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Kotlin 协程入门这一篇就够了

本篇文章已授权微信公众号 guolin_blog (郭霖)独家发布

协程的作用

协程通过替代回调(callback)来简化异步代码

听起来蛮抽象的,来看代码

	fun fetchDocs() {
   		val result = get("developer.android.com")
   		show(result)
	}
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Android系统为了保证界面的流畅和及时响应用户的输入事件,主线程需要保持每16ms一次的刷新(调用 onDraw()函数),所以不能在主线程中做耗时的操作(比如 读写数据库,读写文件,做网络请求,解析较大的 Json 文件,处理较大的 list 数据)。

get()通过接口获取用户数据,如果在主线程中调用fetchDocs()函数就会阻塞(block)主线程,App 会卡顿甚至崩溃。

所以需要在子线程中调用get()函数,这样主线程就可以刷新界面和处理用户输入,待get()函数执行完毕后通过 callback 拿到结果。

	fun fetchDocs() {
        get("developer.android.com") { result ->
            show(result)
        }
    }
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callback 是个不错的方式,但是 callback 被过度使用后代码可读性会变差(迷之缩进),而且 callback 不能使用 exception。为了解决这样的问题,欢迎协程(coroutine)闪亮登场

    suspend fun fetchDocs() {
        val result = get("developer.android.com")
        show(result)
    }

    suspend fun get(url: String) =
            withContext(Dispatchers.IO) {
                ...
            }
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明明是同步的写法为什么不会阻塞主线程? 对,因为suspend

suspend修饰的函数比普通函数多两个操作(suspend 和 resume)

  • suspend:暂停当前协程的执行,保存所有的局部变量
  • resume:从协程被暂停的地方继续执行协程

get() 函数同样也是一个suspend函数。

suspend修饰的函数并不意味着运行在子线程中

如果需要指定协程运行的线程,就需要指定Dispatchers ,常用的有三种:

  • Dispatchers.Main:Android中的主线程,可以直接操作UI
  • 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,比如解析JSON文件,排序一个较大的list

通过withContext()可以指定Dispatchers,这里的get()函数里的withContext代码块中指定了协程运行在Dispatchers.IO中。

来看下这段代码的具体执行流程

动画出处见文末参考文档

  • 每个线程有一个调用栈(call stack), Kotlin使用它来追踪哪个函数在执行和它的局部变量
  • 当调用到suspend修饰的函数的时候,Kotlin需要追踪正在运行的协程而不是正在执行的函数
  • 绿色线条表示一个suspend的标记,绿色上面的是协程,绿色下面的是一个正常的函数
  • Kotlin 像正常函数一样调用fetchDocs() 函数,在调用栈上加一个 entry,这里也存储着fetchDocs()函数的局部变量
  • 继续往下执行,直到找到另一个suspend函数的调用(这里指的是 get() 函数调用),这时候Kotlin要去实现suspend操作(将函数的状态从堆栈复制到一个地方,以便以后保存,所有suspend的协程都会被放在这里)
  • 然后调用get()函数,同样新建一个entry,当调用到withContext()(withContext函数被 suspend 修饰)的时候,同样 执行suspend操作(过程和前面一样)。此时主线程里的所有协程都被 suspend,所以主线程可以做其他事情(执行 onDraw,响应用户输入)
  • 等待几秒后,网络请求会返回,这时Kotlin会执行resume操作(获取保存状态并复制回来,重新放回到调用栈上),之后会正常往下执行,如果fetchDocs()发成错误,会在这里抛出异常

协程的组成

    val viewModelJob = Job()    //用来取消协程
    
    val uiScope = CoroutineScope(Dispatchers.Main + viewModelJob)   //初始化CoroutineScope 指定协程的运行所在线程传入 Job 方便后面取消协程

    uiScope.launch { //启动一个协程
        updateUI() //suspend函数运行在协程内或者suspend另外一个函数内
    }
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suspend fun updateUI() {
    delay(1000L) //delay是一个 suspend 函数
    textView.text = "Hello, from coroutines!"
}
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viewModelJob.cancel()//取消协程
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  • 启动一个协程需要CoroutineScope,为什么需要? 一会解释
  • CoroutineScope接受CoroutineContext作为参数,CoroutineContext由一组协程的配置参数组成,可以指定协程的名称,协程运行所在线程,异常处理等等。可以通过plus操作符来组合这些参数。上面的代码指定了协程运行在主线程中,并且提供了一个Job,可用于取消协程
    • CoroutineName(指定协程名称)
    • Job(协程的生命周期,用于取消协程)
    • CoroutineDispatcher,可以指定协程运行的线程
  • 有了CoroutineScope之后可以通过一系列的Coroutine builders来启动协程,协程运行在Coroutine builders的代码块里面
    • launch 启动一个协程,返回一个Job,可用来取消协程;有异常直接抛出
    • async 启动一个带返回结果的协程,可以通过Deferred.await()获取结果;有异常并不会直接抛出,只会在调用 await 的时候抛出
    • withContext 启动一个协程,传入CoroutineContext改变协程运行的上下文

结构化并发(Structured concurrency

如果在 foo 里协程启动了bar 协程,那么 bar 协程必须在 foo 协程之前完成

foo 里协程启动了bar 协程 ,但是bar 并没有在 foo 完成之前执行完成,所以不是结构化并发

foo 里协程启动了bar 协程 ,并且barfoo 完成之前执行完成,所以是结构化并发

结构化并发能够带来什么优势呢?下面一点点阐述。

协程的泄漏

尽管协程本身是轻量级的,但是协程做的工作一般比较重,比如读写文件或者网络请求。使用代码手动跟踪大量的协程是相当困难的,这样的代码比较容易出错,一旦对协程失去追踪,那么就会导致泄漏。这比内存泄漏更加严重,因为失去追踪的协程在resume的时候可能会消耗内存,CPU,磁盘,甚至会进行不再必要的网络请求。

如何避免泄漏呢?这其实就是CoroutineScope 的作用,通过launch或者async启动一个协程需要指定CoroutineScope,当要取消协程的时候只需要调用CoroutineScope.cancel() ,kotlin 会帮我们自动取消在这个作用域里面启动的协程。

结构化并发可以保证当一个作用域被取消,作用域里面的所有协程会被取消

如果使用架构组件(Architecture Components),比较适合在ViewModel中启动协程,并且在onCleared回调方法中取消协程

    override fun onCleared() {
        super.onCleared()
        viewModelJob.cancel() //取消ViewModel中启动的协程
    }
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自己写CoroutineScope比较麻烦,架构组件提供了viewModelScope这个扩展属性,可以替代前面的uiScope

看下viewModelScope这个扩展属性是如何实现的:

val ViewModel.viewModelScope: CoroutineScope
        get() {
            val scope: CoroutineScope? = this.getTag(JOB_KEY)
            if (scope != null) {
                return scope
            }
            return setTagIfAbsent(JOB_KEY,
                CloseableCoroutineScope(Job() + Dispatchers.Main))
        }

internal class CloseableCoroutineScope(context: CoroutineContext) : Closeable, CoroutineScope {
    override val coroutineContext: CoroutineContext = context

    override fun close() {
        coroutineContext.cancel()
    }
}
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同样是初始化一个CoroutineScope,指定Dispatchers.Main和 Job

    ##ViewModel
    @MainThread
    final void clear() {
        mCleared = true;
        // Since clear() is final, this method is still called on mock objects
        // and in those cases, mBagOfTags is null. It'll always be empty though
        // because setTagIfAbsent and getTag are not final so we can skip
        // clearing it
        if (mBagOfTags != null) {
            for (Object value : mBagOfTags.values()) {
                // see comment for the similar call in setTagIfAbsent
                closeWithRuntimeException(value);
            }
        }
        onCleared();
    }

    private static void closeWithRuntimeException(Object obj) {
        if (obj instanceof Closeable) {
            try {
                ((Closeable) obj).close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
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clear()中会自动取消作用域中的协程。有了viewModelScope这个扩展属性可以少些很多模板代码。

再看一个稍复杂的场景,同时发起两个或者多个网络请求。这就意味着要开启更多的协程,随处开启协程可能导致潜在的泄漏问题,调用者可能不知道新开启的协程,因此也没法追踪他们。 这时候就需要coroutineScope或者supervisorScope(注意不是CoroutineScope)。

suspend fun fetchTwoDocs() {
    coroutineScope {
        launch { fetchDoc(1) }
        launch { fetchDoc(2) }
    }
}
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这个示例中,同时发起两个网络请求。在suspend 函数里面可以通过coroutineScopesupervisorScope 安全地启动协程。为了避免泄漏,我们希望fetchTwoDocs这样的函数返回的时候,在函数内部启动的协程都能执行完成。

结构化并发保证当suspend函数返回的时候,函数里面的所有工作都已经完成

Kotlin可以保证使用coroutineScope不会从fetchTwoDocs函数中发生泄漏,coroutineScopesuspend自己直到在它里面启动的所有协程执行完成。正是因为这样,fetchTwoDocs不会在coroutineScope内部启动的协程完成前返回。

如果有更多的协程呢?

	suspend fun loadLots() {
        coroutineScope {
            repeat(1000) {
                launch { fetchDoc(it) }
            }
        }
    }
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这里在suspend函数中启动了更多的协程,会泄露吗?并不会。

动画出处见文末参考文档

由于这里的loadLots是一个suspend函数,所以loadLots函数会在一个CoroutineScope中被调用,coroutineScope构造器会使用这个CoroutineScope作为父作用域生成一个新的CoroutineScope。在coroutineScope代码块内部,launch函数会在这个新的CoroutineScope中启动新的协程,这个新的CoroutineScope会追踪这些新的协程,当所有的协程执行完毕,loadLots函数才会返回。

coroutineScopesupervisorScope会等到所有的子协程执行完毕。

使用coroutineScope 或者 supervisorScope可以安全地在suspend函数里面启动新的协程,不会造成泄漏,因为总是会suspend调用者直到所有的协程执行完毕。coroutineScope会新建一个子作用域(child scope),所以如果父作用域被取消,它会把取消的信息往下传递给所有新的协程。

另外coroutineScopesupervisorScope的区别在于:coroutineScope会在任意一个协程发生异常后取消所有的子协程的运行,而supervisorScope并不会取消其他的子协程。

如何保证收到异常

前面有介绍过async里面如果发生异常是不会直接抛出的,直到 await 得到调用,所以下面的代码不会抛出异常。

val unrelatedScope = MainScope()
// example of a lost error
suspend fun lostError() {
    // async without structured concurrency
    unrelatedScope.async {
        throw InAsyncNoOneCanHearYou("except")
    }
}
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但是coroutineScope会等到协程执行完毕,所以发生异常后会抛出。下面的代码会抛出异常。

suspend fun foundError() {
    coroutineScope {
        async { 
            throw StructuredConcurrencyWill("throw")
        }
    }
}
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结构化并发保证当协程出错时,协程的调用者或者他的做用户会得到通知

由此可见 结构化并发可以保证代码更加安全,避免了协程的泄漏问题

  • 当作用域被取消,里面所有的协程被取消,因而可以取消不再需要的任务
  • suspend函数返回,里面的工作能保证完成,因而可以追踪正在执行的任务
  • 当协程出错,调用者或者作用域会收到通知,从而可以进行异常处理

参考文档:

 Coroutines on Android (part I): Getting the background 

 Coroutines on Android (part II): Getting started 

 Understand Kotlin Coroutines on Android (Google I/O'19) 

 Using Kotlin Coroutines in your Android App 

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