Kotlin协程实现原理:ContinuationInterce

作者: 午后一小憩 | 来源:发表于2020-11-19 20:34 被阅读0次

今天我们来聊聊Kotlin的协程Coroutine。

如果你还没有接触过协程，推荐你先阅读这篇入门级文章What? 你还不知道Kotlin Coroutine?

如果你已经接触过协程，但对协程的原理存在疑惑，那么在阅读本篇文章之前推荐你先阅读下面的文章，这样能让你更全面更顺畅的理解这篇文章。

Kotlin协程实现原理:Suspend&CoroutineContext

Kotlin协程实现原理:CoroutineScope&Job

如果你已经接触过协程，相信你都有过以下几个疑问：

协程到底是个什么东西？
协程的suspend有什么作用，工作原理是怎样的？
协程中的一些关键名称(例如：Job、Coroutine、Dispatcher、CoroutineContext与CoroutineScope)它们之间到底是怎么样的关系？
协程的所谓非阻塞式挂起与恢复又是什么？
协程的内部实现原理是怎么样的？
...

接下来的一些文章试着来分析一下这些疑问，也欢迎大家一起加入来讨论。

ContinuationInterceptor

看到Interceptor相信第一印象应该就是拦截器，例如在Okhttp中被广泛应用。自然在协程中ContinuationInterceptor的作用也是用来做拦截协程的。

下面来看下它的实现。

public interface ContinuationInterceptor : CoroutineContext.Element {
    /**
     * The key that defines *the* context interceptor.
     */
    companion object Key : CoroutineContext.Key<ContinuationInterceptor>

    /**
     * Returns continuation that wraps the original [continuation], thus intercepting all resumptions.
     * This function is invoked by coroutines framework when needed and the resulting continuations are
     * cached internally per each instance of the original [continuation].
     *
     * This function may simply return original [continuation] if it does not want to intercept this particular continuation.
     *
     * When the original [continuation] completes, coroutine framework invokes [releaseInterceptedContinuation]
     * with the resulting continuation if it was intercepted, that is if `interceptContinuation` had previously
     * returned a different continuation instance.
     */
    public fun <T> interceptContinuation(continuation: Continuation<T>): Continuation<T>

    ...
}

只给出了关键部分，ContinuationInterceptor继承于CoroutineContext.Element，所以它也是CoroutineContext，同时提供了interceptContinuation方法，先记住这个方法后续会用到。

大家是否还记得在Kotlin协程实现原理系列的第一篇文章中，我们分析了CoroutineContext的内部结构，当时提到了它的plus方法，就是下面这段代码

public operator fun plus(context: CoroutineContext): CoroutineContext =
    if (context === EmptyCoroutineContext) this else // fast path -- avoid lambda creation
        context.fold(this) { acc, element ->
            val removed = acc.minusKey(element.key)
            if (removed === EmptyCoroutineContext) element else {
                // make sure interceptor is always last in the context (and thus is fast to get when present)
                val interceptor = removed[ContinuationInterceptor]
                if (interceptor == null) CombinedContext(removed, element) else {
                    val left = removed.minusKey(ContinuationInterceptor)
                    if (left === EmptyCoroutineContext) CombinedContext(element, interceptor) else
                        CombinedContext(CombinedContext(left, element), interceptor)
                }
            }
        }

在这里第一次看到了ContinuationInterceptor的身影，当时核心是为了分析CoroutineContext，所以只是提了plus方法每次都会将ContinuationInterceptor添加到拼接链的尾部。

不知道有没有老铁想过这个问题，为什么要每次新加入一个CoroutineContext都要调整ContinuationInterceptor的位置，并将它添加到尾部？

这里其实涉及到两点。

其中一点是由于CombinedContext的结构决定的。它有两个元素分别是left与element。而left类似于前驱节点，它是一个前驱集合，而element只是一个纯碎的CoroutineContext，而它的get方法每次都是从element开始进行查找对应Key的CoroutineContext对象；没有匹配到才会去left集合中进行递归查找。

所以为了加快查找ContinuationInterceptor类型的实例，才将它加入到拼接链的尾部，对应的就是element。

另一个原因是ContinuationInterceptor使用的很频繁，因为每次创建协程都会去尝试查找当前协程的CoroutineContext中是否存在ContinuationInterceptor。例如我们通过launch来看协程的启动。

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
}

如果你使用launch的默认参数，那么此时的Coroutine就是StandaloneCoroutine，然后调用start方法启动协程。

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

在start中进入了CoroutineStart，对应的就是下面这段代码

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

因为我们使用的是默认参数，所以这里对应的就是CoroutineStart.DEFAULT，最终来到block.startCoroutineCancellable

internal fun <R, T> (suspend (R) -> T).startCoroutineCancellable(receiver: R, completion: Continuation<T>) =
    runSafely(completion) {
        createCoroutineUnintercepted(receiver, completion).intercepted().resumeCancellable(Unit)
    }

在这里我们终于看到了intercepted。

首先通过createCoroutineUnintercepted来创建一个协程(内部具体如何创建的这篇文章先不说，后续文章会单独分析)，然后再调用了intercepted方法进行拦截操作，最后再resumeCancellable，这个方法最终调用的就是Continuation的resumeWith方法，即启动协程。

所以每次启动协程都会自动回调一次resumeWith方法。

今天的主题是ContinuationInterceptor所以我们直接看intercepted。

public expect fun <T> Continuation<T>.intercepted(): Continuation<T>

发现它是一个expect方法，它会根据不同平台实现不同的逻辑。因为我们是Android所以直接看Android上的actual的实现

public actual fun <T> Continuation<T>.intercepted(): Continuation<T> =
    (this as? ContinuationImpl)?.intercepted() ?: this

最终来到ContinuationImpl的intercepted方法

public fun intercepted(): Continuation<Any?> =
    intercepted
        ?: (context[ContinuationInterceptor]?.interceptContinuation(this) ?: this)
            .also { intercepted = it }

在这里看到了熟悉的context，获取到ContinuationInterceptor实例，并且调用它的interceptContinuation方法返回一个处理过的Continuation。

多次调用intercepted，对应的interceptContinuation只会调用一次。

所以ContinuationInterceptor的拦截是通过interceptContinuation方法进行的。既然已经明白了它的拦截方式，我们自己来手动写一个拦截器来验证一下。

val interceptor = object : ContinuationInterceptor {
 
    override val key: CoroutineContext.Key<*> = ContinuationInterceptor
 
    override fun <T> interceptContinuation(continuation: Continuation<T>): Continuation<T> {
        println("intercept todo something. change run to thread")
        return object : Continuation<T> by continuation {
            override fun resumeWith(result: Result<T>) {
                println("create new thread")
                thread {
                    continuation.resumeWith(result)
                }
            }
        }
    }

}
 
println(Thread.currentThread().name)
 
lifecycleScope.launch(interceptor) {
    println("launch start. current thread: ${Thread.currentThread().name}")
    
    withContext(Dispatchers.Main) {
        println("new continuation todo something in the main thread. current thread: ${Thread.currentThread().name}")
    }
    
    launch {
        println("new continuation todo something. current thread: ${Thread.currentThread().name}")
    }
    
    println("launch end. current thread: ${Thread.currentThread().name}")
}

这里简单实现了一个ContinuationInterceptor，如果拦截成功就会输出interceptContinuation中对应的语句。下面是程序运行后的输出日志。

main
// 第一次launch
intercept todo something. change run to thread
create new thread
launch start. current thread: Thread-2
new continuation todo something in the main thread. current thread: main
create new thread
// 第二次launch
intercept todo something. change run to thread
create new thread
launch end. current thread: Thread-7
new continuation todo something. current thread: Thread-8

分析一下上面的日志，首先程序运行在main线程，通过lifecycleScope.launch启动协程并将我们自定义的intercetpor加入到CoroutineContext中；然后在启动的过程中发现我们自定义的interceptor拦截成功了，同时将原本在main线程运行的程序切换到了新的thread线程。同时第二次launch的时候也拦截成功。

到这里就已经可以证明我们上面对ContinuationInterceptor理解是正确的，它可以在协程启动的时候进行拦截操作。

下面我们继续看日志，发现withContext并没有拦截成功，这是为什么呢？注意看Dispatchers.Main。这也是接下来需要分析的内容。

另外还有一点，如果细心的老铁就会发现，launch start与launch end所处的线程不一样，这是因为在withContext结束之后，它内部还会进行一次线程恢复，将自身所处的main线程切换到之前的线程，但为什么又与之前launch start的线程不同呢？

大家不要忘了，协程每一个挂起后的恢复都是通过回调resumeWith进行的，然而外部launch协程我们进行了拦截，在它返回的Continuation的resumeWith回调中总是会创建新的thread。所以发生这种情况也就不奇怪了，这是我们拦截的效果。

整体再来看这个例子，它是不是像一个简易版的协程的线程切换呢？

CoroutineDispatcher

现在我们来看Dispatchers.Main，为什么它会导致我们拦截失败呢？要探究原因没有直接看源码更加直接有效的。

public actual val Main: MainCoroutineDispatcher get() = MainDispatcherLoader.dispatcher

主要看它的类型，它返回的是MainCoroutineDispatcher，然后再看它是什么

public abstract class MainCoroutineDispatcher : CoroutineDispatcher() {}

发现MainCoroutineDispatcher继承于CoroutineDispatcher，主角登场了，但还不够我们继续看CoroutineDispatcher是什么

public abstract class CoroutineDispatcher :
    AbstractCoroutineContextElement(ContinuationInterceptor), ContinuationInterceptor {
    
    public open fun isDispatchNeeded(context: CoroutineContext): Boolean = true
    
    public abstract fun dispatch(context: CoroutineContext, block: Runnable)
    
    public open fun dispatchYield(context: CoroutineContext, block: Runnable) = dispatch(context, block)
    
    public final override fun <T> interceptContinuation(continuation: Continuation<T>): Continuation<T> =
        DispatchedContinuation(this, continuation)
}

真想已经浮出水面了，原来CoroutineDispatcher实现了ContinuationInterceptor，说明CoroutineDispatcher也具有拦截器的功能。然后再结合CoroutineContext的性质，就很好解释为什么我们自定义的拦截器没有生效。

原因就是它与我们自定义的拦截器一样都实现了ContinuationInterceptor接口，一旦使用Dispatchers.Main就会替换掉我们自定义的拦截器。

因果关系弄明白了现在就好办了。我们已经知道它具有拦截功能，再来看CoroutineDispatcher提供的另外几个方法isDispatchNeeded与dispatch。

我们可以大胆猜测，isDispatchNeeded就是判断是否需要分发，然后dispatch就是如何进行分发，接下来我们来验证一下。

ContinuationInterceptor重要的方法就是interceptContinuation，在CoroutineDispatcher中直接返回了DispatchedContinuation对象，它是一个Continuation类型。那么自然重点就是它的resumeWith方法。

override fun resumeWith(result: Result<T>) {
    val context = continuation.context
    val state = result.toState()
    if (dispatcher.isDispatchNeeded(context)) {
        _state = state
        resumeMode = MODE_ATOMIC_DEFAULT
        dispatcher.dispatch(context, this)
    } else {
        executeUnconfined(state, MODE_ATOMIC_DEFAULT) {
            withCoroutineContext(this.context, countOrElement) {
                continuation.resumeWith(result)
            }
        }
    }
}

这里我们看到了isDispatchNeeded与dispatch方法，如果不需要分发自然是直接调用原始的continuation对象的resumeWith方法，也就没有什么类似于线程的切换。

那什么时候isDispatcheNeeded为true呢？这就要看它的dispatcer是什么。

由于现在我们是拿Dispatchers.Main作分析。所以这里我直接告诉你们它的dispatcher是HandlerContext

override fun createDispatcher(allFactories: List<MainDispatcherFactory>) =
    HandlerContext(Looper.getMainLooper().asHandler(async = true), "Main")

internal class HandlerContext private constructor(
    private val handler: Handler,
    private val name: String?,
    private val invokeImmediately: Boolean
) : HandlerDispatcher(), Delay {
    /**
     * Creates [CoroutineDispatcher] for the given Android [handler].
     *
     * @param handler a handler.
     * @param name an optional name for debugging.
     */
    public constructor(
        handler: Handler,
        name: String? = null
    ) : this(handler, name, false)

    @Volatile
    private var _immediate: HandlerContext? = if (invokeImmediately) this else null

    override val immediate: HandlerContext = _immediate ?:
        HandlerContext(handler, name, true).also { _immediate = it }

    override fun isDispatchNeeded(context: CoroutineContext): Boolean {
        return !invokeImmediately || Looper.myLooper() != handler.looper
    }

    override fun dispatch(context: CoroutineContext, block: Runnable) {
        handler.post(block)
    }
    ...
}

它继承于HandlerDispatcher，而HandlerDispatcher继承于MainCoroutineDispatcher。

条件都符合，我们直接看isDispatchNeeded方法返回true的逻辑。

首先通过invokeImmediately判断，它代表当前线程是否与自身的线程相同，如何你外部使用者能够保证这一点，就可以直接使用Dispatcher.Main.immediate来避免进行线程的切换逻辑。当然为了保证外部的判断失败，最后也会通过Looper.myLooper() != handler.looper来进行校正。对于Dispatchers.Main这个的handle.looper自然是主线程的looper。

如果不能保证则invokeImmediately为false，直接进行线程切换。然后进入dispatch方法，下面是Dispatchers.Main中dispatch的处理逻辑。

override fun dispatch(context: CoroutineContext, block: Runnable) {
    handler.post(block)
}

这个再熟悉不过了，因为这个时候的handler.post就是代表向主线程推送消息，此时的block将会在主线程进行调用。

这样线程的切换就完成。

所以综上来看，CoroutineDispatcher为协程提供了一个线程切换的统一判断与执行标准。

首先在协程进行启动的时候通过拦截器的方式进行拦截，对应的方法是interceptContinuation，然后返回一个具有切换线程功能的Continuation，在每次进行resumeWith的时候，内部再通过isDispatchNeeded进行判断当前协程的运行是否需要切换线程。如果需要则调用dispatch进行线程的切换，保证协程的正确运行。

如果我要自定义协程线程的切换逻辑，就可以通过继承于CoroutineDispatcher来实现，将它的核心方法进行自定义即可。

当然，如果你是在Android中使用协程，那基本上是不需要自定义线程的切换逻辑。因为kotlin已经为我们提供了日常所需的Dispatchers。主要有四种分别为:

Dispatchers.Default: 适合在主线程之外执行占用大量CPU资源的工作
Dispatchers.Main: Android主线程
Dispatchers.Unconfined: 它不会切换线程，只是启动一个协程进行挂起，至于恢复之后所在的线程完全由调用它恢复的协程控制。
Dispatchers.IO: 适合在主线程之外执行磁盘或网络I/O

最后我们再来简单提一下withContext。

withContext

CoroutineDispatcher虽然能够提供线程的切换，但这只是单方向的，因为它没有提供线程的恢复。

试想一下，我们有个网络请求，我们通过CoroutineDispatcher将线程切换到Dispatchers.IO，当拿到请求成功的数据之后，所在的线程还是IO线程，这样并不能有利于我们UI操作。所以为了解决这个问题kotlin提供了withContext，它不仅能够接受CoroutineDispatcher来帮助我们切换线程，同时在执行完毕之后还会帮助我们将之前切换掉的线程进恢复，保证协程运行的连贯性。这也是为什么官方推荐使用withContext进行协程线程的切换的原因。

而withContext的线程恢复原理是它内部生成了一个DispatchedCoroutine，保存切换线程时的CoroutineContext与切换之前的Continuation，最后在onCompletionInternal进行恢复。

internal override fun onCompletionInternal(state: Any?, mode: Int, suppressed: Boolean) {
    if (state is CompletedExceptionally) {
        val exception = if (mode == MODE_IGNORE) state.cause else recoverStackTrace(state.cause, uCont)
        uCont.resumeUninterceptedWithExceptionMode(exception, mode)
    } else {
        uCont.resumeUninterceptedMode(state as T, mode)
    }
}

这个uCont就是切换线程之前的Continuation。具体实现就不在这分析了，感兴趣的老铁可以自己翻一翻源码。

本篇文章主要介绍了ContinuationInterceptor作用与如何拦截协程的，同时也分析了CoroutineDispatcher内部结构，进一步剖析了协程线程切换的原理。希望对学习协程的伙伴们能够有所帮助，敬请期待后续的协程分析。

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