kotlin-协程

Why

  • 简化异步代码的编写。
  • 执行严格主线程安全确保你的代码永远不会意外阻塞主线程，并增强了代码的可读性。
  • 提升代码安全性，不会发生内存泄露。
  • 协程间通信。

What

协程的概念在编程语言的早期就出现了，在1967年Simula第一次使用协程。
协程就像非常轻量级的线程。
线程是由系统调度的，线程切换或线程阻塞的开销都比较大。而协程依赖于线程，但是协程挂起时不需要阻塞线程，几乎是无代价的，协程是由开发者控制的。所以协程也像用户态的线程，非常轻量级，一个线程中可以创建任意个协程。

举个通俗易懂的栗子，不一定准确。假如要从 地铁A站 去 地铁C站 看和一个妹子约会，但是当到达 地铁B站 的时候，你想来想去应该去给妹子买个精美的礼物，大概要1个小时，而从 A站 到 C站 只有这一辆列车，只不过开的飞快，每10分钟又回到 A站重新出发，地铁好比一条线程，你去买礼物回到B站好比一个任务。在同步阻塞的情况下，是你去买礼物这段时间，地铁一直等你，直到你带着礼物回来。在有协程的情况下，你去买礼物好比一段协程，地铁把你在B站放下(挂起)，地铁继续开，你买好礼物了就在B站等下趟地铁来，继续上车(恢复)前去约妹子。在异步的情况下是，你去买礼物(异步任务)，地铁继续往前开，但是地铁司机给你一个电话号码(callback)，你买礼物回到B站的时候需要打我的电话号码，才让你上车。异步callback的时候有个问题，每个人下车去临时办事司机还要给他一个电话号码，如果他出异常不回来了，可能会导致司机的电话号码泄露，非常不安全。

How

在Android开发中，经常遇到的问题：

  • Long running tasks
  • Main-safety
  • Leak work

Long running tasks

  • 一次CPU循环小于0.0000000004秒
  • 一次网络请求大约0.4秒

在Android中主线程主要用户UI的渲染和响应用户手势交互，以及轻量级的逻辑运算。若果在主线程发起一个请求，将会导致应用变慢、变卡、无法响应用户的交互，很容易造成ARN，用户体验极差。所以业界通行的做法是通过callback实现异步回调：

class ViewModel: ViewModel() {
   fun fetchDocs() {
       get("developer.android.com") { result ->
           show(result)
       }
    }
}

上面callback的示例只是一层回调的情况，假如有两个甚至更多的异步请求，而且存在下一个请求依赖上一个请求的结果，就会存在层层嵌套，当然目前比较流行的做法是用Retrofit的转换函数flatMap实现链式调用，但是代码看起来还是很臃肿。如果使用协程上面的代码可以简化成这样：

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

suspend fun get(url: String) = withContext(Dispatchers.IO) {
    // Make a request
    // Dispatchers.IO
}

Coroutines提供一个很好途径可以简化耗时任务的代码编写，使得异步callback的代码可以像同步代码一样顺序编写。Coroutines在普通的方法上面加上两个新的操作。除了call 并 return，Coroutines还增加 suspend 和 resume。
协程使用栈帧管理当前运行的方法和方法的所有本地变量。当协程开始挂起，当前栈帧被复制并保存以供后续使用。当协程开始被恢复，栈帧将从它被保存的地方恢复回来，当前栈帧的方法继续执行。

  • suspend: 挂起当前协程的执行，将当前执行栈帧的所有本地变量和函数copy出来并保存。
  • resume: 从挂起的地方继续当前协程的执行。

suspend functions只能在协程或者suspend functions 中被调用。

Main-safety with coroutines

在Kotlin协程中，写的好的suspend functions 总是应该可以安全的从主线程被调用，也应该允许从任何线程被调用。使用suspend修饰的 function并不是告诉Kotlin这个方法在主线程运行。

为了写一个主线程安全的耗时方法，你可以让协程在Default 或者 IO dispatcher中执行(用withContext(Dispatchers.IO)指定在IO线程中运行)。在协程所有的协程必须运行在dispatcher中，即使他们运行在主线程中。Coroutines将会挂起自己，dispatcher知道如何恢复他们。

为了指定coroutines在什么线程运行，kotlin提供了四种Dispatchers：

Dispatchers 用途 使用场景
Dispatchers.Main 主线程，和UI交互，执行轻量任务 1.call suspend functions。2. call UI functions。 3. Update LiveData
Dispatchers.IO 用于网络请求和文件访问 1. Database。 2.Reading/writing files。3. Networking
Dispatchers.Default CPU密集型任务 1. Sorting a list。 2.Parsing JSON。 3.DiffUtils
Dispatchers.Unconfined 不限制任何制定线程 高级调度器，不应该在常规代码里使用

假如你在Room中使用suspend functions 、RxJava、 LiveData，它自动提供了主线程安全。

// Dispatchers.Main
suspend fun fetchDocs() {
    // Dispatchers.Main
    val result = get("developer.android.com")
    // Dispatchers.Main
    show(result)
}
// Dispatchers.Main
suspend fun get(url: String) =
    // Dispatchers.IO
    withContext(Dispatchers.IO) {
        // Dispatchers.IO
        /* perform blocking network IO here */
    }
    // Dispatchers.Main

Leak work

你的程序里面可能会有成千上万个协程，你很难通过代码手动追踪它们，假如你通过代码手动追踪他们以确保它们完成或取消，那么代码会显得臃肿且很容易出错。如果代码不是很完美，可能会失去对coroutine的追踪，并导致任务泄露。任务泄露就像内存泄露，但是更严重。它不但会浪费内存的使用，还有cpu、磁盘，甚至会发起一个网络请求。

在android中，我们知道Activity和Fragment等都是有生命周期的，我们通常的模式是当前页面退出的时候，取消所有的异步任务。假如有一个异步的网络请求，在当前页面销毁的时候还在执行，会导致哪些问题：

  • 空指针异常。为请求结果回来之后去更新UI状态，而意外导致空指针异常。
  • 浪费内存资源。
  • 浪费CPU资源。

为了避免协程泄露，kotlin引入 结构化并发 。结构化并发是语言特性和最佳实践的组合，如果我们遵循最佳实践，将帮助追踪运行在协程中的任务。在Android中结构化并发可以帮我们做如下三件事：

  • 取消任务，当协程不再需要的时候。
  • 追踪任务，当协程运行的时候。
  • 传播错误信号，当协程执行失败的时候。

解决方式：

  • CoroutineScope 取消任务，其实是通过关联的job取消任务。
  • 任务追踪，coroutines的结构化并发通过coroutineScope 和 supervisorScope 保证 suspend function的所有任务完成才返回。
  • 传播错误信号，coroutineScope 保证错误双向传递，只要有一个子coroutine失败或出现异常，异常往父域传递，并取消所有的子coroutines。而 supervisorScope 实现单向错误传递，适用于作业监控器。
CoroutineScope

在kotlin中所有的协程必须运行在CoroutineScope中，scope帮你追踪所有协程的状态，但是它不像Dispatcher，并不运行你的协程。它可以取消所有在里面启动的协程。启动一个新协程：

scope.launch {
    // This block starts a new coroutine 
    // "in" the scope.
    // 
    // It can call suspend functions
   fetchDocs()
}

创建CoroutineScope的常见方式如下：

  • CoroutineScope(context: CoroutineContext)，api方法，如：val scope = CoroutineScope(Dispatchers.Main + Job())，或者如下：
class LifecycleCoroutineScope : CoroutineScope, Closeable {

    private val job = JobSupervisorJob()
    override val coroutineContext: CoroutineContext
        get() = Dispatchers.Main + job

    override fun close() {
        job.cancel()
    }
}

class SimpleRetrofitActivity : FragmentActivity() {
    private val activityScope = LifecycleCoroutineScope()
    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_simple_retrofit)

        // some other code ...
    }

    override fun onDestroy() {
        super.onDestroy()
        activityScope.close()
    }
    // some other code ...
}
  • coroutineScope：api方法，创建新一个子域，并管理域中的所有协程。注意这个方法只有在block中创建的所有子协程全部执行完毕后，才会退出。
  • supervisorScope：与 coroutineScope的区别是在子协程失败时，错误不会往上传递给父域，所以不会影响子协程。

创建协程的常见方式如下：

  • lauch：协程构建器，创建并启动(也可以延时启动)一个协程，返回一个Job，用于监督和取消任务，用于无返回值的场景。
  • async：协程构建器，和launch一样，区别是返回一个Job的子类 Deferred，唯一的区别是可以通过await获取完成时的返回值，或者捕获异常（异常处理也不一样）。

在Android中有一个kotlin的ViewModel的扩展库 lifecycle-viewmodel-ktx:2.1.0-alpha04，可以通过viewModelScope扩展属性启动协程，viewModelScope绑定了activity的生命周期，activity销毁的时候会自动取消在这个scope中启动的所有协程。

fun runForever() {
    // start a new coroutine in the ViewModel
    viewModelScope.launch {
        // cancelled when the ViewModel is cleared
        while(true) {
            delay(1_000)
            // do something every second
        }
    }
}

注意，协程的取消是协作的，当协程挂起的时候被取消将会抛一个 CancellationException，即使你捕获了这个异常，这个协程的状态也变为取消状态。假如你是一个计算协程，并且没有检查取消状态，那么这个协程不能被取消。

val startTime = System.currentTimeMillis()
val job = launch(Dispatchers.Default) {
    var nextPrintTime = startTime
    var i = 0
    while (i < 5) { // computation loop, just wastes CPU
        // print a message twice a second
        if (System.currentTimeMillis() >= nextPrintTime) {
            println("job: I'm sleeping ${i++} ...")
            nextPrintTime += 500L
        }
    }
}
delay(1300L) // delay a bit
println("main: I'm tired of waiting!")
job.cancelAndJoin() // cancels the job and waits for its completion
println("main: Now I can quit.")
任务追踪

有时，我们希望两个或多个请求同时并发，并等待他们全部完成，suspend function 加上 coroutineScope 创建的子域可以保证全部子协程完成才返回。

suspend fun fetchTwoDocs() {
    coroutineScope {
        launch { fetchDoc(1) }
        async { fetchDoc(2) }
    }
}
传播错误信号

注意协程的结构化并发是基于语言特性加上最佳实践的，如下方式会导致，错误丢失：

val unrelatedScope = MainScope()
// example of a lost error
suspend fun lostError() {
    // async without structured concurrency
    unrelatedScope.async {
        throw InAsyncNoOneCanHearYou("except")
    }
}

上面代码丢失错误是因为 async的恢复需要调用await，这样才能将异常重新上传，而在suspend function 使用了另外一个协程域，导致lostError不会等待自作业的完成就退出了。正确的结构化并发：

suspend fun foundError() {
    coroutineScope {
        async { 
            throw StructuredConcurrencyWill("throw")
        }
    }
}

你可以通过CoroutineScope (注意是大写开头的C) 和 GlobalScope来创建 非结构化的协程，仅仅当你认为它的生命周期比调用者生命周期更长。

总结

  • CoroutineScope：协程作用域包含 CoroutineContext，用于启动协程，并追踪子协程，其实是通过Job追踪的。
  • CoroutineContext：协程上下文，主要包含Job和CoroutineDispatcher，表示一个协程的场景。
  • CoroutineDispatcher：协程调度器，决定协程所在的线程或线程池。它可以指定协程运行于特定的一个线程、一个线程池或者不指定任何线程。
  • Job：任务，封装了协程中需要执行的代码逻辑。Job 可以取消并且有简单生命周期，它有三种状态：isActive、isCompleted、isCancelled。
  • Deferred：Job的子类，有返回值的Job，通过await获取。
  • 协程构建器包括：lauch、async。

示例

参考

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