Kotlin 协程实现原理解析

原创

用户9505469

发布于 2024-04-10 17:11:05

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发布于 2024-04-10 17:11:05

Kotlin 协程是一种在 Kotlin 语言中实现并发编程的强大工具。它提供了一种轻量级的线程管理方式，使得开发者能够以接近同步代码的方式编写异步代码。本文将深入探讨 Kotlin 协程的实现原理，并分析其关键源码。

协程基础

在深入源码之前，我们需要理解协程的基本概念。协程是一种程序组件，它可以挂起（suspend）和恢复（resume），而不会阻塞线程。Kotlin 中的协程通过 suspend 关键字来标记可以挂起的函数。

协程构建器

Kotlin 协程通过构建器（如 launch 和 async）来启动。这些构建器是顶层函数，它们接受一个协程上下文（CoroutineContext）和一个协程体（lambda 表达式）。

launch 函数定义如下：

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
}

这里的 newCoroutineContext 函数会结合传入的 context 和当前的 CoroutineScope 来创建一个新的协程上下文。StandaloneCoroutine 是协程的一个实现，它继承自 AbstractCoroutine。launch构建器返回一个Job，而async返回一个Deferred，它是Job的子类，可以获取协程的结果。

协程上下文

public interface CoroutineContext {
    public operator fun <E : Element> get(key: Key<E>): E?
    public fun <R> fold(initial: R, operation: (R, Element) -> R): R
    public operator fun plus(context: CoroutineContext): CoroutineContext
    // ...
}

协程上下文是一组相关属性的集合，它定义了协程的行为和执行环境。上下文中的元素包括调度器、Job、协程名称等。调度器决定了协程在哪个线程或线程池上执行，Job用于控制协程的生命周期，可以取消协程或检查其状态。协程上下文可以通过+操作符合并，允许在启动协程时自定义其属性。上下文的灵活性使得协程可以适应不同的执行需求。最重要的元素是 Job 和 CoroutineDispatcher。

Job 控制协程的生命周期。
CoroutineDispatcher 决定协程在哪个线程或线程池上执行。

协程作用域

协程作用域CoroutineScope 是管理协程生命周期的一种方式，它包含一个 Job，可以用来取消所有相关联的协程，避免内存泄漏。Kotlin提供了CoroutineScope接口，可以通过实现该接口来创建自定义的作用域。此外，Kotlin还提供了一些预定义的作用域，如GlobalScope是一个全局作用域，它的生命周期与应用程序一致。在结构化并发中，可以使用coroutineScope函数创建一个新的作用域，它会等待所有启动的子协程完成后才会继续执行。

public interface CoroutineScope {
    public val coroutineContext: CoroutineContext
}

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。在挂起函数内部，可以调用其他挂起函数，这使得协程可以执行长时间操作而不会阻塞线程。挂起函数通过使用suspend关键字来标记，这告诉编译器该函数需要特殊处理。挂起函数的执行可以被协程调度器中断和恢复，其调用会被编译器转换为接受一个额外参数的函数调用，这个参数是 Continuation 类型的对象。

suspend fun suspendFunction() {
    // ...
}

Continuation 接口

Continuation接口是协程实现的核心部分，它代表了挂起函数的延续。当挂起函数暂停时，当前的执行状态被封装在Continuation对象中，包括函数的参数、局部变量和返回点。协程调度器可以使用这个对象在适当的时候恢复函数的执行。Continuation接口包含resume和resumeWithException方法，用于正常恢复或以异常方式恢复执行。

public interface Continuation<in T> {
    public val context: CoroutineContext
    public fun resumeWith(result: Result<T>)
}

协程状态机

编译器会将挂起函数转换为状态机。每个挂起点都对应状态机的一个状态。当协程恢复时，状态机会根据 Continuation 中保存的状态来决定从哪里继续执行。最基本的状态包括创建、运行、挂起和完成。当协程被创建时，它处于创建状态；当调度器开始执行协程时，它进入运行状态；当遇到挂起点时，协程进入挂起状态；当协程执行完毕时，它进入完成状态。状态机的转换由协程调度器和协程库内部逻辑控制，对于开发者来说是透明的。

suspend fun example() {
    val result = suspendFunction() // 挂起点
    println(result)
}

// 转换后的状态机伪代码
class ExampleStateMachine(
    val continuation: Continuation<*>
) : Continuation<Any?> {
    var state = 0
    var result: Any? = null

    override fun resumeWith(result: Result<Any?>) {
        this.result = result.getOrNull()
        when (state) {
            0 -> {
                state = 1
                suspendFunction(this)
            }
            1 -> {
                println(this.result)
                continuation.resumeWith(Result.success(Unit))
            }
        }
    }
}

协程调度器

协程调度器负责协程的调度和执行。它决定了协程在哪个线程或线程池上运行。Kotlin协程库提供了几种调度器，如Dispatchers.Main用于在主线程上执行，Dispatchers.IO用于执行I/O密集型任务，Dispatchers.Default用于CPU密集型任务。调度器是协程上下文的一部分，可以在启动协程时指定，dispatch 方法负责将协程的执行调度到适当的线程。。调度器使得协程可以适应不同的执行需求，提高了应用程序的性能和响应性。

abstract class CoroutineDispatcher : AbstractCoroutineContextElement(ContinuationInterceptor), ContinuationInterceptor {
    public abstract fun dispatch(context: CoroutineContext, block: Runnable)
}