Kotlin Coroutine 探索之旅

大家如果已经使用Kotlin语言进行开发,对协程这个概念应该不会很陌生。虽然在网上有很多Kotlin协程相关的文章,但当我开始准备使用的时候,还是有如下几个疑虑。

  1. 协程到底能够解决什么样的问题?
  2. 协程和我们常用的Executor、RxJava有什么区别?
  3. 项目上使用有什么风险吗?

接下来就带着这几个问题一起来了解一下Kotlin的协程。

如何使用

关于协程,我在网上看到最多的说法是协程是轻量级的线程。那么协程首先应该解决的问题就是程序中我们常常遇到的 “异步” 的问题。我们看看官网介绍的几个使用例子。

依赖

implementation 'org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-core:1.3.3'
implementation 'org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-android:1.3.3'
复制代码

入门

import kotlinx.coroutines.*

fun main() {
    GlobalScope.launch { // 在后台启动一个新的协程并继续
        delay(1000L)
        println("World!")
    }
    println("Hello,") // 主线程中的代码会立即执行
    runBlocking {     // 但是这个表达式阻塞了主线程
        delay(2000L)  // ……我们延迟 2 秒来保证 JVM 的存活
    } 
}
复制代码

挂起函数

suspend fun doSomethingUsefulOne(): Int {
    delay(1000L) // 假设我们在这里做了一些有用的事
    return 13
}

suspend fun doSomethingUsefulTwo(): Int {
    delay(1000L) // 假设我们在这里也做了一些有用的事
    return 29
}

val time = measureTimeMillis {
    val one = doSomethingUsefulOne()
    val two = doSomethingUsefulTwo()
    println("The answer is ${one + two}")
}
println("Completed in $time ms")

复制代码

结果:

The answer is 42
Completed in 2015 ms
复制代码

使用 async 并发

val time = measureTimeMillis {
    val one = async { doSomethingUsefulOne() }
    val two = async { doSomethingUsefulTwo() }
    println("The answer is ${one.await() + two.await()}")
}
println("Completed in $time ms")
复制代码

结果:

The answer is 42
Completed in 1017 ms
复制代码

单元测试

class MyTest {
    @Test
    fun testMySuspendingFunction() = runBlocking<Unit> {
        // 这里我们可以使用任何喜欢的断言风格来使用挂起函数
    }
}
复制代码

更新详细的使用可参考 官网示例

为何使用

既然已经有这么多异步处理的框架,那我们为何还要使用协程。这里举个例子,看看对同个需求,不同异步框架的处理方式。

现在有一个产品需求,生成一个二维码在页面展示给用户。我们来对比看看不同的做法。

Thread

Thread(Runnable {
        try {
            val qrCode: Bitmap =
            CodeCreator.createQRCode(this@ShareActivity, SHARE_QR_CODE)
            runOnUiThread { 
                img_qr_code.setImageBitmap(qrCode)
                }
            } catch (e: WriterException) {
                e.printStackTrace()
            }
        }).start()
    }
复制代码

Executors

Executors.newSingleThreadExecutor().execute {
        try {
            val qrCode: Bitmap =
            CodeCreator.createQRCode(this@ShareActivity, SHARE_QR_CODE)
            runOnUiThread {
                img_qr_code.setImageBitmap(qrCode)
            }
        } catch (e: WriterException) {
            e.printStackTrace()
        }
    }
复制代码

RxJava

Observable.just(SHARE_QR_CODE)
        .map(new Function<String, Bitmap>() {
            @Override
            public Bitmap apply(String s) throws Exception {
                return CodeCreator.createQRCode(ShareActivity.this, s);
            }
        })
        .subscribe(new Consumer<Bitmap>() {
            @Override
            public void accept(Bitmap bitmap) throws Exception {
                img_qr_code.setImageBitmap(bitmap);
            }
        });
复制代码

Koroutine

val job = GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) {
            val bitmap = CodeCreator.createQRCode(ShareActivity.this, SHARE_QR_CODE)
            launch(Dispatchers.Main) {
                img_qr_code.setImageBitmap(bitmap)
            }
        }
}
复制代码

通过这个例子,可以看出使用协程的非常方便解决 "异步回调" 问题。 相比传统的Thread及Excutors,RxJava将嵌套回调转换成链式调用的形式,提高了代码可读性。协程直接将链式调用转换成了协程内的顺序调用, "代码更加精简"

性能

官网上对于协程的有一句介绍。

本质上,协程是轻量级的线程

那么协程的执行效率到底怎么样呢?下面我们采用官网的示例在相同的环境和设备下做下对比。

启动了 1000个协程,并且为每个协程都输出一个点

Coroutine

var startTime = System.currentTimeMillis()
            repeat(times) { i -> // 启动大量的协程
                GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) {
                    Log.d(this@MainActivity.toString(), "$i=.")
                }

            }
            var endTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
            Log.d(this@MainActivity.toString(), "endTime=$endTime")
            
复制代码

执行结果:endTime=239 ms

Thread

var startTime = System.currentTimeMillis()
            repeat(times) { i ->// 启动大量的线程
                Thread(Runnable {
                    Log.d(this@MainActivity.toString(), "$i=.")
                }).start()
            }
            var endTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
复制代码

执行结果:endTime=3161 ms

Excutors

var startTime = System.currentTimeMillis()
            var executors = Executors.newCachedThreadPool()
            repeat(times) { i -> // 使用线程池
                executors.execute {
                    Log.d(this@MainActivity.toString(), "$i=.")
                }
            }
            var endTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
            Log.d(this@MainActivity.toString(), "endTime=$endTime")
复制代码

执行结果:endTime=143 ms

rxjava

var startTime = System.currentTimeMillis()
            repeat(times) { i -> // 启动Rxjava
                Observable.just("").subscribeOn(Schedulers.io())
                        .subscribe {
                            Log.d(this@MainActivity.toString(), "$i=.")
                        }
            }
            var endTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
            Log.d(this@MainActivity.toString(), "endTime=$endTime")
复制代码

执行结果:endTime=241 ms

源码工程: CorountineTest

Profiler

利用AS自带的Profiler对运行时的CPU状态进行检测,我们可以看到Thread对CPU的消耗比较大,Koroutine、Executor、RxJava的消耗基本差不多。

总结

从执行时间和Profiler上看,Coroutine比使用Thread性能提升了一个量级,但与Excutor和RxJava性能是在一个量级上。

注意这里的例子为了简便,因为异步执行的时间基本和repeat的时间差不多,我们没有等所有异步执行完再打印时间,这里不追求精确的时间,只为做量级上的对比。

实现机制

协程底层异步实现机制

我们先来看一段简单的Kotlin程序。

GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) {
            print("hello world")
        }
复制代码

我们接着看下launch的实现代码。

public fun CoroutineScope.launch(
    context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
    start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
    block: suspend CoroutineScope.() -> Unit
): Job {
    val newContext = newCoroutineContext(context)
    val coroutine = if (start.isLazy)
        LazyStandaloneCoroutine(newContext, block) else
        StandaloneCoroutine(newContext, active = true)
    coroutine.start(start, coroutine, block)
    return coroutine
}
复制代码

这里注意,我们通过追踪最后的继承关系发现,DefaultScheduler.IO最后也是一个CoroutineContext。

接着发现继续看coroutine.start的实现,如下:

public fun <R> start(start: CoroutineStart, receiver: R, block: suspend R.() -> T) {
        initParentJob()
        start(block, receiver, this)
    }
复制代码

接着继续看CoroutineStart的start策略,如下:

@InternalCoroutinesApi
    public operator fun <T> invoke(block: suspend () -> T, completion: Continuation<T>) =
        when (this) {
            CoroutineStart.DEFAULT -> block.startCoroutineCancellable(completion)
            CoroutineStart.ATOMIC -> block.startCoroutine(completion)
            CoroutineStart.UNDISPATCHED -> block.startCoroutineUndispatched(completion)
            CoroutineStart.LAZY -> Unit // will start lazily
        }
复制代码

继续看startCoroutineCancellable方法,如下:

@InternalCoroutinesApi
public fun <T> (suspend () -> T).startCoroutineCancellable(completion: Continuation<T>) = runSafely(completion) {
    createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted().resumeCancellableWith(Result.success(Unit))
}
复制代码

继续看resumeCancellableWith方法实现:

@InternalCoroutinesApi
public fun <T> Continuation<T>.resumeCancellableWith(result: Result<T>) = when (this) {
    is DispatchedContinuation -> resumeCancellableWith(result)
    else -> resumeWith(result)
}
复制代码

最后发现调用的resumeCancellableWith方法实现如下:

inline fun resumeCancellableWith(result: Result<T>) {
        val state = result.toState()
        if (dispatcher.isDispatchNeeded(context)) {
            _state = state
            resumeMode = MODE_CANCELLABLE
            dispatcher.dispatch(context, this)
        } else {
            executeUnconfined(state, MODE_CANCELLABLE) {
                if (!resumeCancelled()) {
                    resumeUndispatchedWith(result)
                }
            }
        }
    }
复制代码

这里关键的触发方法在这个地方

dispatcher.dispatch(context, this)

复制代码

我们看 DefaultScheduler.IO最后的dispatch方法:

override fun dispatch(context: CoroutineContext, block: Runnable): Unit =
        try {
            coroutineScheduler.dispatch(block)
        } catch (e: RejectedExecutionException) {
            DefaultExecutor.dispatch(context, block)
        }
复制代码

这里我们最终发现是调用了CoroutineScheduler的dispatch方法,继续看CoroutineScheduler的实现发现,CoroutineScheduler继承了Executor。

通过dispatch的调用最后可以发现CoroutineScheduler其实就是对Worker的调度,我们看看Worker的定义。

internal inner class Worker private constructor() : Thread()
复制代码

通过这里我们发现另外一个老朋友Thread,所以到这里也符合上面性能验证的测试结果。

到这里我们也有结论了,协程异步实现机制本质也就是自定义的线程池。

非阻塞式挂起 suspend

suspend有什么作用,如何做到异步不用回调?下面先定义一个最简单的suspend方法。

suspend fun hello(){
        delay(100)
        print("hello world")
    }
复制代码

通过Kotlin Bytecode转换为java 代码如下:

@Nullable
   public final Object hello(@NotNull Continuation $completion) {
      Object $continuation;
      label20: {
         if ($completion instanceof <undefinedtype>) {
            $continuation = (<undefinedtype>)$completion;
            if ((((<undefinedtype>)$continuation).label & Integer.MIN_VALUE) != 0) {
               ((<undefinedtype>)$continuation).label -= Integer.MIN_VALUE;
               break label20;
            }
         }

         $continuation = new ContinuationImpl($completion) {
            // $FF: synthetic field
            Object result;
            int label;
            Object L$0;

            @Nullable
            public final Object invokeSuspend(@NotNull Object $result) {
               this.result = $result;
               this.label |= Integer.MIN_VALUE;
               return Test.this.hello(this);
            }
         };
      }

      Object $result = ((<undefinedtype>)$continuation).result;
      Object var6 = IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED();
      switch(((<undefinedtype>)$continuation).label) {
      case 0:
         ResultKt.throwOnFailure($result);
         ((<undefinedtype>)$continuation).L$0 = this;
         ((<undefinedtype>)$continuation).label = 1;
         if (DelayKt.delay(100L, (Continuation)$continuation) == var6) {
            return var6;
         }
         break;
      case 1:
         Test var7 = (Test)((<undefinedtype>)$continuation).L$0;
         ResultKt.throwOnFailure($result);
         break;
      default:
         throw new IllegalStateException("call to 'resume' before 'invoke' with coroutine");
      }

      String var2 = "hello world";
      boolean var3 = false;
      System.out.print(var2);
      return Unit.INSTANCE;
   }
复制代码

这里首先我们发现方法的参数多了一个Continuation completion并且内部回定义一个 Object continuation,看看Continuation的定义。

@SinceKotlin("1.3")
public interface Continuation<in T> {
    /**
     * The context of the coroutine that corresponds to this continuation.
     */
    public val context: CoroutineContext

    /**
     * Resumes the execution of the corresponding coroutine passing a successful or failed [result] as the
     * return value of the last suspension point.
     */
    public fun resumeWith(result: Result<T>)
}
复制代码

这是一个回调接口,里面有一个关键的方法为resumeWith。 这个方法的具体调用通过上面的协程调用流程可以知道 ,在DispatchedContinuation的resumeCancellableWith会触发。

public fun <T> Continuation<T>.resumeCancellableWith(result: Result<T>) = when (this) {
    is DispatchedContinuation -> resumeCancellableWith(result)
    else -> resumeWith(result)
}
复制代码

那么resumeWith里面做了那些事情?我们看下具体的实现在ContinuationImpl的父类BaseContinuationImpl中。

public final override fun resumeWith(result: Result<Any?>) {
        // This loop unrolls recursion in current.resumeWith(param) to make saner and shorter stack traces on resume
        var current = this
        var param = result
        while (true) {
            // Invoke "resume" debug probe on every resumed continuation, so that a debugging library infrastructure
            // can precisely track what part of suspended callstack was already resumed
            probeCoroutineResumed(current)
            with(current) {
                val completion = completion!! // fail fast when trying to resume continuation without completion
                val outcome: Result<Any?> =
                    try {
                        val outcome = invokeSuspend(param)
                        if (outcome === COROUTINE_SUSPENDED) return
                        Result.success(outcome)
                    } catch (exception: Throwable) {
                        Result.failure(exception)
                    }
                releaseIntercepted() // this state machine instance is terminating
                if (completion is BaseContinuationImpl) {
                    // unrolling recursion via loop
                    current = completion
                    param = outcome
                } else {
                    // top-level completion reached -- invoke and return
                    completion.resumeWith(outcome)
                    return
                }
            }
        }
    }

复制代码

首先我们发现这里其实是一个递归的循环,并且会调用invokeSuspend方法触发实际的调用,等待返回结果。通过上面的分析可以看出2点。

  1. 非阻塞是因为本身启动一个协程也是使用线程池异步执行,所以不会阻塞
  2. 协程并不是没有回调,而是将回调的接口(Continuation)及调度代码在编译器生成,不用自己编写。
  3. resumeWith是一个循环及递归,所以会将协程内定义的表达式顺序串联调用。达到挂起及恢复的链式调用。
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