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。
- 协程构建器:用于启动新的协程,如
- 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:
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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。
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Kotlin协程需要单独依赖协程库,协程框架是一个整体的框架。
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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。
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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。
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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。