Kotlin協(xié)程與并發(fā)深入全面講解

更新時間：2022年11月24日 09:53:20 作者：且聽真言

Android官方對協(xié)程的定義-協(xié)程是一種并發(fā)設(shè)計模式，您可以在Android平臺上使用它來簡化異步執(zhí)行的代碼。協(xié)程是在版本1.3中添加到Kotlin的，它基于來自其他語言的既定概念

協(xié)程與并發(fā)

Kotlin協(xié)程是基于線程執(zhí)行的。經(jīng)過一層封裝以后，Kotlin協(xié)程面對并發(fā)，處理方式與Java不同。

在java的世界里，并發(fā)往往是多個線程一起工作，存在共享的變量。需要處理好同步問題。要避免把協(xié)程與線程的概念混淆。

runBlocking {
        var i = 0
        launch(Dispatchers.Default) {
            repeat(1000) {
                i++
            }
        }
        delay(1000L)
        println(i)
    }

Log
1000

Process finished with exit code 0

上述代碼中沒有任何并發(fā)任務(wù)，launch創(chuàng)建了一個協(xié)程，所有的計算都發(fā)生在協(xié)程中。所以不需要考慮同步問題。

1.協(xié)程并發(fā)問題

多個協(xié)程并發(fā)執(zhí)行的例子：

runBlocking {
        var i = 0
        val jobs = mutableListOf<Job>()
        repeat(10) {
            val job = launch(Dispatchers.Default) {
                repeat(1000) {
                    i++
                }
            }
            jobs.add(job)
        }
        jobs.joinAll()
        println(i)
    }

9933

Process finished with exit code 0

上述代碼中，創(chuàng)建了10個協(xié)程任務(wù)，每個協(xié)程任務(wù)都會工作在Default線程池中，這10個協(xié)程任務(wù)對i進行1000次自增操作，但是因為10個協(xié)程分別運行在不同的線程之前，且共享一個變量，所以會產(chǎn)生同步問題。

2.協(xié)程處理并發(fā)的手段

在Java中的同步手段有：synchronized、Atomic、Lock等；

使用@Synchronized注解或者synchronized(){}代碼塊

 runBlocking {
        var i = 0
        val lock = Any()
        val jobs = mutableListOf<Job>()
        repeat(10) {
            val job = launch(Dispatchers.Default) {
                repeat(1000) {
                    synchronized(lock) {
                        i++
                    }
                }
            }
            jobs.add(job)
        }
        jobs.joinAll()
        println(i)
    }

10000

Process finished with exit code 0

如何在上面的synchronized代碼塊中加入掛起函數(shù)，則發(fā)現(xiàn)會報錯。

如下：

  runBlocking {
        suspend fun prepare() {
        }
        var i = 0
        val lock = Any()
        val jobs = mutableListOf<Job>()
        repeat(10) {
            val job = launch(Dispatchers.Default) {
                repeat(1000) {
                    synchronized(lock) {
                        prepare()
                        i++
                    }
                }
            }
            jobs.add(job)
        }
        jobs.joinAll()
        println(i)
    }

所以可以發(fā)現(xiàn)不能在synchronized{}當(dāng)中調(diào)用掛起函數(shù)，編譯器會報錯。因為掛起函數(shù)會被翻譯成帶有Continuation的異步函數(shù)，造成synchronized代碼塊無法同步處理。

協(xié)程并發(fā)思路

單線程并發(fā)

在Kotlin協(xié)程中可以實現(xiàn)單線程并發(fā)。

runBlocking {
        suspend fun getResult1(): String {
            printlnCoroutine("Start getResult1")
            delay(1000L)
            printlnCoroutine("End getResult1")
            return "Result1"
        }
        suspend fun getResult2(): String {
            printlnCoroutine("Start getResult2")
            delay(1000L)
            printlnCoroutine("End getResult2")
            return "Result2"
        }
        suspend fun getResult3(): String {
            printlnCoroutine("Start getResult3")
            delay(1000L)
            printlnCoroutine("End getResult3")
            return "Result3"
        }
        val results = mutableListOf<String>()
        val time = measureTimeMillis {
            val result1 = async {
                getResult1()
            }
            val result2 = async {
                getResult2()
            }
            val result3 = async {
                getResult3()
            }
            results.add(result1.await())
            results.add(result2.await())
            results.add(result3.await())
        }
        println("Time:$time")
        println(results)
    }
fun printlnCoroutine(any: Any?) {
    println("" + any + ";Thread:" + Thread.currentThread().name)
}

Log

Start getResult1;Thread:main @coroutine#2
Start getResult2;Thread:main @coroutine#3
Start getResult3;Thread:main @coroutine#4
End getResult1;Thread:main @coroutine#2
End getResult2;Thread:main @coroutine#3
End getResult3;Thread:main @coroutine#4
Time:1028
[Result1, Result2, Result3]

Process finished with exit code 0

上面代碼啟動了三個協(xié)程，它們之間是并發(fā)執(zhí)行的，每個協(xié)程耗時1000ms，總耗時1000多毫秒，而且這幾個協(xié)程都運行在main線程上。

所以可以考慮將i++邏輯分發(fā)到單線程之上。

 runBlocking {
        val coroutineDispatcher = Executors.newSingleThreadExecutor {
            Thread(it, "MySingleThread").apply {
                isDaemon = true
            }
        }.asCoroutineDispatcher()
        var i = 0
        val jobs = mutableListOf<Job>()
        repeat(10) {
            val job = launch(coroutineDispatcher) {
                repeat(1000) {
                        i++
                }
            }
            jobs.add(job)
        }
        jobs.joinAll()
        println(i)
    }

10000

Process finished with exit code 0

上述代碼把所有協(xié)程任務(wù)分發(fā)到單獨的線程中執(zhí)行，但這10個協(xié)程是并發(fā)執(zhí)行的。

Mutex

在java中，Lock之類的同步鎖是阻塞式的，而Kotlin提供了非阻塞式的鎖：Mutex。

   runBlocking {
        val mutex = Mutex()
        var i = 0
        val jobs = mutableListOf<Job>()
        repeat(10) {
            val job = launch(Dispatchers.Default) {
                repeat(1000) {
                    mutex.lock()
                    i++
                    mutex.unlock()
                }
            }
            jobs.add(job)
        }
        jobs.joinAll()
        println(i)
    }

Log
10000

Process finished with exit code 0

上述代碼使用mutex.lock()、 mutex.unlock()包裹同步計算邏輯，實現(xiàn)多線程同步。Mutex 對比 JDK 當(dāng)中的鎖，最大的優(yōu)勢就在于支持掛起和恢復(fù)。

public interface Mutex {
    public val isLocked: Boolean
    public fun tryLock(owner: Any? = null): Boolean
    public suspend fun lock(owner: Any? = null;
    @Deprecated(level = DeprecationLevel.WARNING, message = "Mutex.onLock deprecated without replacement. " +
        "For additional details please refer to #2794") // WARNING since 1.6.0
    public val onLock: SelectClause2<Any?, Mutex>
    public fun holdsLock(owner: Any): Boolean
    public fun unlock(owner: Any? = null)
}

Mutex 是一個接口，它的 lock() 方法其實是一個掛起函數(shù)。而這就是實現(xiàn)非阻塞式同步鎖的根本原因。

但是上述代碼中對于 Mutex 的使用其實是錯誤的，會存在問題。如果代碼在 mutex.lock()、mutex.unlock() 之間發(fā)生異常，從而導(dǎo)致 mutex.unlock() 無法被調(diào)用。這個時候，整個程序的執(zhí)行流程就會一直卡住，無法結(jié)束?？聪旅娲a：

runBlocking {
        val mutex = Mutex()
        var i = 0
        val jobs = mutableListOf<Job>()
        repeat(10) {
            val job = launch(Dispatchers.Default) {
                repeat(1000) {
                    mutex.lock()
                    i++
                    i/0
                    mutex.unlock()
                }
            }
            jobs.add(job)
        }
        jobs.joinAll()
        println(i)
    }

如何解決？使用mutex.withLock{}。

代碼入下：

 runBlocking {
        val mutex = Mutex()
        var i = 0
        val jobs = mutableListOf<Job>()
        repeat(10) {
            val job = launch(Dispatchers.Default) {
                repeat(1000) {
                    mutex.withLock {
                        i++
                    }
                }
            }
            jobs.add(job)
        }
        jobs.joinAll()
        println(i)
    }

10000

Process finished with exit code 0

public suspend inline fun <T> Mutex.withLock(owner: Any? = null, action: () -> T): T {
    contract { 
        callsInPlace(action, InvocationKind.EXACTLY_ONCE)
    }
    lock(owner)
    try {
        return action()
    } finally {
        unlock(owner)
    }
}

withLock{} 的本質(zhì)，其實是在 finally{} 當(dāng)中調(diào)用了 unlock()。

Actor

Actor，它本質(zhì)上是基于 Channel 管道消息實現(xiàn)的。

sealed class Msg
object AddMsg : Msg()
class ResultMsg(val result: CompletableDeferred<Int>) : Msg()
fun testCoroutinueConcurrent10() {
    runBlocking {
        suspend fun addActor() = actor<Msg> {
            var counter = 0
            for (msg in channel) {
                when (msg) {
                    is AddMsg -> counter++
                    is ResultMsg -> msg.result.complete(counter)
                }
            }
        }
        val actor = addActor()
        val jobs = mutableListOf<Job>()
        repeat(10) {
            val job = launch(Dispatchers.Default) {
                repeat(1000) {
                    actor.send(AddMsg)
                }
            }
            jobs.add(job)
        }
        jobs.joinAll()
        val deferred = CompletableDeferred<Int>()
        actor.send(ResultMsg(deferred))
        val result = deferred.await()
        actor.close()
        println(result)
    }
}

Log
10000

Process finished with exit code 0

addActor() 掛起函數(shù)，它其實調(diào)用了 actor() 這個高階函數(shù)。而這個函數(shù)的返回值類型其實是 SendChannel。由此可見，Kotlin 當(dāng)中的 Actor 其實就是 Channel 的簡單封裝。Actor 的多線程同步能力都源自于 Channel。這里，我們借助密封類定義了兩種消息類型，AddMsg、ResultMsg，然后在 actor{} 內(nèi)部，我們處理這兩種消息類型，如果我們收到了 AddMsg，則計算“i++”；如果收到了 ResultMsg，則返回計算結(jié)果。而在 actor{} 的外部，我們則只需要發(fā)送 10000 次的 AddMsg 消息，最后再發(fā)送一次 ResultMsg，取回計算結(jié)果即可。Actor 本質(zhì)上是基于 Channel 管道消息實現(xiàn)的。

避免共享可變狀態(tài)

 runBlocking {
        val deferreds = mutableListOf<Deferred<Int>>()
        repeat(10) {
            val deferred = async(Dispatchers.Default) {
                var i = 0
                repeat(1000) {
                    i++
                }
                return@async i
            }
            deferreds.add(deferred)
        }
        var result = 0
        deferreds.forEach {
            result += it.await()
        }
        println(result)
    }

Log

10000

Process finished with exit code 0

在每一個協(xié)程當(dāng)中，都有一個局部的變量 i，同時將 launch 都改為了 async，讓每一個協(xié)程都可以返回計算結(jié)果。這種方式，相當(dāng)于將 10000 次計算，平均分配給了 10 個協(xié)程，讓它們各自計算 1000 次。這樣一來，每個協(xié)程都可以進行獨立的計算，然后我們將 10 個協(xié)程的結(jié)果匯總起來，最后累加在一起。

 runBlocking {
        val result = (1..10).map {
            async(Dispatchers.Default) {
                var i = 0
                repeat(1000) {
                    i++
                }
                return@async i
            }
        }.awaitAll()
            .sum()
        println(result)
    }