Dart 异步编程相关概念简述--从人生三大事说起

学习 Dart 的异步编程时，需要对异步编程所涉及的相关知识体系进行梳理，我们可根据以下几个发问来逐个了解异步编程涉及的内容：

• 为什么需要异步编程？
• 异步编程的内在机制是什么？
• Dart 中如何进行异步编程？

[TOC]

isolate:

Dart是单“线程”语言：

Dart 代码在某个 isolate 的上下文中运行，该 isolate 拥有 Dart 代码所需的所有内存。当Dart 代码正在执行时，同一个 isolate 中的其他代码都无法运行,更通俗地讲，Dart 一次执行一个操作，这意味着只要一个操作正在执行，它就不会被任何其他 Dart 代码中断。这就引发出以下问题：

1，如果 Dart 代码正在执行长耗时计算，或者等待 I/O，将会导致程序冻结；

2，如果需要同时运行不同的 Dart 代码，就需要将这些代码放在不同的 isolate 环境中执行 ；

3， 如何在 Dart 中编写异步代码，进行异步操作？（所谓异步操作，指的是当你的程序在等待其它操作完成时，可以让其先完成其它部分的操作）

我们先放码出来：

main() {
  fallInLove();//谈恋爱
  House newHourse = buyHouse();//买房(耗时、费力操作)
  livingHouse(newHourse);//买完房子之后住进新房
  marry()；//结婚
  haveChild();//生娃
}

如上所示，在这种情况下，只有当第一条语句执行完之后，后面的语句才能接着按顺序执行；

大部分人的人生三件事：买房，结婚，生娃！

这三件大事，如果用 Dart 语言来实现：

如果是在同步操作中，并且家里没矿，六个钱包也凑不齐首付的话，你的人生就会冻结- -等着买完房之后，才能结婚，结完婚之后才能生娃；

有没有什么操作可以实现先结婚，再生娃，再买房呢？答案是有的：如果将买房（buyHouse()）放在异步操作里，这时候你要给你的丈母娘及老婆一个承诺：以后有钱了再买房！现在先结婚、生娃！详情我们后文再叙，这里先提出这么个设想；

event loop:

当开始运行 Flutter 或者 Dart 应用程序时，一个 isolate 就会被创建并启动，当 isolate 创建成功时，Dart 就会进行如下三个事项：

1，初始化两个先进先出（FIFO）队列:一个称为 MicroTask 队列,另外一个称为 Event 队列；

2，执行main()方法，且执行完成后，进入3

3，启动 Event Loop

4，开始处理两个队列中的元素(两个队列的执行有先后顺序，见后文)

也就是说，每个 isolate 中都会有且只有一个Event Loop(事件循环)和两个队列(MicroTask Queue、Event Queue ); Event Loop 将根据MicroTask队列和Event队列里的内容来驱动代码的执行方式和顺序。

Add the main isolate executing tasks off the queue: main(), then key event handler, then click event handler, then timer task, etc.

那么问题来了：

1，Event Loop是什么？用来干啥的？

2，MicroTask队列和Event队列都分别是什么？有什么用？

3，两者有什么区别？

Event Loop是一个定期唤醒的无限循环：它在MicroTask、Event队列中查找是否有需要运行的任务。如果队列中的任务存在，则当且仅当CPU空闲时，Event Loop将它们放入运行堆栈执行。

MicroTask Queue用于非常短的,需要异步运行的操作，考虑如下场景：想要在稍后完成一些任务但又希望是在执行下一个Event队列之前；一般使用dart:async库中的scheduleMicrotask方法来实现;

Event Queue(事件队列)包含所有外部事件：

• I/O，
• 手势，
• 鼠标事件，
• 绘图事件，
• 计时器，
• isolate 之间的消息
• Future

每次外部事件被触发时，要执行的相应代码都会被添加到 Event Queue 中,当MicroTask队列中没有任何内容时，Event Loop才会从Event 队列中取出第一项来处理；需要重点关注的是，Future也会被添加到 Event 队列中；

当main()方法执行完成后，event loop开始它的工作，

1，先从 microtask 队列以先进先出的方式取出并执行完所有内容；

2，从event 队列中取出并处理第一项；

3，重复上述两个步骤直到两个队列都没有任何内容可执行

综上所述，可以由如下简化图来表示：

flowchart: main() -> microtasks -> next event -> microtasks -> ...

Future:

Future 通常指的是异步运行的任务，它会在未来某个时间点完成,这里的完成有两层含义：成功或者失败，成功时返回任务执行的结果（注意：这里的结果指的是 Future< T> 返回范型T的对象)，失败时返回错误；

当实例化一个 Future 的时候：

• 该 Future 的一个实例被创建并记录在由 Dart 管理的内部数组中;
• 需要由此 Future 执行的代码直接被推送到 Event 队列中;
• Future 实例返回一个未完成状态的 Future 对象;
• 如果 Future 语句之后还有其它的话（不是 Future 包含着的代码），则继续执行下一个同步代码;
• Future 完成后，then()方法及catchError（）方法里的代码将会被执行；

import 'dart:async';

void main() {
  fallInLove(); //谈恋爱；
  handleHouse(); //买房、入住(耗时、费用的操作)
  marry(); //结婚
  haveChild(); //生娃
}

///进行买房 [buyHouse]、入住[livingHouse]等操作
void handleHouse() {
  Future<House> house = buyHouse();
  house.then((_) {
    livingHouse();
  });
}

class House {}

Future<House> buyHouse() {
  Future<House> result = Future(() {
    print('buyHouse');
  });
  return result;
}

void livingHouse() {
  print('livingHouse');
}

void marry() {
  print('marry');
}

void haveChild() {
  print('haveChild');
}

void fallInLove() {
  print('fall in love');
}

我们来分析上述代码的执行顺序：

1. 从main()方法中开始执行同步代码，首先执行fallInLove();
2. 执行handleHouse()方法，将Future里的(){print('buyHouse');}加入 Event 队列;
3. 执行marry()方法;
4. 执行haveChild()方法;
5. 执行到这里的时候，main()方法已经执行完了，Event Loop开始处理两个队列中的元素，如前面的分析，这时候先查看MicroTask队列有没有需要处理的任务，没有的话，就可以取出Event队列中的第一个任务来执行，在这个例子中，就是开始执行步骤2的(){print('buyHouse');}代码块；
6. 当上述步骤完成之后，开始执行then()中的方法 livingHouse();；

所以代码的执行结果应该如下所示：

fall in love
marry
haveChild
buyHouse
livingHouse

async/await:

​ 上面的 Future 章节，我们主要使用了 Future 的 API 来达到异步操作的目的，Dart 还为我们提供了一对关键字 async/await 来达成此目的；有了这两个关键字，我们可以像写同步代码那样写异步代码，并且不用使用到 Future的 API (then());

使用 async/await 关键字有以下几个需要注意的点：

• async 关键字声明的方法，需要返回 Future 对象:有可用值时类型为 Future< T>；无可用值时为 Future< void>;
• await 关键字只能在 标记为 async 的方法里出现；
• await 关键字后面跟着的表达式，通常是 Future 对象，如果不是，系统会自动封装成Future 对象；
• await 表达式会使表达式之后的语句暂停执行(async方法里的执行),直到返回的 Future对象可用；
• 对应于使用 Future API 中的 catchError()方法，可以将await表达式包在 try/catch进行错误捕获及后续处理;

如下：我们只需要稍微改造handleHouse()方法:

1. 在方法的 body 前加 async关键字标志
2. 将 handleHouse()方法的返回类型改为 Future< void>
3. 在需要耗时的操作方法前加 await关键字标志

///进行买房 [buyHouse]、入住[livingHouse]等操作
Future<void> handleHouse() async {
  await buyHouse();
  livingHouse();
}

运行代码后的输出效果是与使用Future API 一致的；

总结

本文主要涉及到的概念有：isolate,event loop,future,async/await，理解了这些内容，可以让我们更好地写出、阅读异步编程的相关代码；

参考链接

参考链接1：https://dart.dev/tutorials/language/futures

参考链接2：https://dart.dev/guides/language/language-tour#asynchrony-support

参考链接3：https://dart.dev/articles/archive/event-loop#event-queue-new-future