dispatcher.IO 的实现代码，它也使用了 DefaultScheduler，支持按需创建至少 64 个线程。

Dispatchers.Default 和 Dispatchers.IO 是隐式关联的，因为它们使用了同一个线程池，这就引出了我们下一个话题，使用不同的分发器调用 withContext 会带来哪些运行时的开销呢?

线程和 withContext 的性能表现

在 Android 运行时中，如果运行的线程比 CPU 的可用内核数多，那么切换线程会带来一定的运行时开销。上下文切换 并不轻松!操作系统需要保存和恢复执行的上下文，而且 CPU 除了执行实际的应用功能之外，还需要花时间规划线程。

除此之外，当线程中所运行代码阻塞的时候也会造成上下文切换。如果上述的问题是针对线程的，那么在不同的 Dispatchers 中使用 withContext 会带来哪些性能上的损失呢?

还好线程池会帮我们解决这些复杂的操作，它会尝试尽量多地执行任务 (这也是为什么在线程池中执行操作要优于手动创建线程)。协程由于被安排在线程池中执行，所以也会从中受益。

基于此，协程不会阻塞线程，它们反而会挂起自己的工作，因而更加有效。

Java 编程语言中默认使用的线程池是 CoroutineScheduler 。它以最高效的方式将协程分发到工作线程。

由于 Dispatchers.Default 和 Dispatchers.IO 使用相同的线程池，在它们之间切换会尽量避免线程切换。协程库会优化这些切换调用，保持在同一个分发器和线程上，并且尽量走捷径。

由于 Dispatchers.Main 在带有 UI 的应用中通常属于不同的线程，所以协程中 Dispatchers.Default和 Dispatchers.Main 之间的切换并不会带来太大的性能损失，因为协程会挂起 (比如在某个线程中停止执行)，然后会被安排在另外的线程中继续执行。

协程中的并发问题

协程由于其能够简单地在不同线程上规划操作，的确使得异步编程更加轻松。但是另一方面，便捷是一把双刃剑: 由于协程是运行在 Java 编程语言的线程模型之上，它们难以逃脱线程模型所带来的并发问题。因此，您需要注意并且尽量避免该问题。

近年来，像不可变性这样的策略相对减轻了由线程所引发的问题。然而，有些场景下，不可变性策略也无法完全避免问题的出现。所有并发问题的源头都是状态管理!尤其是在一个多线程环境下访问可变的状态。

在多线程应用中，操作的执行顺序是不可预测的。与编译器优化操作执行顺序不同，线程无法保证以特定的顺序执行，而上下文切换会随时发生。如果在访问可变状态时没有采取必要的防范措施，线程就会访问到过时的数据，丢失更新，或者遇到 资源竞争 问题等等。

请注意这里所讨论的可变状态和访问顺序并不仅限于 Java 编程语言。它们在其它平台上同样会影响协程执行。

使用了协程的应用本质上就是多线程应用。使用了协程并且涉及可变状态的类必须采取措施使其可控，比如保证协程中的代码所访问的数据是最新的。

这样一来，不同的线程之间就不会互相干扰。并发问题会引起潜在的 bug，使您很难在应用中调试和定位问题，甚至出现 海森堡 bug。

这一类型的类非常常见。比如该类需要将用户的登录信息缓存在内存中，或者当应用在活跃状态时缓存一些值。如果您稍有大意，**那么并发问题就会乘虚而入!**使用 withContext(defaultDispatcher) 的挂起函数无法保证会在同一个线程中执行。

比如我们有一个类需要缓存用户所做的交易。如果缓存没有被正确访问，比如下面代码所示，就会出现并发问题:

1.  class TransactionsRepository( 
2.  private val defaultDispatcher: CoroutineDispatcher = Dispatchers.Default 
3.  ) { 

5.  private val transactionsCache = mutableMapOf<User, List<Transaction>() 

7.  private suspend fun addTransaction(user: User, transaction: Transaction) = 
8.  // 注意！访问缓存的操作未被保护！ 
9.  // 会出现并发问题：线程会访问到过期数据 
10.  // 并且出现资源竞争问题 
11.  withContext(defaultDispatcher) { 
12.  if (transactionsCache.contains(user)) { 
13.  val oldList = transactionsCache[user] 
14.  val newList = oldList!!.toMutableList() 
15.  newList.add(transaction) 
16.  transactionsCache.put(user, newList) 
17.  } else { 
18.  transactionsCache.put(user, listOf(transaction)) 
19.  } 
20.  } 
21.  } 

即使我们这里所讨论的是 Kotlin，由 Brian Goetz 所编撰的《Java 并发编程实践》对于了解本文主题和 Java 编程语言系统是非常好的参考材料。此外，Jetbrains 针对 共享可变的状态和并发 的主题也提供了相关的文档。

保护可变状态

对于如何保护可变状态，或者找到合适的 同步 策略，取决于数据本身和相关的操作。本节内容启发大家注意可能会遇到的并发问题，而不是简单罗列保护可变状态的方法和 API。总而言之，这里为大家准备了一些提示和 API 可以帮助大家针对可变变量实现线程安全。

封装

可变状态应该属于并被封装在类里。该类应该将状态的访问操作集中起来，根据应用场景使用同步策略保护变量的访问和修改操作。

线程限制

一种方案是将读取和写入操作限制在一个线程里。可以使用队列基于生产者-消费者模式实现对可变状态的访问。Jetbrains 对此提供了很棒的 文档。

避免重复工作

在 Android 运行时中，包含线程安全的数据结构可供您保护可变变量。比如，在计数器示例中，您可以使用 AtomicInteger。又比如，要保护上述代码中的 Map，您可以使用 ConcurrentHashMap。ConcurrentHashMap 是线程安全的，并且优化了 map 的读取和写入操作的吞吐量。

请注意，线程安全的数据结构并不能解决调用顺序问题，它们只是确保内存数据的访问是原子操作。当逻辑不太复杂的时候，它们可以避免使用 lock。

比如，它们无法用在上面的 transactionCache 示例中，因为它们之间的操作顺序和逻辑需要使用线程并进行访问保护。

而且，当已修改的对象已经存储在这些线程安全的数据结构中时，其中的数据需要保持不可变或者受保护状态来避免资源竞争问题。

自定义方案

如果您有复合的操作需要被同步，@Volatile 和线程安全的数据结构也不会有效果。有可能内置的 @Synchronized 注解的粒度也不足以达到理想效果。

在这些情况下，您可能需要使用并发工具创建您自己的同步机制，比如 latches、semaphores 或者 barriers。其它场景下，您可以使用 lock 和 mutex 无条件地保护多线程访问。

Kotlin 中的 Mute 包含挂起函数 lock 和 unlock，可以手动控制保护协程的代码。而扩展函数 Mutex.withLock 使其更加易用:

1.  class TransactionsRepository( 
2.  private val defaultDispatcher: CoroutineDispatcher = Dispatchers.Default 
3.  ) { 
4.  // Mutex 保护可变状态的缓存 
5.  private val cacheMutex = Mutex() 
6.  private val transactionsCache = mutableMapOf<User, List<Transaction>() 

8.  private suspend fun addTransaction(user: User, transaction: Transaction) = 
9.  withContext(defaultDispatcher) { 
10.  // Mutex 保障了读写缓存的线程安全 
11.  cacheMutex.withLock { 
12.  if (transactionsCache.contains(user)) { 
13.  val oldList = transactionsCache[user] 
14.  val newList = oldList!!.toMutableList() 
15.  newList.add(transaction) 
16.  transactionsCache.put(user, newList) 
17.  } else { 
18.  transactionsCache.put(user, listOf(transaction)) 
19.  } 
20.  } 
21.  } 
22.  } 

由于使用 Mutex 的协程在可以继续执行之前会挂起操作，因此要比 Java 编程语言中的 lock 高效很多，因为后者会阻塞整个线程。

在协程中请谨慎使用 Java 语言中的同步类，因为它们会阻塞整个协程所处的线程，并且引发 活跃度 问题。

传入协程中的代码最终会在一个或者多个线程中执行。同样的，协程在 Android 运行时的线程模型下依然需要遵循约束条件。

所以，使用协程也同样会出现存在隐患的多线程代码。所以，在代码中请谨慎访问共享的可变状态。

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