Dart 异步编程和原理

作者: AgileStudio | 来源:发表于2020-01-15 12:41 被阅读0次

本文是【从零开始，一起学习开发个 Flutter App 吧】路上的第 2 篇文章。

本文将解决上一篇留下的问题： Dart 中是如何进行异步处理的？我们首先简单介绍了 Dart 中常用的异步处理 Future、sync和await ；第二部分试图分析Dart作为单线程语言的异步实现原理，进一步介绍IO模型和事件循环模型；最后介绍如何在 Dart 实现多线程之间的相互通信。

如果你熟悉 JavaScript 的 Promise 模式的话，发起一个异步http请求，你可以这样写：

new Promise((resolve, reject) =>{
    // 发起请求
    const xhr = new XMLHttpRequest();
    xhr.open("GET", 'https://www.nowait.xin/');
    xhr.onload = () => resolve(xhr.responseText); 
    xhr.onerror = () => reject(xhr.statusText);
    xhr.send();
}).then((response) => { //成功
   console.log(response);
}).catch((error) => { // 失败
   console.log(error);
});

Promise 定义了一种异步处理模式：do... success... or fail...。

在 Dart 中，与之对应的是Future对象：

Future<Response> respFuture = http.get('https://example.com'); //发起请求
respFuture.then((response) { //成功，匿名函数
  if (response.statusCode == 200) {
    var data = reponse.data;
  }
}).catchError((error) { //失败
   handle(error);
});

这种模式简化和统一了异步的处理，即便没有系统学习过并发编程的同学，也可以抛开复杂的多线程，开箱即用。

Future

Future 对象封装了Dart 的异步操作，它有未完成（uncompleted）和已完成（completed）两种状态。

在Dart中，所有涉及到IO的函数都封装成Future对象返回，在你调用一个异步函数的时候，在结果或者错误返回之前，你得到的是一个uncompleted状态的Future。

completed状态也有两种：一种是代表操作成功，返回结果；另一种代表操作失败，返回错误。

我们来看一个例子：

Future<String> fetchUserOrder() {
  //想象这是个耗时的数据库操作
  return Future(() => 'Large Latte');
}

void main() {
  fetchUserOrder().then((result){print(result)})
  print('Fetching user order...');
}

通过then来回调成功结果，main会先于Future里面的操作，输出结果：

Fetching user order...
Large Latte

在上面的例子中，() => 'Large Latte')是一个匿名函数，=> 'Large Latte' 相当于 return 'Large Latte'。

Future同名构造器是factory Future(FutureOr<T> computation())，它的函数参数返回值为FutureOr<T>类型，我们发现还有很多Future中的方法比如Future.then、Future.microtask的参数类型也是FutureOr<T>，看来有必要了解一下这个对象。

FutureOr<T> 是个特殊的类型，它没有类成员，不能实例化，也不可以继承，看来它很可能只是一个语法糖。

abstract class FutureOr<T> {
  // Private generative constructor, so that it is not subclassable, mixable, or
  // instantiable.
  FutureOr._() {
    throw new UnsupportedError("FutureOr can't be instantiated");
  }
}

你可以把它理解为受限制的dynamic类型，因为它只能接受Future<T>或者T类型的值：

FutureOr<int> hello(){}

void main(){
   FutureOr<int> a = 1; //OK
   FutureOr<int> b = Future.value(1); //OK
   FutureOr<int> aa = '1' //编译错误

   int c = hello(); //ok
   Future<int> cc = hello(); //ok
   String s = hello(); //编译错误
}

在 Dart 的最佳实践里面明确指出：请避免声明函数返回类型为FutureOr<T>。

如果调用下面的函数，除非进入源代码，否则无法知道返回值的类型究竟是int 还是Future<int>：

FutureOr<int> triple(FutureOr<int> value) async => (await value) * 3;

正确的写法：

Future<int> triple(FutureOr<int> value) async => (await value) * 3;

稍微交代了下FutureOr<T>，我们继续研究Future。

如果Future内的函数执行发生异常，可以通过Future.catchError来处理异常：

Future<void> fetchUserOrder() {
  return Future.delayed(Duration(seconds: 3), () => throw Exception('Logout failed: user ID is invalid'));
}

void main() {
  fetchUserOrder().catchError((err, s){print(err);});
  print('Fetching user order...');
}

输出结果：

Fetching user order...
Exception: Logout failed: user ID is invalid

Future支持链式调用：

Future<String> fetchUserOrder() {
  return Future(() => 'AAA');
}

void main() {
   fetchUserOrder().then((result) => result + 'BBB')
     .then((result) => result + 'CCC')
     .then((result){print(result);});
}

输出结果：

AAABBBCCC

async 和 await

想象一个这样的场景：

先调用登录接口；
根据登录接口返回的token获取用户信息；
最后把用户信息缓存到本机。

接口定义：

Future<String> login(String name,String password){
  //登录
}
Future<User> fetchUserInfo(String token){
  //获取用户信息
}
Future saveUserInfo(User user){
  // 缓存用户信息
}

用Future大概可以这样写：

login('name','password').then((token) => fetchUserInfo(token))
  .then((user) => saveUserInfo(user));

换成async 和await 则可以这样：

void doLogin() async {
  String token = await login('name','password'); //await 必须在 async 函数体内
  User user = await fetchUserInfo(token);
  await saveUserInfo(user);
}

声明了async 的函数，返回值是必须是Future对象。即便你在async函数里面直接返回T类型数据，编译器会自动帮你包装成Future<T>类型的对象，如果是void函数，则返回Future<void>对象。在遇到await的时候，又会把Futrue类型拆包，又会原来的数据类型暴露出来，请注意，await 所在的函数必须添加async关键词。

await的代码发生异常，捕获方式跟同步调用函数一样：

void doLogin() async {
  try {
    var token = await login('name','password');
    var user = await fetchUserInfo(token);
    await saveUserInfo(user);
  } catch (err) {
    print('Caught error: $err');
  }
}

得益于async 和await 这对语法糖，你可以用同步编程的思维来处理异步编程，大大简化了异步代码的处理。

注：Dart 中非常多的语法糖，它提高了我们的编程效率，但同时也会让初学者容易感到迷惑。

送多一颗语法糖给你：

Future<String> getUserInfo() async {
  return 'aaa';
}

等价于：

Future<String> getUserInfo() async {
  return Future.value('aaa');
}

Dart异步原理

Dart 是一门单线程编程语言。对于平时用 Java 的同学，首先可能会反应：那如果一个操作耗时特别长，不会一直卡住主线程吗？比如Android，为了不阻塞UI主线程，我们不得不通过另外的线程来发起耗时操作（网络请求/访问本地文件等），然后再通过Handler来和UI线程沟通。Dart 究竟是如何做到的呢？

先给答案：异步 IO + 事件循环。下面具体分析。

I/O 模型

我们先来看看阻塞IO是什么样的：

int count = io.read(buffer); //阻塞等待

注： IO 模型是操作系统层面的，这一小节的代码都是伪代码，只是为了方便理解。

当相应线程调用了read之后，它就会一直在那里等着结果返回，什么也不干，这是阻塞式的IO。

但我们的应用程序经常是要同时处理好几个IO的，即便一个简单的手机App，同时发生的IO可能就有：用户手势（输入），若干网络请求(输入输出)，渲染结果到屏幕（输出）；更不用说是服务端程序，成百上千个并发请求都是家常便饭。

有人说，这种情况可以使用多线程啊。这确实是个思路，但受制于CPU的实际并发数，每个线程只能同时处理单个IO，性能限制还是很大，而且还要处理不同线程之间的同步问题，程序的复杂度大大增加。

如果进行IO的时候不用阻塞，那情况就不一样了：

while(true){
  for(io in io_array){
      status = io.read(buffer);// 不管有没有数据都立即返回
      if(status == OK){
       
      }
  }
}

有了非阻塞IO，通过轮询的方式，我们就可以对多个IO进行同时处理了，但这样也有一个明显的缺点：在大部分情况下，IO都是没有内容的（CPU的速度远高于IO速度），这样就会导致CPU大部分时间在空转，计算资源依然没有很好得到利用。

为了进一步解决这个问题，人们设计了IO多路转接（IO multiplexing），可以对多个IO监听和设置等待时间：

while(true){
    //如果其中一路IO有数据返回，则立即返回；如果一直没有，最多等待不超过timeout时间
    status = select(io_array, timeout); 
    if(status  == OK){
      for(io in io_array){
          io.read() //立即返回，数据都准备好了
      }
    }
}

IO 多路转接有多种实现，比如select、poll、epoll等，我们不具体展开。

有了IO多路转接，CPU资源利用效率又有了一个提升。

眼尖的同学可能有发现，在上面的代码中，线程依然是可能会阻塞在 select 上或者产生一些空转的，有没有一个更加完美的方案呢？

答案就是异步IO了：

io.async_read((data) => {
  // dosomething
});

通过异步IO，我们就不用不停问操作系统：你们准备好数据了没？而是一有数据系统就会通过消息或者回调的方式传递给我们。这看起来很完美了，但不幸的是，不是所有的操作系统都很好地支持了这个特性，比如Linux的异步IO就存在各种缺陷，所以在具体的异步IO实现上，很多时候可能会折中考虑不同的IO模式，比如 Node.js 的背后的libeio库，实质上采用线程池与阻塞 I/O 模拟出来的异步 I/O [1]。

Dart 在文档中也提到是借鉴了 Node.js 、EventMachine, 和 Twisted 来实现的异步IO，我们暂不深究它的内部实现（笔者在搜索了一下Dart VM的源码，发现在android和linux上似乎是通过epoll实现的），在Dart层，我们只要把IO当做是异步的就行了。

Dart 源码中的 epoll_wait

我们再回过头来看看上面Future那段代码：

Future<Response> respFuture = http.get('https://example.com'); //发起请求

现在你知道，这个网络请求不是在主线程完成的，它实际上把这个工作丢给了运行时或者操作系统。这也是 Dart 作为单进程语言，但进行IO操作却不会阻塞主线程的原因。

终于解决了Dart单线程进行IO也不会卡的疑问，但主线程如何和大量异步消息打交道呢？接下来我们继续讨论Dart的事件循环机制（Event Loop）。

事件循环（Event Loop）

在Dart中，每个线程都运行在一个叫做isolate的独立环境中，它的内存不和其他线程共享，它在不停干一件事情：从事件队列中取出事件并处理它。

while(true){
   event = event_queue.first() //取出事件
   handleEvent(event) //处理事件
   drop(event) //从队列中移除
}

比如下面这段代码：

RaisedButton(
  child: Text('click me');
  onPressed: (){ // 点击事件 
     Future<Response> respFuture = http.get('https://example.com'); 
     respFuture.then((response){ // IO 返回事件
        if(response.statusCode == 200){
           print('success');
        }
     })
  }
)

当你点击屏幕上按钮时，会产生一个事件，这个事件会放入isolate的事件队列中；接着你发起了一个网络请求，也会产生一个事件，依次进入事件循环。

在线程比较空闲的时候，isolate还可以去搞搞垃圾回收（GC），喝杯咖啡什么的。

API层的Future、Stream、async 和 await 实际都是对事件循环在代码层的抽象。结合事件循环，回到对Future对象的定义（An object representing a delayed computation.），就可以这样理解了：isolate大哥，我快递一个代码包裹给你，你拿到后打开这个盒子，并顺序执行里面的代码。

事实上，isolate 里面有两个队列，一个就是事件队列（event queue），还有一个叫做微任务队列（microtask queue）。

事件队列：用来处理外部的事件，如果IO、点击、绘制、计时器（timer）和不同 isolate 之间的消息事件等。

微任务队列：处理来自于Dart内部的任务，适合用来不会特别耗时或紧急的任务，微任务队列的处理优先级比事件队列的高，如果微任务处理比较耗时，会导致事件堆积，应用响应缓慢。

isolate event loop

你可以通过Future.microtask 来向isolate提交一个微任务：

import 'dart:async';

main() {
  new Future(() => print('beautiful'));
  Future.microtask(() => print('hi'));
}

输出：

hi
beautiful

总结一下事件循环的运行机制：当应用启动后，它会创建一个isolate，启动事件循环，按照FIFO的顺序，优先处理微任务队列，然后再处理事件队列，如此反复。

多线程

注：以下当我们提到isolate的时候，你可以把它等同于线程，但我们知道它不仅仅是一个线程。

得益于异步 IO + 事件循环，尽管Dart是单线程，一般的IO密集型App应用通常也能获得出色的性能表现。但对于一些计算量巨大的场景，比如图片处理、反序列化、文件压缩这些计算密集型的操作，只单靠一个线程就不够用了。

在Dart中，你可以通过Isolate.spawn 来创建一个新的isolate：

void newIsolate(String mainMessage){
  sleep(Duration(seconds: 3));
  print(mainMessage);
}

void main() {
  // 创建一个新的isolate，newIoslate
  Isolate.spawn(newIsolate, 'Hello, Im from new isolate!'); 
  sleep(Duration(seconds: 10)); //主线程阻塞等待
}

输出：

Hello, Im from new isolate!

spawn 有两个必传参数，第一个是新isolate入口函数（entrypoint），第二个是这个入口函数的参数值（message）。

如果主isolate想接收子isolate的消息，可以在主isolate创建一个ReceivePort对象，并把对应的receivePort.sendPort作为新isolate入口函数参数传入，然后通过ReceivePort绑定SendPort对象给主isolate发送消息：

//新isolate入口函数
void newIsolate(SendPort sendPort){
  sendPort.send("hello, Im from new isolate!");
}

void main() async{
  ReceivePort receivePort= ReceivePort();
  Isolate isolate = await Isolate.spawn(newIsolate, receivePort.sendPort);
  receivePort.listen((message){ //监听从新isolate发送过来的消息
   
    print(message);
     
    // 不再使用时，关闭管道
     receivePort.close();
     
    // 关闭isolate线程
     isolate?.kill(priority: Isolate.immediate);
  });
}

输出：

hello, Im from new isolate!

上面我们了解了主isolate是如何监听来自子isolate的消息的，如果同时子isolate也想知道主isolate的一些状态，那该如何处理呢？下面的代码将提供一种双向通信的方式：

Future<SendPort> initIsolate() async {
  Completer completer = new Completer<SendPort>();
  ReceivePort isolateToMainStream = ReceivePort();

  //监听来自子线程的消息
  isolateToMainStream.listen((data) {
    if (data is SendPort) {
      SendPort mainToIsolateStream = data;
      completer.complete(mainToIsolateStream);
    } else {
      print('[isolateToMainStream] $data');
    }
  });

  Isolate myIsolateInstance = await Isolate.spawn(newIsolate, isolateToMainStream.sendPort);
  //返回来自子isolate的sendPort
  return completer.future; 
}

void newIsolate(SendPort isolateToMainStream) {
  ReceivePort mainToIsolateStream = ReceivePort();
  //关键实现：把SendPort对象传回给主isolate
  isolateToMainStream.send(mainToIsolateStream.sendPort);

  //监听来自主isolate的消息
  mainToIsolateStream.listen((data) {
    print('[mainToIsolateStream] $data');
  });

  isolateToMainStream.send('This is from new isolate');
}

void main() async{
  SendPort mainToIsolate = await initIsolate();
  mainToIsolate.send('This is from main isolate');
}

输出：

[mainToIsolateStream] This is from main isolatemain end
[isolateToMainStream] This is from new isolate

在 Flutter 中，你还可以通过一个简化版的compute函数启动一个新的isolate。

比如在反序列化的场景中，直接在主isolate进行序列化：

List<Photo> parsePhotos(String responseBody) {
  final parsed = json.decode(responseBody).cast<Map<String, dynamic>>();

  return parsed.map<Photo>((json) => Photo.fromJson(json)).toList();
}

Future<List<Photo>> fetchPhotos(http.Client client) async {
  final response =
      await client.get('https://jsonplaceholder.typicode.com/photos');
  //直接在主isolate转换
  return parsePhotos(response.body); 
}

启动一个新的isolate：

Future<List<Photo>> fetchPhotos(http.Client client) async {
  final response =
      await client.get('https://jsonplaceholder.typicode.com/photos');
  // 使用compute函数，启动一个新的isolate
  return compute(parsePhotos, response.body);
}

本示例的完整版：Parse JSON in the background

isolate 消息传递示意图

总结一下，当遇到计算密集型的耗时操作，你可以开启一个新的isolate来并发执行任务。不像我们常规认识的多线程，不同的isolate之间不能共享内存，但通过ReceivePort和SendPort可以构建不同isolate之间的消息通道，另外从别的isolate传来的消息也是要经过事件循环的。

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事件循环（Event Loop）

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