Flutter异步编程详解

不知道大家有没有一个疑问：Dart是单线程执行，那它是如何实现异步操作的呢？

本文将对Dart/Flutter提供的Isolate,Event Loop,Future,async/await等进行异步操作相关的知识点进行分析。

Isolate

什么是Isolate？

An isolate is what all Dart code runs in. It’s like a little space on the machine with its own, private chunk of memory and a single thread running an event loop.

• Isolate相当于Dart语言中的线程Thread，是Dart/Flutter的执行上下文环境(容器)；
• Isolate有自己独立的内存地址和Event Loop，不存在共享内存所以不会出现死锁，但是比Thread更耗内存；

Isolate

• Isolate间不能直接访问，需凭借Port进行通信；

通信

Main Isolate

当执行完main()入口函数后，Flutter会创建一个Main Isolate。一般情况下任务都是在这个Main Isolate中执行的。

多线程

一般情况下在Main Isolate执行任务是可以接受的，但是把一些耗时操作放在Main Isolate中执行，会造成掉帧的现象，这会对用户体验造成严重影响。此时，选择将耗时任务分发到其他的Isolate中就是一个很好的实现方式了。

所有的Dart Code都是在Isolate中执行的，代码只能使用同一个Isolate中的内容，不同的 Isolate是内存隔离的，因此只能通过 Port 机制发送消息通信，其原理是向不同的 Isolate 队列中执行写任务。

案例

案例

我们做了个简单的Demo，屏幕中间有一个心在不停的动画(由小变大，再由大变小)。当我们点击右下角对的加号按钮，会进行一个耗时的运算。如果耗时操作在Main Isolate执行，将会造成界面的丢帧，动画将会出现卡顿的情况。

案例

我们目前就是需要解决这个掉帧的问题。

1.compute 方法

Flutter封装了一个compute这个高级API函数可以让我们方便的实现多线程的功能。

Future<R> compute<Q, R>(isolates.ComputeCallback<Q, R> callback, Q message, { String? debugLabel }) async {
}

compute接收两个必传参数：1，需要执行的方法；2，传入的参数，这参数最多只能是1个，所以多个参数需要封装到Map中；

• 最开始的代码

// 耗时操作的方法:`bigCompute`
Future<int> bigCompute(int initalNumber) async {
    int total = initalNumber;
    for (var i = 0; i < 1000000000; i++) {
      total += I;
    }
    return total;
}

// 点击按钮调用的方法:`calculator`
void calculator() async {
    int result = await bigCompute(0);
    print(result);
}

// FloatingActionButton的点击事件
FloatingActionButton(
    onPressed: calculator,
    tooltip: 'Increment',
    child: Icon(Icons.add),
)

• 修改代码

1. 新建一个calculatorByComputeFunction方法，用compute调用bigCompute方法：

void calculatorByComputeFunction() async {
    // 使用`compute`调用`bigCompute`方法，传参0
    int result = await compute(bigCompute, 0);
    print(result);
}

2. 修改FloatingActionButton的点击事件方法为calculatorByComputeFunction

FloatingActionButton(
    onPressed: calculatorByComputeFunction,
    tooltip: 'Increment',
    child: Icon(Icons.add),
)

咱点击试试？

[VERBOSE-2:ui_dart_state.cc(186)] Unhandled Exception: Invalid argument(s): Illegal argument in isolate message : (object is a closure - Function 'bigCompute':.)

3. 解决Error：将bigCompute改为为static方法(改为全局函数也是可行的)

static Future<int> bigCompute(int initalNumber) async {
    int total = initalNumber;
    for (var i = 0; i < 1000000000; i++) {
      total += I;
    }
    return total;
}

警告：还有一个需要注意的是所有的Platform-Channel的通信必须在Main Isolate中执行，譬如在其他Isolate中调用rootBundle.loadString("assets/***")就掉坑里了。

2. 直接使用Isolate

上面我们用compute方法，基本上没有看到Isolate的身影，因为Flutter帮我们做了很多工作，包括Isolate创建，销毁，方法的执行等等。一般情况下我们使用这个方法就够了。

但是这个方法有个缺陷，我们只能执行一个任务，当我们有多个类似的耗时操作时候，如果使用这个compute方法将会出现大量的创建和销毁，是一个高消耗的过程，如果能复用Isolate那就是最好的实现方式了。

多线程Isolate间通信的原理如下：

1. 当前Isolate接收其他Isolate消息的实现逻辑: Isolate之间是通过Port进行通信的，ReceivePort是接收器，它配套有一个SendPort发送器, 当前Isolate可以把SendPort发送器送给其他Isolate，其他Isolate通过这个SendPort发送器就可以发送消息给当前Isolate了。

2. 当前Isolate给其他Isolate发消息的实现逻辑: 其他Isolate通过当前Isolate的SendPort发送器发送一个SendPort2发送器2过来，其他的Isolate则持有SendPort 2发送器2对应的接收器ReceivePort2接收器2，当前Isolate通过SendPort 2发送消息就可以被其他Isolate收到了。

是不是很绕！我再打个比喻：市面上有一套通信工具套件，这套通信工具套件包括一个接电话的工具和一个打电话的工具。A留有接电话的，把打电话的送给B，这样B就可以随时随地给A打电话了（此时是单向通信）。 如果B也有一套工具，把打电话的送给A，这样A也能随时随地给B打电话了（此时是双向通信了）。

上代码：

class _MyHomePageState extends State<MyHomePage>
    with SingleTickerProviderStateMixin {
    // 1.1 新建的isolate
    Isolate isolate;
    // 1.2 Main Isolate的接收器
    ReceivePort mainIsolaiteReceivePort;    
    // 1.3 Other Isolate的发送器
    SendPort otherIsolateSendPort;
    
    // 新建(复用)Isolate
    void spawnNewIsolate() async {
        // 2.1 建一个接收Main Isolate的接收器
        if (mainIsolaiteReceivePort == null) {
          mainIsolaiteReceivePort = ReceivePort();
        }
        try {
          if (isolate == null) {
            // 2.2 新建的isolate, 把Main Isolate发送器传给新的isolate，calculatorByIsolate是需要执行的任务
            isolate = await Isolate.spawn(
                calculatorByIsolate, mainIsolaiteReceivePort.sendPort);
            // 2.3 Main Isolate 通过接收器接收新建的isolate发来的消息    
            mainIsolaiteReceivePort.listen((dynamic message) {
              if (message is SendPort) {
                // 2.4 如果新建的isolate发来的是一个发送器，就通过这个发送器给新建的isolate发送值过去(此时双向通讯建立成功)
                otherIsolateSendPort = message;
                otherIsolateSendPort.send(1);
                print("双向通讯建立成功，主isolate传递初始参数1");
              } else {
                // 2.5 如果新建的isolate发来了一个值，我们知道是耗时操作的计算结果。
                print("新建的isolate计算得到的结果$message");
              }
            });
          } else {
            // 2.6 复用otherIsolateSendPort
            if (otherIsolateSendPort != null) {
              otherIsolateSendPort.send(1);
              print("双向通讯复用，主isolate传递初始参数1");
            }
          }
        } catch (e) {}
    }
    
    // 这个是新的Isolate中执行的任务
    static void calculatorByIsolate(SendPort sendPort) {
        // 3.1 新的Isolate把发送器发给Main Isolate
        ReceivePort receivePort = new ReceivePort();
        sendPort.send(receivePort.sendPort);
        
        // 3.2 如过Main Isolate发过来了初始数据，就可以进行耗时计算了
        receivePort.listen((val) {
          print("从主isolate传递过来的初始参数是$val");
          int total = val;
          for (var i = 0; i < 1000000000; i++) {
            total += I;
          }
          // 3.3 通过Main Isolate的发送器发给Main Isolate计算结果
          sendPort.send(total);
        });
    } 
    
    @override
    void dispose() {
        // 释放资源
        mainIsolaiteReceivePort.close();
        isolate.kill();
        super.dispose();
    }
}

代码注释的很详细了，就不再解释了。是不是代码好多的感觉，其实如果理解流程了逻辑倒不复杂。

关于Isolate的概念和使用我们就介绍到这里，接下来我们来介绍Isolate中的一个重要知识点Event Loop.

Event Loop

Loop这个概念绝大部分开发者都应该很熟悉了，iOS中有NSRunLoop，Android中有Looper， js中有Event Loop，名字上类似，其实所做的事情也是类似的。

Event Loop的官方介绍如下图：

• 静态示意图

Event Loop

执行完main()函数后将会创建一个Main Isolate。

• 动态示意图

[图片上传失败...(image-239e43-1622171612149)]

• Event Loop会处理两个队列MicroTask queue和Event queue中的任务；
• Event queue主要处理外部的事件任务：I/O,手势事件,定时器,isolate间的通信等；
• MicroTask queue主要处理内部的任务：譬如处理I/O事件的中间过程中可能涉及的一些特殊处理等；
• 两个队列都是先进先出的处理逻辑，优先处理MicroTask queue的任务，当MicroTask queue队列为空后再执行Event queue中的任务；
• 当两个队列都为空的时候就进行GC操作，或者仅仅是在等待下个任务的到来。

为了比较好的理解 Event Loop 的异步逻辑，我们来打个比喻：就像我去长沙某网红奶茶品牌店买杯“幽兰拿铁”(由于是现做的茶，比较耗时)的过程。

1. 我来到前台给服务员说我要买一杯你们店的“幽兰拿铁”，然后服务员递给了我一个有编号的飞盘(获取凭证)；
2. 奶茶店的备餐员工就将我的订单放在订单列表的最后面，他们按照顺序准备订单上的商品，准备好一个就让顾客去领取（Event queue 先进先出进行处理），而我就走开了，该干啥干啥去了(异步过程，不等待处理结果)；
3. 突然他们来了个超级VIP会员的订单，备餐员工就把这个超级VIP订单放在了其他订单的最前面，优先安排了这个订单的商品(MicroTask优先处理)---此场景为虚构；
4. 当我的订单完成后，飞盘开始震动(进行结果回调)，我又再次回到了前台，如果前台妹子递给我一杯奶茶（获得结果），如果前台妹子说对不起先生，到您的订单的时候没水了，订单没法完成了给我退钱（获得异常错误错误）。

我们常用的异步操作Future,async,await都是基于Event Loop，我们接下来就来介绍他们异步操作背后的原理。

Future

我们接下来用代码总体说明一下Future背后的逻辑：

final myFuture = http.get('https://my.image.url');
myFuture.then((resp) {
    setImage(resp);
}).catchError((err) {
    print('Caught $err'); // Handle the error.
});
// 继续其他任务
...

1. http.get('https://my.image.url')返回的是一个未完成状态的Future, 可以理解为一个句柄，同时http.get('https://my.image.url')被丢进了Event queue中等待被执行，然后接着执行当前的其他任务；
2. 当Event queue执行完这个get请求成功后会回调then方法，将结果返回,Future为完成状态 ，就可以进行接下来的操作了；
3. 当Event queue执行完这个get请求失败后会回调catchError方法，将错误返回，Future为失败状态 ，就可以进行错误处理了。

我们接下来分别介绍下Future的一些相关函数：

构造函数

• Future(FutureOr<T> computation())

final future1 = Future(() {
    return 1;
});

computation被放入了Event queue队列中

• Future.value

final future2 = Future.value(2);

值在MicroTask queue队列中返回

• Future.error(Object error, [StackTrace? stackTrace])

final future3 = Future.error(3);

这个error表示出现了错误，其中的值不一定需要给一个Error对象

• Future.delay

final future4 = Future.delayed(Duration(seconds: 1), () {
    return 4;
});

延迟一定时间再执行

Future结果回调then

final future = Future.delayed(Duration(seconds: 1), () {
    print('进行计算');
    return 4;
});
future.then((value) => print(value));
print('继续进行接下来的任务');

// flutter: 继续进行接下来的任务
// flutter: 进行计算
// flutter: 4

Future出现错误后的回调onError

final future = Future.error(3);
future.then((value) => print(value))
.onError((error, stackTrace) => print(error));
    
print('继续进行接下来的任务');

// flutter: 继续进行接下来的任务
// flutter: 3

Future完成的回调whenComplete

final future = Future.error(3);
future.then((value) => print(value))
.onError((error, stackTrace) => print(error))
.whenComplete(() => print("完成"));
    
print('继续进行接下来的任务');

// flutter: 继续进行接下来的任务
// flutter: 3
// flutter: 完成

async/await

做过前端开发的对这两个关键字应该很熟悉，Flutter中async/await本质上只是Future的语法糖，使用方法也很简单。

Future<String> createOrderMessage() async {
  var order = await fetchUserOrder();
  return 'Your order is: $order';
}

1. await放在返回值为Future的执行任务前面，相当于做了个标记，表示执行到此为止，等有结果后再往下执行；
2. 使用了await必须在方法后面加上async;
3. async方法必须在返回值上封装上Future。

FutureBuilder

Flutter为我们封装了一个FutureBuilder这个Widget，可以方便的构造UI, 以获取图片进行展示为例：

FutureBuilder(
    future: 加载图片的Future
    uilder: (context, snapshot) {
    // 未完成
    if (!snapshot.hasData) {
        // 使用默认的占位图
    } else if (snapshot.hasError) {
        // 使用加载失败的图
    }  else {
        // 使用加载到的图
    }
},

总结

通过新建Isolate可以实现多线程，每个线程Isolate都有Event Loop可以执行异步操作。

有些移动开发者可能偏爱ReactiveX响应式编程，譬如RxJava，RxSwift，ReactiveCocoa等。其实他们也是异步编程的一种方式，Flutter为我们提供了一个对应的类---Stream，其也有丰富的中间操作符，还提供了StreamBuilder可以构建UI，接下来我们将会一篇文章来分析它。