Kotlin协程-那些理不清乱不明的关系

Kotlin的协程自推出以来,受到了越来越多Android开发者的追捧。另一方面由于它庞大的API,也将相当一部分开发者拒之门外。本篇试图从协程的几个重要概念入手,在复杂API中还原出它本来的面目,以全新的角度带读者走进Kotlin协程世界。

什么是协程

在很多有关协程的文章中,描述协程通常会用这样的一句描述——协程比线程更加轻量,是可取消的。这句话没有错,这两个都是协程的优点,但是并不是特点,它并没有解释协程是什么。那么什么是协程的特点呢,我觉得可以先用线程做个类比,解释一个概念最好的办法就是类比。 我不打算使用科学严谨的描述,我想给线程一个我自己的定义——线程是一个可供CPU调度的执行单元,它有自己的执行块,可以独立地执行逻辑。我特意将线程的三个关键特征列举出来了:

  • 线程由CPU调度
  • 线程拥有自己的代码块
  • 代码块需要才能调度执行

这是我对线程的直观感受,并且这些特点是能从代码上体现出来的。如Java中的Thread,它是线程的同时,也是一个实体对象,能通过API来认识它,使用它。而它的特别之处就是我上面列举的三点,这些都是线程特有的。我试着用相同的思路来给协程下一个自己的定义——协程是由线程调度执行的执行单元,它也有自己的执行块,可以独立或者协同执行逻辑。其实Kotlin中的协程也有自己对应实体和操作API,甚至和线程的还很像(如生命周期),但是由于Kotlin对协程的封装过于彻底,很多API没有暴露出来,以至于我对协程的认识一直处于盲人摸象的状态。另外,其实协程是有多种实现方式的,以下我的观点仅针对Kotlin的协程实现,可能与其他语言的实现不一致。

Kotlin中的协程对象本质上来讲就是个可执行的代码块, 执行的代码就是创建协程传递进去的。除此之外它还有个最大的特点——协程是不和线程绑定的。它可以在某个时刻断开当前的线程,然后在其他时候,附着到其他线程上。也就是说,它像一个乒乓球,线程就好比是球拍,它可以在球拍间反复横跳。所以,结合这两个特点,官方给协程的定义是 一个可挂起的计算实体。我觉得这个定义不算精确,它只体现了挂起这个概念,没有体现恢复的概念。我给它一个我自己的定义——一个可被调度的计算实体

协程中几个关键概念

明白了协程是什么还不够,因为Kotlin的协程还涉及到很多方面,有几个关键概念需要理解。

挂起函数

提到Kotlin的协程就不得不提到挂起函数,这是Kotlin协程实现的最重要的概念之一。简单来说,挂起函数是一种异步实现方案,它是一个普通函数的前提下,还具备挂起和恢复的特性。 它是解决耗时计算和结果传递的一种方案。那么它和我们常见的基于回调的方案相比,有什么不同呢。在基于回调的方案中,计算过程和结果没有关系,结果需要通过另一个对象,在计算完成后由计算过程手动传递,而这一过程是可能被反复嵌套的,从而导致,一些本该是串行化的代码,被割裂成几个部分,分散到不同的代码块中。如以下读写文件的代码

 // asynchronously read into `buf`, and when done run the lambda
 inChannel.read(buf) {
     // this lambda is executed when the reading completes
     bytesRead ->
     ...
     ...
     process(buf, bytesRead)
 
     // asynchronously write from `buf`, and when done run the lambda
    outChannel.write(buf) {
        // this lambda is executed when the writing completes
        ...
        ...
        outFile.close()          
    }
}

同样的逻辑,将readwrite实现为挂起函数后,能写成什么样呢?

 launch {
     // suspend while asynchronously reading
     val bytesRead = inChannel.aRead(buf) 
     // we only get to this line when reading completes
     ...
     ...
     process(buf, bytesRead)
     // suspend while asynchronously writing   
     outChannel.aWrite(buf)
    // we only get to this line when writing completes  
    ...
    ...
    outFile.close()
}

这是Kotlin官方给的一个例子,可以看出挂起函数的实现非常符合直觉,是和思考过程保持一致的,同时还减少了大量的嵌套。

为了更好地解释挂起函数,我还需要引入了一个新的概念——挂起点。
挂起点是一个分界点,代表着从这个时刻之后,执行过程可能会转移到其他地方执行,然后在某个时刻,再从这个点恢复,继续往下执行。这个过程中,当前线程不会被阻塞。所以 挂起函数其实实现了异步非阻塞的通信模式。

一句话总结,挂起函数是一种不阻塞当前线程,并能返回异步计算结果的函数。

协程创建者

前面提到的挂起函数虽然好,但是有个限制,普通方法是不能调用挂起函数的,只能通过挂起函数调用。那么就出现了先有鸡还是先有蛋的问题。解决这个问题的方法就是协程创建者。launch, future, sequence都是协程创建者。顾名思义,协程创建者是用来创建协程对象的,除此之外和普通函数没有区别。它们就是通往协程世界和挂起函数的大门。在这个大门里,我们可以尽情地使用挂起函数,简化我们的计算过程。当然,这些都不是固定不变的,这些函数都有多个配置参数,其中最重要的就是CoroutineContext

CoroutineContext

CoroutineContext的作用是提供协程的各种配置信息,本质上就是保存非重复元素的容器(Set),里面的元素可以根据Key获取到(如调度器),称之为元素(Element)。这里,我忍不住想把它的接口定义放出来,因为实在是太美了。

 interface CoroutineContext {
     operator fun <E : Element> get(key: Key<E>): E?
     fun <R> fold(initial: R, operation: (R, Element) -> R): R
     operator fun plus(context: CoroutineContext): CoroutineContext
     fun minusKey(key: Key<*>): CoroutineContext
 
     interface Element : CoroutineContext {
         val key: Key<*>
     }

    interface Key<E : Element>
}

以上就是Kotlin中对CoroutineContext的定义,这些API每个都有其巧妙的用途,让人叹服

  • get目的是根据Key获取对应的对象,这个方法的奇特之处就是查询参数。利用这个方法在执行某个操作之前判断CoroutineContext是否有某个配置对象,从而实现一种权限认证。

  • fold其实就是一种迭代算法,可以对全部元素进行检查。

  • plus这就很有意思了,它可以让两个对象合并起来,并且当key相同时使用右侧的对象覆盖左侧的对象。这在我们的协程使用中绝对是最灵活的API了。我们可以使用+替换调原本的调度器,使用我们给定的调度器,而且看起来是那么自然。

  • minusKey返回不包含指定keycontext,相当于一种取反操作,这在某些情境下非常有用。

我觉得这应该算得上是对抽象的极致体现了,这个接口用简单的API抽象了增删改查四个操作,并且保留了强大的扩展性。在最开始接触协程的时候,我常常对协程复杂的工作机制和简单的参数配置产生了深深的怀疑,直到我看到了这个定义,我才明白它真正的强大之处,它不仅可以用系统默认的工作配置完成工作,还允许用户实现自己的CoroutineContext来随时替换掉默认配置,完成自己定制化的任务。

Continuation

Continuation不是Kotlin特有的概念,它在维基上的解释是一种控制状态的抽象表示。而在Kotlin中,它是对协程在挂起点的一个状态抽象,这可能不太好理解,我们可以通过具体的API来将这个概念具体化。

interface Continuation<in T> {
   val context: CoroutineContext
   fun resumeWith(result: Result<T>)
}

它有个关键的函数——resumeWith,它表示在挂起状态之后的某个时刻,通过这个状态对象从原来的位置恢复过来。这是挂起函数实现的关键。而这里面的控制状态就是由参数体现了,成功或者失败,所以它还有两个扩展方法:

fun <T> Continuation<T>.resume(value: T)
fun <T> Continuation<T>.resumeWithException(exception: Throwable)

总结

协程是一个可被调度的计算实体,可通过协程创建者创建,在协程的代码块里可以使用挂起函数,它能必要的时候挂起,然后在条件满足后恢复,完成异步代码的串行化编程。

以上就是理解协程的关键概念,在实际使用协程的过程中可能用不到很多,但是却会对我们理解其运作过程很有帮助,也是写出标准协程代码的关键。Kotlin协程并没有很多黑魔法,只是为了适用多种不同的使用场景,有了庞大的API,本篇文章就是对这些API的一个概括解释,后面将会针对各种场景再进行详细梳理,希望大家喜欢。

青山不改,绿水长流,咱们下期见!

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