Kotlin Coroutines(協程) 完全解析（一），協程簡介

Kotlin Coroutines(協程) 完全解析系列：

本文基于 Kotlin v1.3.0-rc-146，Kotlin-Coroutines v1.0.0-RC1

Kotlin 中引入 Coroutine(協程) 的概念，可以幫助編寫異步代碼，目前還是試驗性的。國內詳細介紹協程的資料比較少，所以我打算寫 Kotlin Coroutines(協程) 完全解析的系列文章，希望可以幫助大家更好地理解協程。這是系列文章的第一篇，簡單介紹協程的特點和一些基本概念。協程主要的目的是簡化異步編程，那么先從為什么需要協程來編寫異步代碼開始。

Kotlin Coroutine 終于正式發布了，所以我跟進最新的正式版更新了本文相關內容

1. 為什么需要協程？

異步編程中最為常見的場景是：在后臺線程執行一個復雜任務，下一個任務依賴于上一個任務的執行結果，所以必須等待上一個任務執行完成后才能開始執行。看下面代碼中的三個函數，后兩個函數都依賴于前一個函數的執行結果。

fun requestToken(): Token {
    // makes request for a token & waits
    return token // returns result when received 
}

fun createPost(token: Token, item: Item): Post {
    // sends item to the server & waits
    return post // returns resulting post 
}

fun processPost(post: Post) {
    // does some local processing of result
}

三個函數中的操作都是耗時操作，因此不能直接在 UI 線程中運行，而且后兩個函數都依賴于前一個函數的執行結果，三個任務不能并行運行，該如何解決這個問題呢？

1.1 回調

常見的做法是使用回調，把之后需要執行的任務封裝為回調。

fun requestTokenAsync(cb: (Token) -> Unit) { ... }
fun createPostAsync(token: Token, item: Item, cb: (Post) -> Unit) { ... }
fun processPost(post: Post) { ... }

fun postItem(item: Item) {
    requestTokenAsync { token ->
        createPostAsync(token, item) { post ->
            processPost(post)
        }
    }
}

回調在只有兩個任務的場景是非常簡單實用的，很多網絡請求框架的 onSuccess Listener 就是使用回調，但是在三個以上任務的場景中就會出現多層回調嵌套的問題，而且不方便處理異常。

1.2 Future

Java 8 引入的 CompletableFuture 可以將多個任務串聯起來，可以避免多層嵌套的問題。

fun requestTokenAsync(): CompletableFuture<Token> { ... }
fun createPostAsync(token: Token, item: Item): CompletableFuture<Post> { ... }
fun processPost(post: Post) { ... }

fun postItem(item: Item) {
    requestTokenAsync()
            .thenCompose { token -> createPostAsync(token, item) }
            .thenAccept { post -> processPost(post) }
            .exceptionally { e ->
                e.printStackTrace()
                null
            }
}

上面代碼中使用連接符串聯起三個任務，最后的exceptionally方法還可以統一處理異常情況，但是只能在 Java 8 以上才能使用。

1.3 Rx 編程

CompletableFuture 的方式有點類似 Rx 系列的鏈式調用，這也是目前大多數推薦的做法。

fun requestToken(): Token { ... }
fun createPost(token: Token, item: Item): Post { ... }
fun processPost(post: Post) { ... }

fun postItem(item: Item) {
    Single.fromCallable { requestToken() }
            .map { token -> createPost(token, item) }
            .subscribe(
                    { post -> processPost(post) }, // onSuccess
                    { e -> e.printStackTrace() } // onError
            )
}

RxJava 豐富的操作符、簡便的線程調度、異常處理使得大多數人滿意，我也如此，但是還沒有更簡潔易讀的寫法呢？

1.4 協程

下面是使用 Kotlin 協程的代碼：

suspend fun requestToken(): Token { ... }   // 掛起函數
suspend fun createPost(token: Token, item: Item): Post { ... }  // 掛起函數
fun processPost(post: Post) { ... }

fun postItem(item: Item) {
    GlobalScope.launch {
        val token = requestToken()
        val post = createPost(token, item)
        processPost(post)
        // 需要異常處理，直接加上 try/catch 語句即可
    }
}

使用協程后的代碼非常簡潔，以順序的方式書寫異步代碼，不會阻塞當前 UI 線程，錯誤處理也和平常代碼一樣簡單。

2. 協程是什么

2.1 Gradle 引入

dependencies {
    // Kotlin
    compile "org.jetbrains.kotlin:kotlin-stdlib-jdk8:$kotlin_version"

    // Kotlin Coroutines
    compile 'org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-core:1.0.0-RC1'
}

2.2 協程的定義

先看官方文檔的描述：

協程通過將復雜性放入庫來簡化異步編程。程序的邏輯可以在協程中順序地表達，而底層庫會為我們解決其異步性。該庫可以將用戶代碼的相關部分包裝為回調、訂閱相關事件、在不同線程（甚至不同機器）上調度執行，而代碼則保持如同順序執行一樣簡單。

協程的開發人員 Roman Elizarov 是這樣描述協程的：協程就像非常輕量級的線程。線程是由系統調度的，線程切換或線程阻塞的開銷都比較大。而協程依賴于線程，但是協程掛起時不需要阻塞線程，幾乎是無代價的，協程是由開發者控制的。所以協程也像用戶態的線程，非常輕量級，一個線程中可以創建任意個協程。

總而言之：協程可以簡化異步編程，可以順序地表達程序，協程也提供了一種避免阻塞線程并用更廉價、更可控的操作替代線程阻塞的方法 -- 協程掛起。

3. 協程的基本概念

下面通過上面協程的例子來介紹協程中的一些基本概念：

3.1 掛起函數

suspend fun requestToken(): Token { ... }   // 掛起函數
suspend fun createPost(token: Token, item: Item): Post { ... }  // 掛起函數
fun processPost(post: Post) { ... }

requestToken和createPost函數前面有suspend修飾符標記，這表示兩個函數都是掛起函數。掛起函數能夠以與普通函數相同的方式獲取參數和返回值，但是調用函數可能掛起協程（如果相關調用的結果已經可用，庫可以決定繼續進行而不掛起），掛起函數掛起協程時，不會阻塞協程所在的線程。掛起函數執行完成后會恢復協程，后面的代碼才會繼續執行。但是掛起函數只能在協程中或其他掛起函數中調用。事實上，要啟動協程，至少要有一個掛起函數，它通常是一個掛起 lambda 表達式。所以suspend修飾符可以標記普通函數、擴展函數和 lambda 表達式。

掛起函數只能在協程中或其他掛起函數中調用，上面例子中launch函數就創建了一個協程。

fun postItem(item: Item) {
    GlobalScope.launch { // 創建一個新協程
        val token = requestToken()
        val post = createPost(token, item)
        processPost(post)
        // 需要異常處理，直接加上 try/catch 語句即可
    }
}

launch函數：

public fun CoroutineScope.launch(
    context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
    start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
    block: suspend CoroutineScope.() -> Unit
): Job

從上面函數定義中可以看到協程的一些重要的概念：CoroutineContext、CoroutineDispatcher、Job，下面來一一介紹這些概念。

3.1 CoroutineScope 和 CoroutineContext

CoroutineScope，可以理解為協程本身，包含了 CoroutineContext。

CoroutineContext，協程上下文，是一些元素的集合，主要包括 Job 和 CoroutineDispatcher 元素，可以代表一個協程的場景。

EmptyCoroutineContext 表示一個空的協程上下文。

3.2 CoroutineDispatcher

CoroutineDispatcher，協程調度器，決定協程所在的線程或線程池。它可以指定協程運行于特定的一個線程、一個線程池或者不指定任何線程（這樣協程就會運行于當前線程）。coroutines-core中 CoroutineDispatcher 有三種標準實現Dispatchers.Default、Dispatchers.IO，Dispatchers.Main和Dispatchers.Unconfined，Unconfined 就是不指定線程。

launch函數定義如果不指定CoroutineDispatcher或者沒有其他的ContinuationInterceptor，默認的協程調度器就是Dispatchers.Default，Default是一個協程調度器，其指定的線程為共有的線程池，線程數量至少為 2 最大與 CPU 數相同。

3.3 Job & Deferred

Job，任務，封裝了協程中需要執行的代碼邏輯。Job 可以取消并且有簡單生命周期，它有三種狀態：

State	[isActive]	[isCompleted]	[isCancelled]
New (optional initial state)	`false`	`false`	`false`
Active (default initial state)	`true`	`false`	`false`
Completing (optional transient state)	`true`	`false`	`false`
Cancelling (optional transient state)	`false`	`false`	`true`
Cancelled (final state)	`false`	`true`	`true`
Completed (final state)	`false`	`true`	`false`

Job 完成時是沒有返回值的，如果需要返回值的話，應該使用 Deferred，它是 Job 的子類public interface Deferred<out T> : Job。

3.4 Coroutine builders

CoroutineScope.launch函數屬于協程構建器 Coroutine builders，Kotlin 中還有其他幾種 Builders，負責創建協程。

3.4.1 CoroutineScope.launch {}

CoroutineScope.launch {} 是最常用的 Coroutine builders，不阻塞當前線程，在后臺創建一個新協程，也可以指定協程調度器，例如在 Android 中常用的GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) {}。

fun postItem(item: Item) {
    GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) { // 在 UI 線程創建一個新協程
        val token = requestToken()
        val post = createPost(token, item)
        processPost(post)
    }
}

3.4.2 runBlocking {}

runBlocking {}是創建一個新的協程同時阻塞當前線程，直到協程結束。這個不應該在協程中使用，主要是為main函數和測試設計的。

fun main(args: Array<String>) = runBlocking { // start main coroutine
    launch { // launch new coroutine in background and continue
        delay(1000L)
        println("World!")
    }
    println("Hello,") // main coroutine continues here immediately
    delay(2000L)      // delaying for 2 seconds to keep JVM alive
}

class MyTest {
    @Test
    fun testMySuspendingFunction() = runBlocking {
        // here we can use suspending functions using any assertion style that we like
    }
}

3.4.3 withContext {}

withContext {}不會創建新的協程，在指定協程上運行掛起代碼塊，并掛起該協程直至代碼塊運行完成。

3.4.4 async {}

CoroutineScope.async {}可以實現與 launch builder 一樣的效果，在后臺創建一個新協程，唯一的區別是它有返回值，因為CoroutineScope.async {}返回的是 Deferred 類型。

fun main(args: Array<String>) = runBlocking { // start main coroutine
    val time = measureTimeMillis {
        val one = async { doSomethingUsefulOne() }  // start async one coroutine without suspend main coroutine
        val two = async { doSomethingUsefulTwo() }  // start async two coroutine without suspend main coroutine
        println("The answer is ${one.await() + two.await()}") // suspend main coroutine for waiting two async coroutines to finish
    }
    println("Completed in $time ms")
}

獲取CoroutineScope.async {}的返回值需要通過await()函數，它也是是個掛起函數，調用時會掛起當前協程直到 async 中代碼執行完并返回某個值。

4. 小結

Kotlin 協程可以極大地簡化異步編程，雖然剛開始接觸的時候學習比較吃力，但是接觸過一段時間相信絕對會愛上它。建議大家也去瀏覽下面推薦的資料，可以更快地了解協程的大概。

推薦閱讀：

Introduction to Coroutines(Roman Elizarov at KotlinConf 2017, slides)
Asynchronous Programming Techniques
Guide to kotlinx.coroutines by example

最后編輯于：2019.01.11 10:37:19

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1. 為什么需要協程？

1.1 回調

1.2 Future

1.3 Rx 編程

1.4 協程

2. 協程是什么

2.1 Gradle 引入

2.2 協程的定義

3. 協程的基本概念

3.1 掛起函數

3.1 CoroutineScope 和 CoroutineContext

3.2 CoroutineDispatcher

3.3 Job & Deferred

3.4 Coroutine builders

3.4.1 CoroutineScope.launch {}

3.4.2 runBlocking {}

3.4.3 withContext {}

3.4.4 async {}

4. 小結

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1. 為什么需要協程？

1.1 回調

1.2 Future

1.3 Rx 編程

1.4 協程

2. 協程是什么

2.1 Gradle 引入

2.2 協程的定義

3. 協程的基本概念

3.1 掛起函數

3.1 CoroutineScope 和 CoroutineContext

3.2 CoroutineDispatcher

3.3 Job & Deferred

3.4 Coroutine builders

3.4.1 CoroutineScope.launch {}

3.4.2 runBlocking {}

3.4.3 withContext {}

3.4.4 async {}

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