pdf 深入理解kotlin協程_Kotlin協程實現原理:掛起與恢復

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今天我們來聊聊Kotlin的協程Coroutine。

如果你還沒有接觸過協程，推薦你先閱讀這篇入門級文章What? 你還不知道Kotlin Coroutine?

如果你已經接觸過協程，但對協程的原理存在疑惑，那么在閱讀本篇文章之前推薦你先閱讀下面的文章，這樣能讓你更全面更順暢的理解這篇文章。

Kotlin協程實現原理:Suspend&CoroutineContext

Kotlin協程實現原理:CoroutineScope&Job

Kotlin協程實現原理:ContinuationInterceptor&CoroutineDispatcher

如果你已經接觸過協程，相信你都有過以下幾個疑問：

  1. 協程到底是個什么東西？
  2. 協程的suspend有什么作用，工作原理是怎樣的？
  3. 協程中的一些關鍵名稱(例如：Job、Coroutine、Dispatcher、CoroutineContext與CoroutineScope)它們之間到底是怎么樣的關系？
  4. 協程的所謂非阻塞式掛起與恢復又是什么？
  5. 協程的內部實現原理是怎么樣的？
  6. ...

接下來的一些文章試著來分析一下這些疑問，也歡迎大家一起加入來討論。

掛起

協程是使用非阻塞式掛起的方式來保證協程運行的。那么什么是非阻塞式掛起呢？下面我們來聊聊掛起到底是一個怎樣的操作。

在之前的文章中提及到suspend關鍵字，它的一個作用是代碼調用的時候會為方法添加一個Continuation類型的參數，保證協程中Continuaton的上下傳遞。

而它另一個關鍵作用是起到掛起協程的標識。

協程運行的時候每遇到被suspend修飾的方法時，都有可能會掛起當前的協程。

注意是有可能。

你可以隨便寫一個方法，該方法也可以被suspend修飾，但這種方法在協程中調用是不會被掛起的。例如

private suspend fun a() {println("aa")
}lifecycleScope.launch {a()
}

因為這種方法是不會返回COROUTINE_SUSPENDED類型的。

協程被掛起的標志是對應的狀態下返回COROUTINE_SUSPENDED標識。

更深入一點的話就涉及到狀態機。協程內部是使用狀態機來管理協程的各個掛起點。

文字有點抽象，具體我們還是來看代碼。我們就拿上面的a方法例子來說明。

首先在Android Studio打開這段代碼的Kotlin Bytecode。可以在Tools -> Kotlin -> Show Kotlin Bytecode中打開。

然后點擊其中的Decompile選項，生成對應的反編譯java代碼。最終代碼如下：

BuildersKt.launch$default((CoroutineScope)LifecycleOwnerKt.getLifecycleScope(this), (CoroutineContext)null, (CoroutineStart)null, (Function2)(new Function2((Continuation)null) {private CoroutineScope p$;Object L$0;int label;@Nullablepublic final Object invokeSuspend(@NotNull Object $result) {// 掛起標識Object var3 = IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED();CoroutineScope $this$launch;switch(this.label) {case 0:ResultKt.throwOnFailure($result);$this$launch = this.p$;MainActivity var10000 = MainActivity.this;// 保存現場this.L$0 = $this$launch;// 設置掛起后恢復時，進入的狀態this.label = 1;// 判斷是否掛起if (var10000.a(this) == var3) {// 掛起，跳出該方法return var3;}// 不需要掛起，協程繼續執行其他邏輯break;case 1:// 恢復現場$this$launch = (CoroutineScope)this.L$0;// 是否需要拋出異常ResultKt.throwOnFailure($result);break;default:throw new IllegalStateException("call to 'resume' before 'invoke' with coroutine");}return Unit.INSTANCE;}@NotNullpublic final Continuation create(@Nullable Object value, @NotNull Continuation completion) {Intrinsics.checkParameterIsNotNull(completion, "completion");Function2 var3 = new <anonymous constructor>(completion);var3.p$ = (CoroutineScope)value;return var3;}public final Object invoke(Object var1, Object var2) {return ((<undefinedtype>)this.create(var1, (Continuation)var2)).invokeSuspend(Unit.INSTANCE);}
}), 3, (Object)null);

上面的代碼就是協程的狀態機，通過label來代表不同的狀態，從而對應執行不同case中的邏輯代碼。

在之前的文章中已經介紹過，協程啟動的時候會手動調用一次resumeWith方法，而它對應的內部邏輯就是執行上面的invokeSuspend方法。

所以首次運行協程時label值為0，進入case 0:語句。此時會記錄現場為可能被掛起的狀態做準備，并設置下一個可能被執行的狀態。

如果a方法的返回值為var3，這個var3對應的就是COROUTINE_SUSPENDED。所以只有當a方法返回COROUTINE_SUSPENDED時才會執行if內部語句，跳出方法，此時協程就被掛起。當前線程也就可以執行其它的邏輯，并不會被協程的掛起所阻塞。

所以協程的掛起在代碼層面來說就是跳出協程執行的方法體，或者說跳出協程當前狀態機下的對應狀態，然后等待下一個狀態來臨時在進行執行。

那為什么說我們寫的這個a方法不會被掛起呢？

@Nullable
final Object a(@NotNull Continuation $completion) {return Unit.INSTANCE;
}

原來是它的返回值并不是COROUTINE_SUSPENDED。

既然它不會被掛起，那么什么情況下的方法才會被掛起呢？

很簡單，如果我們在a方法中加入delay方法，它就會被掛起。

@Nullable
final Object a(@NotNull Continuation $completion) {Object var10000 = DelayKt.delay(1000L, $completion);return var10000 == IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED() ? var10000 : Unit.INSTANCE;
}

真正觸發掛起的是delay方法，因為delay方法會創建自己Continuation，同時內部調用getResult方法。

 internal fun getResult(): Any? {installParentCancellationHandler()if (trySuspend()) return COROUTINE_SUSPENDED// otherwise, onCompletionInternal was already invoked & invoked tryResume, and the result is in the stateval state = this.stateif (state is CompletedExceptionally) throw recoverStackTrace(state.cause, this)return getSuccessfulResult(state)}

在getResult方法中會通過trySuspend來判斷掛起當前協程。由掛起自身的協程，從而觸發掛起父類的協程。

如果只是為了測試，可以讓a方法直接返回COROUTINE_SUSPENDED

 private suspend fun a(): Any {return kotlin.coroutines.intrinsics.COROUTINE_SUSPENDED}

當然線上千萬不能這樣寫，因為一旦這樣寫協程將一直被掛起，因為你沒有將其恢復的能力。

恢復

現在我們再來聊一聊協程的恢復。

協程的恢復本質是通過Continuation的resumeWith方法來觸發的。

下面我們來看一個可以掛起的例子，通過它來分析協程掛起與恢復的整個流程。

println("main start")
lifecycleScope.launch {println("async start")val b = async {delay(2000)"async"}b.await()println("async end")
}
Handler().postDelayed({println("main end")
}, 1000)

Kotlin代碼很簡單，當前協程運行與主線程中，內部執行一個async方法，通過await方法觸發協程的掛起。

再來看它的對應反編譯java代碼

// 1
String var2 = "main start";
System.out.println(var2);
BuildersKt.launch$default((CoroutineScope)LifecycleOwnerKt.getLifecycleScope(this), (CoroutineContext)null, (CoroutineStart)null, (Function2)(new Function2((Continuation)null) {private CoroutineScope p$;Object L$0;Object L$1;int label;@Nullablepublic final Object invokeSuspend(@NotNull Object $result) {Object var5 = IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED();CoroutineScope $this$launch;Deferred b;switch(this.label) {case 0:// 2ResultKt.throwOnFailure($result);$this$launch = this.p$;String var6 = "async start";System.out.println(var6);b = BuildersKt.async$default($this$launch, (CoroutineContext)null, (CoroutineStart)null, (Function2)(new Function2((Continuation)null) {private CoroutineScope p$;Object L$0;int label;@Nullablepublic final Object invokeSuspend(@NotNull Object $result) {Object var3 = IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED();CoroutineScope $this$async;switch(this.label) {case 0:// 3ResultKt.throwOnFailure($result);$this$async = this.p$;this.L$0 = $this$async;this.label = 1;if (DelayKt.delay(2000L, this) == var3) {return var3;}break;case 1:// 5、6$this$async = (CoroutineScope)this.L$0;ResultKt.throwOnFailure($result);break;default:throw new IllegalStateException("call to 'resume' before 'invoke' with coroutine");}return "async";}@NotNullpublic final Continuation create(@Nullable Object value, @NotNull Continuation completion) {Intrinsics.checkParameterIsNotNull(completion, "completion");Function2 var3 = new <anonymous constructor>(completion);var3.p$ = (CoroutineScope)value;return var3;}public final Object invoke(Object var1, Object var2) {return ((<undefinedtype>)this.create(var1, (Continuation)var2)).invokeSuspend(Unit.INSTANCE);}}), 3, (Object)null);this.L$0 = $this$launch;this.L$1 = b;this.label = 1;if (b.await(this) == var5) {return var5;}break;case 1:// 7b = (Deferred)this.L$1;$this$launch = (CoroutineScope)this.L$0;ResultKt.throwOnFailure($result);break;default:throw new IllegalStateException("call to 'resume' before 'invoke' with coroutine");}// 8String var4 = "async end";System.out.println(var4);return Unit.INSTANCE;}@NotNullpublic final Continuation create(@Nullable Object value, @NotNull Continuation completion) {Intrinsics.checkParameterIsNotNull(completion, "completion");Function2 var3 = new <anonymous constructor>(completion);var3.p$ = (CoroutineScope)value;return var3;}public final Object invoke(Object var1, Object var2) {return ((<undefinedtype>)this.create(var1, (Continuation)var2)).invokeSuspend(Unit.INSTANCE);}
}), 3, (Object)null);
// 4
(new Handler()).postDelayed((Runnable)null.INSTANCE, 1000L);

有點長，沒關系我們只看關鍵點，看它的狀態機相關的內容。

  1. 首先會輸出main start，然后通過launch創建協程，進入協程狀態機，此時label為0，執行case: 0相關邏輯。
  2. 進入case: 0后輸出async start，調用async并通過await來掛起當前協程，再掛起的過程中記錄當前掛起點的數據，并將lable設置為1。
  3. 進入async創建的協程，此時async協程中的lable為0，進入async case: 0執行dealy并掛起async的協程。并將label設置為1。等待2s之后被喚醒。
  4. 此時協程都被掛起，即跳出協程launch方法，執行handler操作。由于post 1s所以比協程中dealy還短，所以會優先輸出main end，然后再過1s，進入恢復協程階段
  5. async中的協程被delay恢復，注意在delay方法中傳入了this，async的Continuation對象，所以delay內部一旦完成2s計時就會調用Continuation的resumeWith方法來恢復async中的協程，即調用invokeSuspend方法。
  6. 由于被掛起之前已經將async label設置為1，所以進入case: 1，恢復之前掛起的現場，檢查異常，最終返回async。
  7. 此時await掛起點被恢復，注意它也傳入了this，對應的就是launch中的Continuation，所以也會回調resumeWith方法，最終調用invokeSuspend，即進入case 1:恢復現場，結束狀態機。
  8. 最后再繼續輸出async end，協程運行結束。

我們可以執行上面的代碼來驗證輸出是否正確

main start
async start
main end
async end

我們來總結一下，協程通過suspend來標識掛起點，但真正的掛起點還需要通過是否返回COROUTINE_SUSPENDED來判斷，而代碼體現是通過狀態機來處理協程的掛起與恢復。在需要掛起的時候，先保留現場與設置下一個狀態點，然后再通過退出方法的方式來掛起協程。在掛起的過程中并不會阻塞當前的線程。對應的恢復通過resumeWith來進入狀態機的下一個狀態，同時在進入下一個狀態時會恢復之前掛起的現場。

本篇文章主要介紹了協程的掛起與恢復原理，同時也分析了協程的狀態機相關的執行過程。希望對學習協程的伙伴們能夠有所幫助，敬請期待后續的協程分析。

項目

android_startup: 提供一種在應用啟動時能夠更加簡單、高效的方式來初始化組件，優化啟動速度。不僅支持Jetpack App Startup的全部功能，還提供額外的同步與異步等待、線程控制與多進程支持等功能。

AwesomeGithub: 基于Github客戶端，純練習項目，支持組件化開發，支持賬戶密碼與認證登陸。使用Kotlin語言進行開發，項目架構是基于Jetpack&DataBinding的MVVM；項目中使用了Arouter、Retrofit、Coroutine、Glide、Dagger與Hilt等流行開源技術。

flutter_github: 基于Flutter的跨平臺版本Github客戶端，與AwesomeGithub相對應。

android-api-analysis: 結合詳細的Demo來全面解析Android相關的知識點, 幫助讀者能夠更快的掌握與理解所闡述的要點。

daily_algorithm: 每日一算法，由淺入深，歡迎加入一起共勉。

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