Kotlin -- 知识点协程

Posted 2022-07-12 Kevin-Dev

文章目录

• • 一、什么是协程
  • • 1. 介绍
    • 2. 协程的优点
    • 3. 使用
  • 二、挂起
  • • 1. 挂起的本质
    • 2. 怎么就「挂起」了？
    • 3. suspend 的意义？
    • 4. 怎么自定义 suspend 函数？
  • 三、非阻塞式挂起
  • • 1.什么是「非阻塞式挂起」
    • 2.为什么要讲非阻塞式挂起
    • 3.协程与线程

一、什么是协程

1. 介绍

协程并不是 Kotlin 提出来的新概念，其他的一些编程语言，例如：Go、Python 等都可以在语言层面上实现协程，甚至是 Java，也可以通过使用扩展库来间接地支持协程。

协程 Coroutines 源自 Simula 和 Modula-2 语言，这个术语早在 1958 年就被 Melvin Edward Conway 发明并用于构建汇编程序，说明协程是一种编程思想，并不局限于特定的语言。

协程与线程、进程做比较分析：

从 android 开发者的角度去理解它们之间的关系：

• 我们所有的代码都是跑在线程中的，而线程是跑在进程中的。
• 协程没有直接和操作系统关联，但它不是空中楼阁，它也是跑在线程中的，可以是单线程，也可以是多线程。
• 单线程中的协程总的执行时间并不会比不用协程少。
• Android 系统上，如果在主线程进行网络请求，会抛出NetworkOnMainThreadException，对于在主线程上的协程也不例外，这种场景使用协程还是要切线程的。

协程设计的初衷是为了解决并发问题，让 协作式多任务实现起来更加方便。

2. 协程的优点

下面使用三种方法来创建协程：

// 方法一，使用 runBlocking 顶层函数
runBlocking 
    getImage(imageId)

​
// 方法二，使用 GlobalScope 单例对象
//            👇 可以直接调用 launch 开启协程
GlobalScope.launch 
    getImage(imageId)

​
// 方法三，自行通过 CoroutineContext 创建一个 CoroutineScope 对象
//                                    👇 需要一个类型为 CoroutineContext 的参数
val coroutineScope = CoroutineScope(context)
coroutineScope.launch 
    getImage(imageId)

解释说明：

• 方法一通常适用于单元测试的场景，而业务开发中不会用到这种方法，因为它是线程阻塞的。
• 方法二和使用 runBlocking 的区别在于不会阻塞线程。但在 Android 开发中同样不推荐这种用法，因为它的生命周期会和 app 一致，且不能取消（什么是协程的取消后面会讲）。
• 方法三是比较推荐的使用方法，我们可以通过 context 参数去管理和控制协程的生命周期（这里的 context 和 Android 里的不是一个东西，是一个更通用的概念，会有一个 Android 平台的封装来配合使用）。

协程最常用的功能是并发，而并发的典型场景就是多线程。可以使用 Dispatchers.IO参数把任务切到 IO 线程执行：

CoroutineScope(Dispatchers.IO).launch 
    ...

也可以使用 Dispatchers.Main 参数切换到主线程：

CoroutineScope(Dispatchers.Main).launch
    ...

3. 使用

3.1 添加依赖

    //依赖协程核心库
    implementation 'org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-core:1.3.5'
    //依赖当前平台所对应的平台库
    implementation 'org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-android:1.3.5'

Kotlin 协程是以官方扩展库的形式进行支持的。我们所使用的「核心库」和 「平台库」的版本应该保持一致。

• 核心库中包含的代码主要是协程的公共 API 部分。有了这一层公共代码，才使得协程在各个平台上的接口得到统一。
• 平台库中包含的代码主要是协程框架在具体平台的具体实现方式。因为多线程在各个平台的实现方式是有所差异- 的。

3.2 开始使用
协程最简单的使用方法，其实在前面章节就已经看到了。我们可以通过一个 launch函数实现线程切换的功能：

CoroutineScope(Dispatchers.IO).launch 
    ...

这个 launch 函数，它具体的含义是：我要创建一个新的协程，并在指定的线程上运行它。这个被创建、被运行的所谓协程是谁？就是你传给 launch 的那些代码，这一段连续代码叫做一个协程。

所以，什么时候用协程？当你需要切线程或者指定线程的时候。你要在后台执行任务？

launch(Dispatchers.IO) 
    val image = getImage(imageId)

然后需要在前台更新界面？

CoroutineScope(Dispatchers.IO).launch
    val image = getImage(imageId)
    launch(Dispatch.Main) 
        avatarIv.setImageBitmap(image)
    

如果只是使用 launch 函数，协程并不能比线程做更多的事。不过协程中却有一个很实用的函数：withContext 。这个函数可以切换到指定的线程，并在闭包内的逻辑执行结束之后，自动把线程切回去继续执行。那么可以将上面的代码写成这样：

CoroutineScope(Dispatchers.Main).launch       // 👈 在 UI 线程开始
    val image = withContext(Dispatchers.IO)   // 👈 切换到 IO 线程，并在执行完成后切回 UI 线程
        getImage(imageId)                      // 👈 将会运行在 IO 线程
    
    avatarIv.setImageBitmap(image)             // 👈 回到 UI 线程更新 UI
 

这种写法看上去好像和刚才那种区别不大，但如果你需要频繁地进行线程切换，这种写法的优势就会体现出来。可以参考下面的对比：

// 第一种写法
CoroutineScope(Dispatchers.IO).launch 
    ...
    launch(Dispachers.Main)
        ...
        launch(Dispachers.IO) 
            ...
            launch(Dispacher.Main) 
                ...
            
        
    

​
// 通过第二种写法来实现相同的逻辑
CoroutineScope(Dispatchers.Main).launch
    ...
    withContext(Dispachers.IO) 
        ...
    
    ...
    withContext(Dispachers.IO) 
        ...
    
    ...

由于可以"自动切回来"，消除了并发代码在协作时的嵌套。由于消除了嵌套关系，我们甚至可以把 withContext 放进一个单独的函数里面：

launch(Dispachers.Main)               // 👈 在 UI 线程开始
    val image = getImage(imageId)
    avatarIv.setImageBitmap(image)     // 👈 执行结束后，自动切换回 UI 线程

//                               👇
fun getImage(imageId: Int) = withContext(Dispatchers.IO) 
    ...

不过如果只是这样写，编译器是会报错的：

fun getImage(imageId: Int) = withContext(Dispatchers.IO) 
    // IDE 报错 Suspend function'withContext' should be called only from a 
    // coroutine or another suspend funcion

c.suspend
suspend 是 Kotlin 协程最核心的关键字，几乎所有介绍 Kotlin 协程的文章和演讲都会提到它。它的中文意思是暂停或者可挂起。如果你去看一些技术博客或官方文档的时候，大概可以了解到：代码执行到 suspend 函数的时候会挂起，并且这个挂起是非阻塞式的，它不会阻塞你当前的线程。

上面报错的代码，其实只需要在前面加一个suspend 就能够编译通过：

suspend fun getImage(imageId: Int) = withContext(Dispatchers.IO) 
    ...

二、挂起

1. 挂起的本质

协程中「挂起」的对象到底是什么？挂起线程，还是挂起函数？都不对，我们挂起的对象是协程。

launch ，async 或者其他函数创建的协程，在执行到某一个 suspend 函数的时候，这个协程会被「suspend」，也就是被挂起。

那此时又是从哪里挂起？从当前线程挂起。换句话说，就是这个协程从正在执行它的线程上脱离。

注意：不是这个协程停下来了！是脱离，当前线程不再管这个协程要去做什么了。

suspend 是有暂停的意思，但我们在协程中应该理解为：当线程执行到协程的 suspend 函数的时候，暂时不继续执行协程代码了。

我们先让时间静止，然后兵分两路，分别看看这两个互相脱离的线程和协程接下来将会发生什么事情：

线程：

前面我们提到，挂起会让协程从正在执行它的线程上脱离，具体到代码其实是：

协程的代码块中，线程执行到了 suspend 函数这里的时候，就暂时不再执行剩余的协程代码，跳出协程的代码块。

那线程接下来会做什么呢？

如果它是一个后台线程：

• 要么无事可做，被系统回收
• 要么继续执行别的后台任务

跟 Java 线程池里的线程在工作结束之后是完全一样的：回收或者再利用。

如果这个线程它是 Android 的主线程，那它接下来就会继续回去工作：也就是一秒钟 60 次的界面刷新任务。

协程：

线程的代码在到达suspend函数的时候被掐断，接下来协程会从这个 suspend 函数开始继续往下执行，不过是在指定的线程。

谁指定的？是 suspend 函数指定的，比如函数内部的 withContext 传入的Dispatchers.IO所指定的 IO 线程。

Dispatchers 调度器，它可以将协程限制在一个特定的线程执行，或者将它分派到一个线程池，或者让它不受限制地运行。

常用的Dispatchers ，有以下三种：

• Dispatchers.Main：Android 中的主线程
• Dispatchers.IO：针对磁盘和网络 IO 进行了优化，适合 IO 密集型的任务，比如：读写文件，操作数据库以及网络请求
• Dispatchers.Default：适合 CPU 密集型的任务，比如计算

回到我们的协程，它从suspend函数开始脱离启动它的线程，继续执行在 Dispatchers所指定的 IO 线程。

紧接着在 suspend 函数执行完成之后，协程为我们做的最爽的事就来了：会自动帮我们把线程再切回来。

这个「切回来」是什么意思？

我们的协程原本是运行在主线程的，当代码遇到suspend函数的时候，发生线程切换，根据 Dispatchers 切换到了 IO 线程；

当这个函数执行完毕后，线程又切了回来，「切回来」也就是协程会帮我再 post一个 Runnable，让我剩下的代码继续回到主线程去执行。

ok，我们从线程和协程的两个角度都分析完成后，终于可以对协程的「挂起」suspend 做一个解释：

协程在执行到有 suspend 标记的函数的时候，会被 suspend 也就是被挂起，而所谓的被挂起，就是切个线程；

不过区别在于，挂起函数在执行完成之后，协程会重新切回它原先的线程。

再简单来讲，在 Kotlin 中所谓的挂起，就是一个稍后会被自动切回来的线程调度操作。

这个「切回来」的动作，在 Kotlin 里叫做 resume，恢复。

通过刚才的分析我们知道：挂起之后是需要恢复。

而恢复这个功能是协程的，如果你不在协程里面调用，恢复这个功能没法实现，所以也就回答了这个问题：为什么挂起函数必须在协程或者另一个挂起函数里被调用。

因为 一个挂起函数要么在协程里被调用，要么在另一个挂起函数里被调用，所以不管是直接还是间接地，总是会在一个协程里被调用的。

当然，要求 suspend 函数只能在协程里或者另一个 suspend 函数里被调用，还是为了要让协程能够在 suspend 函数切换线程之后再切回来。

2. 怎么就「挂起」了？

我们了解到了什么是「挂起」后，再接着看看这个「挂起」是怎么做到的。

先随便写一个自定义的 suspend 函数：

suspend fun suspendingPrint() 
  println("Thread: $Thread.currentThread().name")


I/System.out: Thread: main

输出的结果还是在主线程。

为什么没切换线程？因为它不知道往哪切，需要我们告诉它。

对比之前例子中 suspendingGetImage 函数代码：

//                                               👇
suspend fun suspendingGetImage(id: String) = withContext(Dispatchers.IO) 
  ...

我们可以发现不同之处其实在于 withContext 函数。

其实通过 withContext 源码可以知道，它本身就是一个挂起函数，它接收一个 Dispatcher 参数，依赖这个 Dispatcher 参数的指示，你的协程被挂起，然后切到别的线程。

所以这个 suspend，其实并不是起到把任何把协程挂起，或者说切换线程的作用。

真正挂起协程这件事，是 Kotlin 的协程框架帮我们做的。

所以我们想要自己写一个挂起函数，仅仅只加上 suspend 关键字是不行的，还需要函数内部直接或间接地调用到 Kotlin 协程框架自带的 suspend 函数才行。

3. suspend 的意义？

这个 suspend 关键字，既然它并不是真正实现挂起，那它的作用是什么？

它其实是一个提醒。

函数的创建者对函数的使用者的提醒：我是一个耗时函数，我被我的创建者用挂起的方式放在后台运行，所以请在协程里调用我。

为什么 suspend 关键字并没有实际去操作挂起，但 Kotlin 却把它提供出来？

因为它本来就不是用来操作挂起的。

挂起的操作 —— 也就是切线程，依赖的是挂起函数里面的实际代码，而不是这个关键字。

所以这个关键字，只是一个提醒。

还记得刚才我们尝试自定义挂起函数的方法吗？

// 👇 redundant suspend modifier
suspend fun suspendingPrint() 
  println("Thread: $Thread.currentThread().name")

如果你创建一个 suspend 函数但它内部不包含真正的挂起逻辑，编译器会给你一个提醒：redundant suspend modifier，告诉你这个 suspend 是多余的。

因为你这个函数实质上并没有发生挂起，那你这个 suspend 关键字只有一个效果：就是限制这个函数只能在协程里被调用，如果在非协程的代码中调用，就会编译不通过。

所以，创建一个 suspend 函数，为了让它包含真正挂起的逻辑，要在它内部直接或间接调用 Kotlin 自带的 suspend 函数，你的这个 suspend 才是有意义的。

4. 怎么自定义 suspend 函数？

在了解了 suspend 关键字的来龙去脉之后，我们就可以进入下一个话题了：怎么自定义 suspend 函数。

4.1 什么时候需要自定义 suspend 函数

如果你的某个函数比较耗时，也就是要等的操作，那就把它写成 suspend 函数。这就是原则。

耗时操作一般分为两类：I/O 操作和 CPU 计算工作。比如文件的读写、网络交互、图片的模糊处理，都是耗时的，通通可以把它们写进 suspend 函数里。

另外这个「耗时」还有一种特殊情况，就是这件事本身做起来并不慢，但它需要等待，比如 5 秒钟之后再做这个操作。这种也是 suspend 函数的应用场景。

4.2 具体该怎么写

给函数加上 suspend 关键字，然后在 withContext 把函数的内容包住就可以了。

提到用 withContext是因为它在挂起函数里功能最简单直接：把线程自动切走和切回。

当然并不是只有 withContext 这一个函数来辅助我们实现自定义的 suspend 函数，比如还有一个挂起函数叫 delay，它的作用是等待一段时间后再继续往下执行代码。

使用它就可以实现刚才提到的等待类型的耗时操作：

suspend fun suspendUntilDone() 
  while (!done) 
    delay(5)
  

这些东西，在我们初步使用协程的时候不用立马接触，可以先把协程最基本的方法和概念理清楚。

三、非阻塞式挂起

1.什么是「非阻塞式挂起」

非阻塞式是相对阻塞式而言的。

线程阻塞很好理解，现实中的例子就是交通堵塞，它的核心有 3 点：

• 前面有障碍物，你过不去（线程卡了）
• 需要等障碍物清除后才能过去（耗时任务结束）
• 除非你绕道而行（切到别的线程）

从语义上理解「非阻塞式挂起」，讲的是「非阻塞式」这个是挂起的一个特点，也就是说，协程的挂起，就是非阻塞式的，协程是不讲「阻塞式的挂起」的概念的。

我们讲「非阻塞式挂起」，其实它有几个前提：并没有限定在一个线程里说这件事，因为挂起这件事，本来就是涉及到多线程。

阻塞不阻塞，都是针对单线程讲的，一旦切了线程，肯定是非阻塞的，你都跑到别的线程了，之前的线程就自由了，可以继续做别的事情了。

所以「非阻塞式挂起」，其实就是在讲协程在挂起的同时切线程这件事情。

2.为什么要讲非阻塞式挂起

协程只是在写法上「看起来阻塞」，其实是「非阻塞」的，因为在协程里面它做了很多工作，其中有一个就是帮我们切线程。

让我们来看看下面的例子：

main 
    CoroutineScope(Dispatchers.Main).launch 
        // 👇 耗时操作
        val user = suspendingRequestUser()
        updateView(user)
    
    
    private suspend fun suspendingRequestUser() : User = withContext(Dispatchers.IO) 
        api.requestUser()
    

从上面的例子可以看到，耗时操作和更新 UI 的逻辑像写单线程一样放在了一起，只是在外面包了一层协程。

而正是这个协程解决了原来我们单线程写法会卡线程这件事。

3.协程与线程

在 Kotlin 里，协程就是基于线程来实现的一种更上层的工具 API，类似于 Java 自带的 Executor 系列 API 或者 Android 的 Handler 系列 API。

只不过呢，协程它不仅提供了方便的 API，在设计思想上是一个基于线程的上层框架，你可以理解为新造了一些概念用来帮助你更好地使用这些 API，仅此而已。

就像 ReactiveX 一样，为了让你更好地使用各种操作符 API，新造了 Observable 等概念。