<em>Mac</em>Book项目 2009年学校开始实施<em>Mac</em>Book项目,所有师生配备一本<em>Mac</em>Book,并同步更新了校园无线网络。学校每周进行电脑技术更新,每月发送技术支持资料,极大改变了教学及学习方式。因此2011
2021-06-01 09:32:01
協程是Coroutine的中文簡稱,co表示協同、共同作業,routine表示程式。協程可以理解為多個互相共同作業的程式。協程是輕量級的執行緒,它的輕量體現在啟動和切換,協程的啟動不需要申請額外的堆疊空間;協程的切換髮生在使用者態,而非核心態,避免了複雜的系統呼叫。
1)更加輕量級,佔用資源更少。
2)避免“回撥地獄”,增加程式碼可讀性。
3)協程的掛起不阻塞執行緒。
Kotlin協程原理核心體現在“續體傳遞”與“狀態機”兩部分。
1)續體傳遞
續體傳遞是一種程式碼編寫風格——續體傳遞風格(Continuation-Passing-Style),簡稱為CPS。續體傳遞本質上是程式碼的回撥與結果的傳遞。假設將順序執行程式碼分成兩部分,第一部分執行完成,返回一個結果(可能為空、一個物件參照、一個具體的值)。接著通過回撥執行第二部分程式碼,並傳入第一部分程式碼返回的結果,這種形式的程式碼編寫風格就是續體傳遞風格。
具體地,假設要計算一個複雜的計算,正常情況會這樣編寫,程式碼如下:
fun calculate(a: Int, b: Int): Int = a + b fun main() { val result = calculate(1, 2) Log.d("liduo",result) }
把上面的程式碼改造成續體傳遞風格。首先,定義一個續體傳遞介面,程式碼如下:
interface Continuation { fun next(result: Int) }
對calculate方法進行改造,程式碼如下:
fun calculate(a: Int, b: Int, continuation: Continuation) = continuation.next(a + b) fun main() { calculate(1, 2) { result -> Log.d("liduo", result) } }
經過續體傳遞改造後,列印紀錄檔的操作被封裝到了Continuation中,並且依賴計算操作的回撥。如果continuation方法不回撥執行引數continuation,列印紀錄檔的操作將永遠不會被執行。
原本順序執行一段程式碼(邏輯),在經過一次續體改造後變成了兩段程式碼(邏輯)。
2)狀態機
協程的程式碼在經過Kotlin編譯器處理時,會被優化成狀態機模型。每段程式碼有三個狀態:未執行、掛起、已恢復(完成)。處於未執行狀態的程式碼可以被執行,執行過程中發生掛起,會進入掛起狀態,從掛起中恢復或執行完畢會進入已恢復(完成)狀態。當多個像這樣的程式碼進行共同作業時,可以組合出更復雜的狀態機。
協程上下文是一組可以附加到協程中的持久化使用者定義物件,程式碼如下:
interface CoroutineContext { // 過載"[]"操作 operator fun <E : Element> get(key: Key<E>): E? // 單值歸一化操作 fun <R> fold(initial: R, operation: (R, Element) -> R): R // 過載 "+"操作 operator fun plus(context: CoroutineContext): CoroutineContext // 獲取當前指定key外的其他上下文 fun minusKey(key: Key<*>): CoroutineContext interface Element : CoroutineContext { val key: Key<*> } interface Key<E : Element> }
Element介面繼承自CoroutineContext介面,協程中的攔截器、排程器、例外處理器以及代表協程自身生命週期等重要的類,都實現了Element介面。
Element介面規定每個實現該介面的物件都要有一個獨一無二的Key,以便在需要的時候可以在協程上下文中快速的找到。因此,協程上下文可以理解為是一個Element的索引集,一個結構介於Set和Map之間的索引集。
協程作用域用於管理作用域內協程的生命週期,程式碼如下:
interface CoroutineScope { // 作用域內啟動協程的預設上下文 val coroutineContext: CoroutineContext }
協程中提供了兩個常用的方法來建立新的協程作用域,一個是coroutineScope方法,一個是supervisorScope方法,這兩種方法建立的作用域中的上下文會自動繼承父協程的上下文。除此之外,使用GlobalScope啟動協程,也會為協程建立一個新的協程作用域,但協程作用域的上下文為空上下文。
當父協程被取消或發生異常時,會自動取消父協程所有的子協程。當子協程取消或發生異常時,在coroutineScope作用域下,會導致父協程取消;而在supervisorScope作用域下,則不會影響父協程。
協程的作用域只對父子協程有效,對子孫協程無效。例如:啟動父協程,在supervisorScope作用域內啟動子協程。當子協程在啟動孫協程時,在不指定為supervisorScope作用域的情況下,預設為coroutineScope作用域。
協程排程器用於切換執行協程的執行緒。常見的排程器有以下4種:
注意:Dispatchers.Default排程器和Dispatchers.IO 排程器分配的執行緒為守護執行緒。
協程共有以下四種啟動模式:
每個協程在建立後都會返回一個Job介面指向的物件,一個Job物件代表一個協程,用於控制生命週期,程式碼如下:
interface Job : CoroutineContext.Element { ... // 三個狀態標誌 val isActive: Boolean val isCompleted: Boolean val isCancelled: Boolean // 獲取具體的取消異常 fun getCancellationException(): CancellationException // 啟動協程 fun start(): Boolean // 取消協程 fun cancel(cause: CancellationException? = null) ... // 等待協程執行結束 suspend fun join() // 用於select語句 val onJoin: SelectClause0 // 用於註冊協程執行結束的回撥 fun invokeOnCompletion(handler: CompletionHandler): DisposableHandle ... }
1)協程狀態的轉換
在DEFAULT、ATOMIC、UNDISPATCHED這三個模式下,啟動協程會進入Active狀態,而在LAZY模式下啟動的協程會進入New狀態,需要在手動呼叫start方法後進入Active狀態。
Completing是一個內部狀態,對外不可感知。
2)狀態標識的變化
State | [isActive] | [isCompleted] | [isCancelled] |
---|---|---|---|
New | false | false | false |
Active | true | false | false |
Completing | true | false | false |
Cancelling | false | false | true |
Cancelled | false | true | true |
Completed | fasle | true | false |
1)runBlocking方法
fun <T> runBlocking(context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext, block: suspend CoroutineScope.() -> T): T
該方法用於在非協程作用域環境中啟動一個協程,並在這個協程中執行lambda表示式中的程式碼。同時,呼叫該方法會阻塞當前執行緒,直到lambda表示式執行完畢。該方法不應該在協程中被呼叫,該方法設計的目的是為了讓suspend編寫的程式碼可以在常規的阻塞程式碼中呼叫。如果不設定協程排程器,那麼協程將在當前被阻塞的執行緒中執行。範例程式碼如下:
private fun main() { // 不指定排程器,在方法呼叫的執行緒執行 runBlocking { // 這裡是協程的作用域 Log.d("liduo", "123") } } private fun main() { // 指定排程器,在IO執行緒中執行 runBlocking(Dispatchers.IO) { // 這裡是協程的作用域 Log.d("liduo", "123") } }
2)launch方法
fun CoroutineScope.launch( context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext, start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT, block: suspend CoroutineScope.() -> Unit ): Job
該方法用於在協程作用域中非同步啟動一個新的協程,呼叫該方法不會阻塞執行緒。範例程式碼如下:
private fun test() { // 作用域為GlobalScope // 懶啟動,主執行緒執行 val job = GlobalScope.launch( context = Dispatchers.Main, start = CoroutineStart.LAZY) { Log.d("liduo", "123") } // 啟動協程 job.start() }
3)async方法
fun <T> CoroutineScope.async( context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext, start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT, block: suspend CoroutineScope.() -> T ): Deferred<T>
該方法用於在協程作用域中中非同步啟動一個新的協程,呼叫該方法不會阻塞執行緒。async方法與launch方法的不同之處在於可以攜帶返回值。呼叫該方法會返回一個Deferred介面指向的物件,呼叫該物件可以獲取協程執行的結果。同時,Deferred介面繼承自Job介面,因此仍然可以操作協程的生命週期。範例程式碼如下:
// suspend標記 private suspend fun test(): Int { // 作用域為GlobalScope,返回值為Int型別,,泛型可省略,自動推斷 val deffer = GlobalScope.async<Int> { Log.d("liduo", "123") // 延時1s delay(1000) 1 } // 獲取返回值 return deffer.await() }
通過呼叫返回的Deferred介面指向物件的await方法可以獲取返回值。在呼叫await方法時,如果協程執行完畢,則直接獲取返回值。如果協程還在執行,則該方法會導致協程掛起,直到執行結束或發生異常。
4)suspend關鍵字
suspend關鍵字用於修飾一個方法(lambda表示式)。suspend修飾的方法稱為suspend方法,表示方法在執行中可能發生掛起。為什麼是可能呢?比如下面的程式碼雖然被suspend修飾,但實際並不會發生掛起:
private suspend fun test() { Log.d("liduo", "123") }
由於會發生掛起,因此suspend方法只能在協程中使用。suspend方法內部可以呼叫其他的suspend方法,也可以非suspend方法。但suspend方法只能被其他的suspend方法呼叫。
5)withContext方法
suspend fun <T> withContext( context: CoroutineContext, block: suspend CoroutineScope.() -> T ): T
該方法用於在當前協程的執行過程中,切換到排程器指定的執行緒去執行引數block中的程式碼,並返回一個結果。呼叫該方法可能會使當前協程掛起,並在方法執行結束時恢復掛起。範例程式碼如下:
private suspend fun test() { // IO執行緒啟動並執行,啟動模式DEFAULT GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) { Log.d("liduo", "start") // 執行緒主切換並掛起,泛型可省略,自動推斷 val result = withContext<String>(Dispatchers.Main) { // 網路請求 "json data" } // 切換回IO執行緒 Log.d("liduo", result) } }
6)suspend方法
inline fun <R> suspend(noinline block: suspend () -> R): suspend () -> R = block
該方法用於對掛起方法進行包裹,使掛起方法可以在非掛起方法中呼叫。該方法需要配合createCoroutine方法啟動協程。範例程式碼如下:
// 返回包含當前的協程程式碼的續體 val continuation = suspend { // 執行協程程式碼 // 泛型可以修改需要的型別 }.createCoroutine(object : Continuation<Any> { override val context: CoroutineContext get() = EmptyCoroutineContext + Dispatchers.Main override fun resumeWith(result: Result<Any>) { // 獲取最終結果 } }) // 執行續體內容 continuation.resume(Unit)
一般開發中不會通過該方法啟動協程,但該方法可以更本質的展示協程的啟動、恢復、掛起。
1)Channel
Channel用於協程間的通訊。Channel本質上是一個並行安全的佇列,類似BlockingQueue。在使用時,通過呼叫同一個Channel物件的send和receive方法實現通訊,範例程式碼如下:
suspend fun main() { // 建立 val channel = Channel<Int>() val producer = GlobalScope.launch { var i = 0 while (true){ // 傳送 channel.send(i++) delay(1000) // channel不需要時要及時關閉 if(i == 10) channel.close() } } // 寫法1:常規 val consumer = GlobalScope.launch { while(true){ // 接收 val element = channel.receive() Log.d("liduo", "$element") } } // 寫法2:迭代器 val consumer = GlobalScope.launch { val iterator = channel.iterator() while(iterator.hasNext()){ // 接收 val element = iterator.next() Log.d("liduo", "$element") } } // 寫法3:增強for迴圈 val consumer = GlobalScope.launch { for(element in channel){ Log.d("liduo", "$element") } } // 上面的協程由於不是懶啟動,因此建立完成直接就會start去執行 // 也就是說,程式碼走到這裡,上面的兩個協程已經開始工作 // join方法會掛起當前協程,而不是上面已經啟動的兩個協程 // 在Android環境中,下面兩行程式碼可以不用新增 // producer.join() // consumer.join() }
上述例子是一個經典的生產者-消費者模型。在寫法1中,由於send方法和receive方法被suspend關鍵字修飾,因此,在預設情況下,當生產速度與消費速度不匹配時,呼叫這兩個方法會導致協程掛起。
除此之外,Channel支援使用迭代器進行接收。其中,hasNext方法也可能會導致協程掛起。
Channel物件在不使用時要及時關閉,可以由傳送者關閉,也可以由接收者關閉,具體取決於業務場景。
2)Channel的容量
Channel方法不是Channel的構造方法,而是一個工廠方法,程式碼如下:
fun <E> Channel(capacity: Int = RENDEZVOUS): Channel<E> = when (capacity) { RENDEZVOUS -> RendezvousChannel() UNLIMITED -> LinkedListChannel() CONFLATED -> ConflatedChannel() BUFFERED -> ArrayChannel(CHANNEL_DEFAULT_CAPACITY) else -> ArrayChannel(capacity) }
在建立Channel時可以指定容量:
3)produce方法與actor方法
fun <E> CoroutineScope.produce( context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext, capacity: Int = 0, @BuilderInference block: suspend ProducerScope<E>.() -> Unit ): ReceiveChannel<E>
fun <E> CoroutineScope.actor( context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext, capacity: Int = 0, start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT, onCompletion: CompletionHandler? = null, block: suspend ActorScope<E>.() -> Unit ): SendChannel<E>
與launch方法和async方法相同,使用produce方法與actor方法也可以啟動協程。但不同的是,在produce方法與actor方法中可以更簡潔的使用Channel。範例程式碼如下:
// 啟動協程,返回一個接收Channel val receiveChannel: ReceiveChannel<Int> = GlobalScope.produce { while(true){ delay(100) // 傳送 send(1) } } // 啟動協程,返回一個傳送Channel val sendChannel: SendChannel<Int> = GlobalScope.actor<Int> { while(true){ // 接收 val element = receive() Log.d("liduo","$element") } }
produce方法與actor方法內部對Channel物件做了處理,當協程執行完畢,自動關閉Channel物件。
但目前,produce方法還處於試驗階段(被ExperimentalCoroutinesApi註解修飾)。而actor方法也已經過時(被ObsoleteCoroutinesApi註解修飾)。因此在實際開發中最好不要使用!
4)BroadcastChannel
當遇到一個傳送者對應多個接收者的場景時,可以使用BroadcastChannel。程式碼如下:
fun <E> BroadcastChannel(capacity: Int): BroadcastChannel<E> = when (capacity) { 0 -> throw IllegalArgumentException("Unsupported 0 capacity for BroadcastChannel") UNLIMITED -> throw IllegalArgumentException("Unsupported UNLIMITED capacity for BroadcastChannel") CONFLATED -> ConflatedBroadcastChannel() BUFFERED -> ArrayBroadcastChannel(CHANNEL_DEFAULT_CAPACITY) else -> ArrayBroadcastChannel(capacity) }
建立BroadcastChannel物件時,必須指定容量大小。接收者通過呼叫BroadcastChannel物件的openSubscription方法,獲取ReceiveChannel物件來接收訊息。範例程式碼如下:
// 建立BroadcastChannel,容量為5 val broadcastChannel = BroadcastChannel<Int>(5) // 建立傳送者協程 GlobalScope.launch { // 傳送 1 broadcastChannel.send(1) delay(100) // 傳送 2 broadcastChannel.send(2) // 關閉 broadcastChannel.close() }.join() // 建立接收者1協程 GlobalScope.launch { // 獲取ReceiveChannel val receiveChannel = broadcastChannel.openSubscription() // 接收 for (element in receiveChannel) { Log.d("receiver_1: ", "$element") } }.join() // 建立接收者2協程 GlobalScope.launch { // 獲取ReceiveChannel val receiveChannel = broadcastChannel.openSubscription() // 接收 for (element in receiveChannel) { Log.d("receiver_2: ", "$element") } }.join()
每個接收者都可以收到傳送者傳送的每一條訊息。使用擴充套件方法broadcast可以直接將Channel物件轉化為BroadcastChannel物件,範例程式碼如下:
val channel = Channel<Int>() val broadcastChannel = channel.broadcast(10)
BroadcastChannel的很多方法也處於試驗階段(被ExperimentalCoroutinesApi註解修飾),使用時需慎重!
協程中提供了類似Java中Nio的select方法,用於多路複用,程式碼如下:
suspend inline fun <R> select(crossinline builder: SelectBuilder<R>.() -> Unit): R
以Channel的多路複用為例,具體看一下select方法的使用。範例程式碼如下:
private suspend fun test() { // 建立一個Channel列表 val channelList = mutableListOf<Channel<Int>>() // 假設其中有5個Channel channelList.add(Channel()) channelList.add(Channel()) channelList.add(Channel()) channelList.add(Channel()) channelList.add(Channel()) // 呼叫select方法,協程掛起 val result = select<Int> { // 對5個Channel進行註冊監聽,等待接收 channelList.forEach { it.onReceive } } // 當5個Channel中任意一個接收到訊息時,select掛起恢復 // 並將返回值賦給result Log.d("liduo", "$result") }
除此之外,協程中還有很多介面定義了名字為"onXXX"的方法,比如Job介面的onJoin方法,Deferred介面的onAwait方法,都是用於配合select方法來進行多路複用。
協程中提供了sequence方法來生成序列。範例程式碼如下:
private suspend fun test() { // 建立一個可以輸出奇數的序列,泛型可省略,自動推斷 val singleNumber = sequence<Int> { val i = 0 while (true) { // 在需要輸出的地方呼叫yield方法 yield(2 * i - 1) } } // 呼叫迭代器,獲取序列的輸出 singleNumber.iterator().forEach { Log.d("liduo", "$it") } // 獲取序列前五項,迭代輸出 singleNumber.take(5).forEach { Log.d("liduo", "$it") } }
呼叫yield方法會使協程掛起,同時輸出這個序列當前生成的值。除此之外,也可以呼叫yieldAll方法來輸出序列產生值的合集,範例程式碼如下:
private suspend fun test() { // 建立一個可以輸出奇數的序列,泛型可省略,自動推斷 val singleNumber = sequence<Int> { yieldAll(listOf(1,3,5,7)) yieldAll(listOf(9,11,13)) yieldAll(listOf(15,17)) } // 呼叫迭代器,獲取序列的輸出,最多為9項 singleNumber.iterator().forEach { Log.d("liduo", "$it") } // 獲取序列前五項,迭代輸出 singleNumber.take(5).forEach { // 1,3,5,7,9 Log.d("liduo", "$it") } }
協程中提供了類似RxJava的響應式程式設計API——Flow(官方稱為非同步冷資料流,官方也提供了建立熱資料流的方法)。
1)基礎使用
// 在主執行緒上呼叫 GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) { // 建立流 flow<Int> { // 掛起,輸出返回值 emit(1) // 設定流執行的執行緒,並消費流 }.flowOn(Dispatchers.IO).collect { Log.d("liduo", "$it") } }.join()
emit方法是一個掛起方法,類似sequence中的yield方法,用於輸出返回值。flowOn方法等同於Rxjava中的subscribeOn方法,用於切換flow執行的執行緒。為了避免理解混淆,Flow中沒有提供類似Rxjava中的observeOn方法,但可以通過指定流所在協程的上下文引數確定。collect方法等同於RxJava中的subscribe方法,用於觸發和消費流。
一個流可以被多次消費,範例程式碼如下:
GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) { val mFlow = flow<Int> { emit(1) }.flowOn(Dispatchers.Main) mFlow.collect { Log.d("liduo1", "$it") } mFlow.collect { Log.d("liduo2", "$it") } }.join()
2)例外處理
Flow支援類似try-catch-finally的例外處理。範例程式碼如下:
flow<Int> { emit(1) // 丟擲異常 throw NullPointerException() }.catch { cause: Throwable -> Log.d("liduo", "${cause.message}") }.onCompletion { cause: Throwable? -> Log.d("liduo", "${cause?.message}") }
catch方法用於捕獲異常。onCompletion方法等同於finally程式碼塊。Kotlin不建議直接在flow中通過try-catch-finally程式碼塊去捕獲異常!
Flow中還提供了類似RxJava的onErrorReturn方法的操作,範例程式碼如下:
flow<Int> { emit(1) // 丟擲異常 throw NullPointerException() }.catch { cause: Throwable -> Log.d("liduo", "${cause.message}") emit(-1) }
3)觸發分離
Flow支援提前寫好流的消費,在必要的時候再去觸發消費的操作。範例程式碼如下:
// 建立Flow的方法 fun myFlow() = flow<Int> { // 生產過程 emit(1) }.onEach { // 消費過程 Log.d("liduo", "$it") } suspend fun main() { // 寫法1 GlobalScope.launch { // 觸發消費 myFlow().collect() }.join() // 寫法2 myFlow().launchIn(GlobalScope).join() }
4)注意
在本文中,啟動協程使用的都是GlobalScope,但在實際開發過程中,不應該使用GlobalScope。GlobalScope會開啟一個全新的協程作用域,並且不受我們控制。假設Activity頁面關閉時,其中的協程還沒有執行結束,並且我們還無法取消協程的執行,這時可能會導致記憶體漏失。因此,在實際開發中,可以自定義一個全域性的協程作用域,或者至少按照以下方法書寫程式碼:
// 實現CoroutineScope介面 class MainActivity : AppCompatActivity(),CoroutineScope by MainScope() { override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) { super.onCreate(savedInstanceState) setContentView(R.layout.activity_main) // 直接啟動協程 launch { Log.d("liduo", "launch") } } override fun onDestroy() { super.onDestroy() // 取消頂級父協程 cancel() } }
MainScope的程式碼如下:
public fun MainScope(): CoroutineScope = ContextScope(SupervisorJob() + Dispatchers.Main)
Dispatchers.Main表示在主執行緒排程,SupervisorJob()表示子協程取消不會影響父協程。
到此這篇關於Kotlin協程概念原理與使用萬字梳理的文章就介紹到這了,更多相關Kotlin協程內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com!
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