用了20多张图终于把协程上下文CoroutineContext彻底搞懂了

Posted 2022-01-15 涂程

1. 前言

❝
如果你对CoroutineContext不了解，本文值得你细细品读，如果一遍看不懂，不妨多读几遍。写作该文的过程也是我对CoroutineContext理解加深的过程。CoroutineContext是协程的基础，值得投入学习
❞

android开发者对Context都不陌生。在Android系统中，Context可谓神通广大，它可以获取应用资源，可以获取系统资源，可以启动Activity。Context有几个大名鼎鼎的子类，Activity、Application、Service，它们都是应用中非常重要的组件。

协程中也有个类似的概念，CoroutineContext。它是协程中的上下文，通过它我们可以控制协程在哪个线程中执行，可以设置协程的名字，可以用它来捕获协程抛出的异常等。

我们知道，通过CoroutineScope.launch方法可以启动一个协程。该方法第一个参数的类型就是CoroutineContext。默认值是EmptyCoroutineContext单例对象。

在开始讲解CoroutineContext之前我们来看一段协程中经常会遇到的代码

刚开始学协程的时候，我们经常会和Dispatchers.Main、Job、CoroutineName、CoroutineExceptionHandler打交道，它们都是CoroutineContext的子类。我们也很容易单独理解它们，Dispatchers.Main指把协程分发到主线程执行，Job可以管理协程的生命周期，CoroutineName可以设置协程的名字，CoroutineExceptionHandler可以捕获协程的异常。但是+操作符对大部分的Java开发者甚至Kotlin开发者而言会感觉到新鲜又难懂，在协程中CoroutineContext+到底是什么意思？

其实+操作符就是把两个CoroutineContext合并成一个链表，后文会详细讲解

2. CoroutineContext类图一览

根据类图结构我们可以把它分成四个层级：

1. CoroutineContext 协程中所有上下文相关类的父接口。
2. CombinedContext、Element、EmptyCoroutineContext。它们是CoroutineContext的直接子类。
3. AbstractCoroutineContextElement、Job。这两个是Element的直接子类。
4. CoroutineName、CoroutineExceptionHandler、CoroutineDispatcher(包含Dispatchers.Main和Dispatchers.Default)。它们是AbstractCoroutineContextElement的直接子类。

图中红框处，CombinedContext定义了size()和contains()方法，这与集合操作很像，CombinedContext是CoroutineContext对象的集合，而Element和EmptyCoroutineContext却没有定义这些方法，真正实现了集合操作的协程上下文只有CombinedContext，后文会详细讲解

3. CoroutineContext接口

CoroutineContext源码如下：

首先我们看下官方注释，我将它的作用归纳为：

❝
Persistent context for the coroutine. It is an indexed set of [Element] instances. An indexed set is a mix between a set and a map. Every element in this set has a unique [Key].
❞

1. CoroutineContext是协程的上下文。
2. CoroutineContext是element的set集合，没有重复类型的element对象。
3. 集合中的每个element都有唯一的Key，Key可以用来检索元素。

相信大多数的人看到这样的解释时，都会心生疑惑，既然是set类型为啥不直接用HashSet来保存Element。CoroutineContext的实现原理又是什么呢？原因是考虑到协程嵌套，用链表实现更好。

接着我们来看下该接口定义的几个方法

4. Key接口

Key是一个接口定义在CoroutineContext中的一个接口，作为接口它没有声明任何的方法，那么其实它没有任何真正有用的意义，它只是用来检索。我们先来看下，协程库中是如何使用Key接口的。

通过观察协程官方库中的例子，我们发现Element的子类都必须重写Key这个属性，而且Key的泛型类型必须和类名相同。以CoroutineName为例，Key是一个伴生对象，同时Key的泛型类型也是CoroutineName。

为了方便理解，我仿照写了MyElement类，如下：

通过对比kt类和反编译的java类我们看到 Key就是一个静态变量，而且它的实现类，其实啥也没干。它的作用与HashMap中的Key类似：

1. 实现key-value功能，为插入和删除提供检索功能
2. Key是static静态变量，全局唯一，为Element提供唯一性保障

Kotlin语法糖

❝
coroutineContext.get(CoroutineName.Key)

coroutineContext.get(CoroutineName)

coroutineContext[CoroutineName]

coroutineContext[CoroutineName.Key]

写法是等价的
❞

4. CoroutineContext.get方法

源码(整理在一起，下同)

使用方式

讲解

通过Key检索Element。返回值只能是Element或者null，链表节点中的元素值。

1. Element get方法：只要Key与当前Element的Key匹配上了，返回该Element否则返回null。
2. CombinedContext get方法：遍历链表，查询与Key相等的Element，如果没找到返回null。

5. CoroutineContext.plus方法

源码

使用方式

讲解

将两个CoroutineContext组合成一个CoroutineContext，如果是两个类型相同的Element会返回一个新的Element。如果是两个不同类型的Element会返回一个CombinedContext。如果是多个不同类型的Element会返回一条CombinedContext链表。

我将上述算法总结成了5种场景，不过在介绍这5种场景前，我们先讲解CombinedContext的数据结构。

6. CombinedContext分析

因为CombinedContext是CoroutineContext的子类，left也是CoroutineContext类型的，所以它的数据结构是链表。我们经常用next来表示链表的下一个节点。那么为什么这里取名叫left呢？我甚至怀疑写这段代码的是个左撇子。真正的原因是，协程可以启动子协程，子协程又可以启动孙协程。父协程在左边，子协程在右边

嵌套启动协程

越是外层的协程的Context越在左边，大概示意图如下 (真实并非如此，比这更复杂)

链表的两个知识点在此都有体现。CoroutineContext.plus方法中使用的是头插法。CombinedContext的toString方法采用的是链表倒序打印法。

7. 五种plus场景

根据plus源码，我总结出会覆盖到五种场景。

1. plus EmptyCoroutineContext
2. plus 相同类型的Element
3. plus方法的调用方没有Dispatcher相关的Element
4. plus方法的调用方只有Dispatcher相关的Element
5. plus方法的调用方是包含Dispatcher相关Element的链表

结果如下：

1. Dispatchers.Main + EmptyCoroutineContext 结果:Dispatchers.Main。
2. CoroutineName("c1") + CoroutineName("c2")结果: CoroutineName("c2")。相同类型的直接替换掉。
3. CoroutineName("c1") + Job()结果:CoroutineName("c1") <- Job。头插法被plus的(Job)放在链表头部
4. Dispatchers.Main + Job()结果:Job <- Dispatchers.Main。虽然是头插法，但是ContinuationInterceptor必须在链表头部。
5. Dispatchers.Main + Job() + CoroutineName("c5")结果:Job <- CoroutineName("c5") <- Dispatchers.Main。Dispatchers.Main在链表头部，其它的采用头插法。

❝
如果不考虑Dispatchers.Main的情况。我们可以把+用<-代替。CoroutineName("c1") + Job()等价于CoroutineName("c1") <- Job
❞

8. CoroutineContext的minusKey方法

源码

讲解

1. Element minusKey方法：如果Key与当前element的Key相等，返回EmptyCoroutineContext，否则相当于没减成功，返回当前element
2. CombinedContext minusKey方法：删除链表中符合条件的节点，分三种情况。

三种情况以下面链表为例

❝
Job <- CoroutineName(“c5”) <-Dispatchers.Main
❞

1. 没找到节点：minusKey(MyElement)。在Job节点处走newLeft === left分支，依此类推，在CoroutineName处走同样的分支，在Dispatchers.Main处走同样的分支。

2. 节点在尾部：minusKey(Job)。在CoroutineName(“c5”)节点走newLeft === EmptyCoroutineContext分支，依此往头部递归

3. 节点不在尾部：minusKey(CoroutineName)。在Dispatchers.Main节点处走else分支

9. 总结

学习CoroutineContext首先要搞清楚各类之间的继承关系，其次，CombinedContext各具体Element的集合，它的数据结构是链表，如果读者对链表增删改查操作熟悉的话，那么很容易就能搞懂CoroutineContext原理，否则想要搞懂CoroutineContext那简直如盲人摸象。