Kotlin协程：打破线程框架的思维

前言

协程是Kotlin对比Java的最大优势，需要理解协程的设计理念和知识体系，建立协程思维模型。本文将介绍协程的概念、特性和原理，以及如何在Android开发中使用协程来简化并发编程和优化软件架构。

什么是协程

协程是一种互相协作的程序，可以在任意地方挂起和恢复，每次返回一个值，而不是像普通程序那样只能在末尾返回一次。协程可以看成是一种用户态的轻量级线程，它不依赖于操作系统的调度，而是由程序员控制它们的执行流程。

举个例子，假设我们有一个普通的函数getFilteredBitmap()，它从一个API获取一张图片，并且给它加上一个雪花滤镜。我们想要在主线程中调用这个函数，并且显示处理后的图片。我们可以这样写：

fun showSnowyBitmap() {
  val snowyBitmap = getFilteredBitmap() // 阻塞主线程
  showBitmap(snowyBitmap) // 显示图片
}

这样的代码有一个很大的问题：getFilteredBitmap()是一个耗时的操作，它会阻塞主线程，导致应用无响应。为了解决这个问题，我们通常会使用异步回调或者RxJava等方式来在后台线程中执行这个操作，并且在主线程中接收结果。但是这样的代码会变得复杂和难以维护。

如果我们把getFilteredBitmap()改成一个协程，我们就可以用一种更简洁和直观的方式来写异步代码。我们可以这样写：

suspend fun showSnowyBitmap() = coroutineScope {
  val snowyBitmap = async { getFilteredBitmap() } // 在后台线程中启动一个协程
  showBitmap(snowyBitmap.await()) // 在主线程中等待结果并显示图片
}

这样的代码看起来就像是同步的代码，但实际上它是非阻塞的。async是一个协程构建器，它会在后台线程中启动一个新的协程，并且返回一个Deferred对象，表示异步计算的结果。await是一个挂起函数，它会挂起当前协程，直到Deferred对象完成，并且返回结果。挂起当前协程并不会阻塞主线程，而是让出执行权给其他协程或者任务。当Deferred对象完成时，当前协程会自动恢复执行，并且继续后面的代码。

Kotlin协程

Kotlin协程需要单独依赖协程库，协程框架是一个整体的框架。协程比线程更轻量级、更灵活、更高效，可以在不同线程间切换。

协程库

要使用Kotlin协程，我们需要添加以下依赖到我们的app的build.gradle文件：

dependencies {
  implementation 'org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-android:1.3.9'
}

这个库包含了以下几个部分：

  • kotlinx-coroutines-core: 包含了核心的API和数据结构，如suspend、launch、async、await、CoroutineScope、Job、Deferred等。
  • kotlinx-coroutines-android: 包含了Android平台特有的API和数据结构，如Main调度器、LifecycleScope等。
  • kotlinx-coroutines-test: 包含了测试协程的工具类，如TestCoroutineDispatcher、runBlockingTest等。

协程框架

Kotlin协程框架是一个整体的框架，它包含了以下几个层次：

  • 语言层：Kotlin语言提供了suspend关键字，用于标记挂起函数。挂起函数是一种特殊的函数，它可以在不阻塞线程的情况下暂停和恢复执行。挂起函数只能在协程或者其他挂起函数中调用。
  • 库层：协程库提供了各种API和数据结构，用于创建和管理协程。主要有以下几个概念：
    • 协程构建器：用于启动新的协程，如launch、async、runBlocking等。不同的协程构建器有不同的特点和用途，我们会在后面详细介绍。
    • 协程作用域：用于定义协程的生命周期范围，如coroutineScope、supervisorScope、GlobalScope等。协程作用域可以嵌套使用，形成一个结构化的并发模式。我们会在后面详细介绍。
    • 协程上下文：用于存储协程的相关信息，如调度器、Job、异常处理器等。协程上下文可以通过协程构建器或者作用域来指定或者修改。我们会在后面详细介绍。
    • 调度器：用于指定协程运行的线程或者线程池，如Dispatchers.Main、Dispatchers.IO、Dispatchers.Default等。调度器是协程上下文的一部分，我们会在后面详细介绍。
    • Job：用于表示一个协程的任务状态，如是否激活、是否完成、是否取消等。Job也是协程上下文的一部分，我们会在后面详细介绍。
    • Deferred：用于表示一个异步计算的结果，它是一种特殊的Job，可以通过await()来获取结果。Deferred通常由async()来创建，我们会在后面详细介绍。
  • 平台层：不同的平台提供了不同的实现方式，如JVM、Android、JS、Native等。平台层主要负责实现挂起函数的机制和调度器的逻辑。

协程和线程

协程和线程都是一种并发编程的方式，但是它们有很多不同点：

  • 线程是操作系统级别的概念，它依赖于操作系统的调度和管理。线程之间的切换需要保存和恢复寄存器和栈信息，消耗较大。线程之间的通信需要使用共享内存或者消息队列等方式，容易出现竞态条件或者死锁等问题。
  • 协程是用户态级别的概念，它依赖于程序员控制它们的执行流程。协程之间的切换只需要保存和恢复少量信息，消耗较小。协程之间可以使用通道或者共享流等方式进行通信，更加安全和高效。

协程的思维模型

协程可以看成是运行在线程中的Task，每个Task都有一个"抓手"或者"挂钩"，可以方便我们对它进行挂起和恢复。协程不会和特定的线程绑定，它可以在不同的线程之间灵活切换。

我们可以用一个图来表示协程的思维模型：

+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+
|    Thread 1     |     |    Thread 2     |     |    Thread 3     |
+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+
|                 |     |                 |     |                 |
|  +---------+    |     |  +---------+    |     |  +---------+    |
|  | Task A  |--->|---->|  | Task A  |--->|---->|  | Task A  |    |
|  +---------+    |     |  +---------+    |     |  +---------+    |
|                 |     |                 |     |                 |
|  +---------+    |     |  +---------+    |     |  +---------+    |
|  | Task B  |--->|---->|  | Task B  |--->|---->|  | Task B  |--->|
|  +---------+    |     |  +---------+    |     |  +---------+    |
|                 |     |                 |     |                 |
|  +---------+    |     |  +---------+    |     |  +---------+    |
|  | Task C  |--->|---->|  | Task C  |--->|---->|  | Task C  |--->|
|  +---------+    |     |  +---------+    |     |  +---------+    |
|                 |     |                 |     |                 |
+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+

在这个图中，我们有三个线程和三个协程（Task A、B、C）。每个协程都可以在任意的线程中运行，只要有一个"抓手"或者"挂钩"来控制它们的挂起和恢复。这个"抓手"或者"挂钩"就是协程上下文，它包含了调度器、Job、异常处理器等信息。我们可以通过协程构建器或者作用域来指定或者修改协程上下文。

协程的非阻塞特性

由于协程具有挂起和恢复的能力，它就可以实现非阻塞的特性。这意味着当一个协程遇到耗时的操作时，它不会阻塞后面的任务执行，而是让出执行权给其他任务，等到合适的时机再恢复执行。

举个例子，假设我们有两个协程，分别是Task A和Task B。Task A需要从网络获取一些数据，Task B需要从数据库获取一些数据。我们可以这样写：

suspend fun getData() = coroutineScope {
  val dataFromNetwork = async { fetchFromNetwork() } // 在后台线程中启动一个协程，从网络获取数据
  val dataFromDatabase = async { fetchFromDatabase() } // 在后台线程中启动一个协程，从数据库获取数据
  val result = combine(dataFromNetwork.await(), dataFromDatabase.await()) // 在主线程中等待结果并组合
  result // 返回结果
}

在这个例子中，我们使用了async协程构建器来启动两个协程，分别是dataFromNetwork和dataFromDatabase。它们都返回一个Deferred对象，表示异步计算的结果。我们使用了await()挂起函数来等待它们的结果，并且组合成一个最终的结果。

注意，当我们调用await()时，并不会阻塞当前线程，而是挂起当前协程。这样，其他协程或者任务就可以在当前线程中执行。当Deferred对象完成时，当前协程会自动恢复执行，并且继续后面的代码。

这样的代码有以下几个优点：

  • 它是非阻塞的，不会影响主线程的响应性。
  • 它是并发的，可以同时执行多个耗时的操作。
  • 它是顺序的，可以按照我们期望的顺序写代码，而不需要使用回调或者嵌套等方式。
  • 它是结构化的，可以使用协程作用域来管理协程的生命周期和异常处理。

总结

本文介绍了Kotlin协程的概念、特性和原理，以及如何在Android开发中使用协程来简化并发编程和优化软件架构。我们学习了以下几个知识点：

  • 协程是一种互相协作的程序，可以在任意地方挂起和恢复，每次返回一个值。

  • Kotlin协程需要单独依赖协程库，协程框架是一个整体的框架。

  • 协程比线程更轻量级、更灵活、更高效，可以在不同线程间切换。

  • 协程可以看成是运行在线程中的Task，每个Task都有一个"抓手"或者"挂钩"，可以方便我们对它进行挂起和恢复。

  • 协程具有非阻塞的特性，可以让出执行权给其他任务，等到合适的时机再恢复执行。