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Kotlin 应用 | 用协程控制多个并行异步结果的优先级

你会怎么实现下面这个场景?应用首页有三个优先级从高到低的弹窗,展示内容依赖网络请求,若低优先级弹窗请求先返回则需等待,让高优先级先展示。

串行请求是最容易想到的解决方案,即先请求最高优先级的弹窗,当它返回展示后再请求第二优先级弹窗。但这样会拉长所有弹窗的展示时间。

性能更好的方案是同时并行发出三个请求,但网络请求时长的不确定性使得最高优先级的弹窗不一定优先返回,所以得设计一种优先级阻塞机制。本文使用 协程 + 链式队列 实现这个机制。

异步任务链

把单个异步任务进行抽象:

// 单个异步任务
class Item {
    companion object {
        // 默认异步优先级
        const val PRIORITY_DEFAULT = 0
    }
    
    // 异步操作:耗时的异步操作
    var suspendAction: (suspend () -> Any?)? = null
        set(value) {
            field = value
            value?.let {
                // 启动协程执行异步操作
                GlobalScope.launch { deferred = async { it.invoke() } }
            }
        }
    // 异步响应:异步操作结束后要做的事情
    var resumeAction: ((Any?) -> Unit)? = null
    // 异步结果:异步操作返回值
    var deferred: Deferred<*>? = null
    // 异步优先级
    var priority: Int = PRIORITY_DEFAULT
}
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异步任务有三个主要的属性,分别是异步操作suspendAction、异步响应resumeAction、异步结果deferred。每当异步操作被赋值时,就启动协程执行它,并将其返回值保存在deferred中。

为了确保异步任务的优先级,把多个异步任务用链的方式串起来,组成异步任务链

class Item {
    companion object {
        const val PRIORITY_DEFAULT = 0
    }

    var suspendAction: (suspend () -> Any?)? = null
        set(value) {
            field = value
            value?.let {
                GlobalScope.launch { deferred = async { it.invoke() } }
            }
        }
        
    var resumeAction: ((Any?) -> Unit)? = null
    var deferred: Deferred<*>? = null
    var priority: Int = PRIORITY_DEFAULT
    
    // 异步任务前结点(Item 包含 Item)
    internal var next: Item? = null
    // 异步任务后结点(Item 包含 Item)
    internal var pre: Item? = null

    // 在当前结点后插入新结点
    internal fun addNext(item: Item) {
        next?.let {
            it.pre = item
            item.next = it
            item.pre = this
            this.next = item
        } ?: also { // 尾结点插入
            this.next = item
            item.pre = this
            item.next = null
        }
    }

    // 在当前结点前插入新结点
    internal fun addPre(item: Item) {
        pre?.let {
            it.next = item
            item.pre = it
            item.next = this
            this.pre = item
        } ?: also { // 头结点插入
            item.next = this
            item.pre = null
            this.pre = item
        }
    }
}
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自己包含自己 的方式就能实现链式结构。Android 消息列表也用同样的结构:

public final class Message implements Parcelable {
    Message next;
    ...
}
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链必须有个头结点,存放头结点的类就是存放整个链的类,就好像消息列表MessageQueue一样:

public final class MessageQueue {
    Message mMessages;
}
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模仿消息列表,写一个异步任务链

// 异步任务链
class SuspendList {
    // 头结点
    private var head: Item = emptyItem()
    
    // 向异步任务链插入结点
    fun add(item: Item) {
        // 从头结点向后查找插入位置,找到再后插入
        head.findItem(item.priority).addNext(item)
    }
    
    // 根据优先级向后查找插入位置(优先级升序)
    private fun Item.findItem(priority: Int): Item {
        // 当前结点
        var p: Item? = this
        // 当前结点的后续结点
        var next: Item? = p?.next
        // 从当前结点开始向后遍历异步任务链
        while (next != null) {
            // 若优先级介于当前结点和其后续结点之间,则表示找到插入位置
            if (priority in p!!.priority until next.priority) {
                break
            }
            p = p.next
            next = p?.next
        }
        return p!!
    }
    
    // 观察异步任务链并按优先级阻塞
    fun observe() = GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) {
        // 从头结点向后遍历异步任务链
        var p: Item? = head.next
        while (p != null) {
            // 在每个异步结果上阻塞,直到异步任务完成后执行异步响应
            p.resumeAction?.invoke(p.deferred?.await())
            p = p.next
        }
    }

    // 异步任务(已讲解不再赘述)
    class Item { ... }
}

// 空结点(头结点)
fun emptyItem(): SuspendList.Item = SuspendList.Item().apply { priority = -1 }
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SuspendList持有链的头结点,为了使“头插入”和“中间插入”复用一套代码,将头结点设置为“空结点”。

异步任务链上的任务按优先级升序排列(优先级数字越小优先级越高)。这保证了优先级最高的异步任务总是在链表头。

优先级阻塞:当所有异步任务都被添加到链之后,调用observe()观察整个异步任务链。该方法启动了一个协程,在协程中从头结点向后遍历链,并在每个异步任务的Deferred上阻塞。因为链表已按优先级排序,所以阻塞时也是按优先级从高到低进行的。

全局作用域

真实业务场景中,需要统一安排优先级的异步任务可能是跨界面的。这就要求异步任务链能全局访问,单例是一个最直接的选择,但它限制了整个 App 中异步任务链的数量:

// 私有构造函数
class SuspendList private constructor() {
    companion object {
        // 静态 map 存放所有异步任务链
        var map = ArrayMap<String, SuspendList>()
        // 根据 key 构建异步任务链
        fun of(key: String): SuspendList = map[key] ?: let {
            val p = SuspendList()
            map[key] = p
            p
        }
    }
    ...
}
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然后就可以像这样使用异步任务链:

// 构建异步任务链
SuspendList.of("dialog").apply {
    // 向链添加异步任务1
    add(Item {
        suspendAction = { fetchUser() }
        resumeAction = { user: Any? -> onUserResume(user) }
        priority = 3
    })
    // 向链添加异步任务2
    add(Item {
        suspendAction = { fetchActivity() }
        resumeAction = { activity: Any? -> onActivityResume(activity) }
        priority = 1
    })
}.observe()

suspend fun fetchUser(): String {
    delay(4000)
    return "User Taylor"
}

suspend fun fetchActivity(): String {
    delay(5000)
    return "Activity Bonus"
}

private fun onActivityResume(activity: Any?) {
    Log.v("test", "activity(${activity.toString()}) resume")
}

private fun onUserResume(user: Any?) {
    Log.v("test", "user(${user.toString()}) resume")
}
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上述代码构建了一个名为 dialog 的异步任务链,向其中添加了两个异步任务,并按优先级观察它们的结果。

其中Item()是一个顶层方法,用于构建单个异步任务:

fun Item(init: SuspendList.Item.() -> Unit): SuspendList.Item = SuspendList.Item().apply(init)
复制代码

这是构建对象 DSL 的标准写法,详细讲解可以参见这里

运用 DSL 的思路还可以进一步将构建代码简化成这样:

SuspendList.of("dialog") {
    Item {
        suspendAction = { fetchUser() }
        resumeAction = { user: Any? -> onUserResume(user) }
        priority = 3
    }
    Item {
        suspendAction = { fetchActivity() }
        resumeAction = { activity: Any? -> onActivityResume(activity) }
        priority = 1
    }
}.observe()
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不过需要对原先的of()Item()做一些调整:

// 新增接收者为SuspendList的 lambda 参数,为构建异步任务提供外层环境
fun of(key: String, init: SuspendList.() -> Unit): SuspendList = (map[key] ?: let {
    val p = SuspendList()
    map[key] = p
    p
}).apply(init)

// 将构建异步任务声明为SuspendList的扩展方法
// 构建异步任务后将其插入到异步任务链中
fun SuspendList.Item(init: SuspendList.Item.() -> Unit): SuspendList.Item = 
    SuspendList.Item().apply(init).also { add(it) }
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异步超时

若某个高优先级的异步任务迟迟不能结束,其它任务只能都被阻塞?

得加个超时参数:

class Item {
    // 为异步操作赋值时,不再立刻构建协程
    var suspendAction: (suspend () -> Any?)? = null
    // 超时时长
    var timeout: Long = -1
    ...
}
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为单个异步任务添加超时时长参数,还得重构一下异步任务的构建函数:

fun SuspendList.Item(init: SuspendList.Item.() -> Unit): SuspendList.Item =
        SuspendList.Item().apply {
            // 为异步任务设置各种参数
            init()
            // 启动协程
            GlobalScope.launch {
                // 将异步任务结果包装成 Deferred
                deferred = async {
                    // 若需要超时机制
                    if (timeout > 0) {
                        withTimeoutOrNull(timeout) { suspendAction?.invoke() }
                    }
                    // 不需要超时机制
                    else {
                        suspendAction?.invoke()
                    }
                }
            }
        }.also { add(it) }
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原本在suspendAction赋值时就立马启动协程,现在将其延后,等所有参数都设置完毕后才启动。这样可以避免“先为 suspendAction 赋值,再为 timeout 赋值”case 下超时无效的 bug。

使用withTimeoutOrNull()实现超时机制,当超时发生时,业务会从resumeAction中获得null

异步任务生命周期管理

构建异步任务链时使用了GlobalScope.launch()启动协程,其创建的协程不符合structured-concurrency。所以需要手动管理生命周期:

class SuspendList private constructor() {
    class Item {
        // 为异步任务新增 Job 属性,指向其对应的协程
        internal var job:Job? = null
        ...
    }
    
    // observer()返回类型为 Job,业务层可以在需要的时候取消它
    fun observe() = GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) {
        var p: Item? = head.next
        while (p != null) {
            p.resumeAction?.invoke(p.deferred?.await())
            // 当异步任务响应被处理后,取消其协程以释放资源
            p.job?.cancel()
            p = p.next
        }
    }
}

fun SuspendList.Item(init: SuspendList.Item.() -> Unit): SuspendList.Item =
        SuspendList.Item().apply {
            init()
            // 将该异步任务的协程存储在 job 中
            job = GlobalScope.launch {
                deferred = async {
                    if (timeout > 0) {
                        withTimeoutOrNull(timeout) { suspendAction?.invoke() }
                    } else {
                        suspendAction?.invoke()
                    }
                }
            }
        }.also { add(it) }
复制代码

Talk is cheap, show me the code

本篇的完整源码可以点击这里

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