【Kotlin】快速理解协程

文章目录一、预备知识1.1 同步和异步1.1.1 同步1.1.2 异步1.2 异步编程1.2.1 异步编程的困境1.2.2 解决方案二、协程2.1 什么是协程2.1.1 协程的定义2.1.2 协程的特点2.2 结构化并发2.2.1 核心原则2.2.2 实现机制Job 层次结构2.3 协程的基本概念2.3.1 协程和挂起函数2.3.2 协程作用域 CoroutineScope2.3.3 协程构建器 Coroutine Builder2.3.4 调度程序 Dispatcher2.3.5 协程上下文 CoroutineContext三、协程的高级功能3.1 协程异常处理3.2 取消协程参考资料一、预备知识1.1 同步和异步在计算机编程中同步和异步是描述操作执行方式的两种基本模式。1.1.1 同步同步操作阻塞式执行调用后必须等待操作完成才能继续执行直接返回结果操作完成后立即返回结果线程被占用执行期间线程无法处理其他任务资源利用效率较低。代码顺序执行逻辑上清晰直观// 同步操作示例funsyncExample(){println(开始读取文件...)valcontentreadFileSync(data.txt)// 阻塞直到文件读取完成println(文件内容:$content)// 读取完成后才执行println(继续执行其他操作)}1.1.2 异步异步操作非阻塞式执行调用后立即返回不等待操作完成回调通知结果通过回调函数、Promise、事件等机制通知结果线程可复用执行期间线程可以处理其他任务代码可能嵌套多个异步操作可能导致回调嵌套// 异步操作示例funasyncExample(){println(开始读取文件...)readFileAsync(data.txt){content-// 立即返回不阻塞println(文件内容:$content)// 文件读取完成后回调执行}println(继续执行其他操作)// 立即执行不等待文件读取}1.2 异步编程1.2.1 异步编程的困境在使用回调函数处理异步操作时由于多个异步操作嵌套调用导致代码形成深层嵌套结构这种现象被称为回调地狱Callback Hell。这会导致如下问题代码可读性差由于多层嵌套导致代码向右无限延伸以及业务逻辑被分散到多个回调函数中代码难以阅读、调试和维护错误处理分散每个异步操作都需要单独的错误处理但错误处理逻辑分散在各个层级导致难以实现统一的错误恢复机制。资源浪费线程创建开销大内存泄漏风险需要手动管理生命周期。取消困难难以实现统一的取消逻辑并发控制复杂需要手动管理线程池难以合理控制并发数量。举个例子用户获取访问令牌然后获取用户资料并保存到本地最后在界面上显示结果。这里面的每个操作都是耗时的I/O操作。由于Android 的主线程限制必须使用回调在后台线程执行。回调地狱的案例如下这个流程一定要在后台执行避免阻塞主线程。至于在后台是用同步还是异步方式都可以实现但异步方式在资源利用上更高效只是代码更复杂。// 传统回调顺序执行funloadUserDataSequential(userId:String){// 1. 获取用户信息userApi.getUserInfo(userId,object:CallbackUserInfo{overridefunonSuccess(userInfo:UserInfo){// 2. 获取用户订单orderApi.getOrders(userInfo.id,object:CallbackListOrder{overridefunonSuccess(orders:ListOrder){// 3. 获取用户地址addressApi.getAddresses(userInfo.id,object:CallbackListAddress{overridefunonSuccess(addresses:ListAddress){// 更新UI3层嵌套updateUI(userInfo,orders,addresses)}overridefunonError(e:Exception){showToast(获取地址失败)}})}overridefunonError(e:Exception){showToast(获取订单失败)}})}overridefunonError(e:Exception){showToast(获取用户信息失败)}})}1.2.2 解决方案在 Android 开发中常见的异步编程方案有Thread Handler传统方式子线程执行耗时任务通过 Handler 在主线程更新 UIAsyncTaskAndroid 专用 API已废弃不推荐使用RxJava第三方响应式编程库链式调用LiveData ViewModel RepositoryJetpack 架构组件结构化数据流与生命周期管理Kotlin 协程官方推荐以同步风格编写异步代码目前官方推荐的解决方案是 Kotlin 协程。// 协程版本顺序风格异步但顺序执行suspendfunloadUserDataSequential(userId:String){try{valuserInfouserApi.getUserInfo(userId)// 第1步valordersorderApi.getOrders(userInfo.id)// 第2步valaddressesaddressApi.getAddresses(userInfo.id)// 第3步updateUI(userInfo,orders,addresses)// 更新UI}catch(e:Exception){showToast(加载失败:${e.message})}}二、协程2.1 什么是协程2.1.1 协程的定义协程是一种并发设计模式用同步风格写异步代码。协程可以与其他协程并发运行并且可能并行运行。其底层仍运行在线程上但通过挂起而非阻塞来高效利用线程。2.1.2 协程的特点协程的主要特点轻量协程是轻量级线程可在一个线程上运行大量协程切换开销极小。挂起不阻塞通过挂起suspend而非阻塞线程来等待线程可复用处理其他任务。可读性用同步风格书写异步逻辑执行顺序清晰避免回调地狱。结构化并发协程与作用域绑定生命周期可预测取消可传递避免任务泄漏。生态集成Jetpack 库Compose、ViewModel 等原生支持协程提供viewModelScope、lifecycleScope等作用域。2.2 结构化并发结构化并发Structured Concurrency是 Kotlin 协程用于管理和组织多个并发操作的核心设计原则。其核心思想是为并发操作引入明确、可预测的结构确保所有启动的协程在其所属作用域内完成生命周期与父协程绑定形成树状层次关系。实现上通过作用域CoroutineScope和Job 层次结构将并发任务约束在特定生命周期内避免任务被“遗忘”或“泄漏”。2.2.1 核心原则结构化并发基于以下四个基本原则确保并发代码的可预测性启动协程必须在限定了其生命周期的作用域CoroutineScope中启动。完成父协程或作用域必须等待其所有子协程完成后自身才算完成。取消取消操作向下传播。取消父协程会递归取消其所有子协程。但是取消子协程却不会取消父协程。失败失败操作向上传播。子协程的未捕获异常会取消父协程及其兄弟协程默认 Job 行为。2.2.2 实现机制Job 层次结构结构化并发通过Job对象之间的父子关系实现。(1) 什么是 JobJob是 Kotlin 协程中用于管理和控制协程生命周期的核心对象可视为协程的“句柄”或引用。生命周期管理Job 代表一个协程实例可通过它启动、取消、等待完成或查询状态如是否运行、是否已完成。父子关系通过launch或async启动协程时返回的 Job 会自动成为当前作用域父协程或 CoroutineScope的子 Job。valjoblaunch{...}(2) 层次结构父协程启动子协程时子协程的 Job 自动成为父 Job 的子级形成树状层次结构。valjoblaunch{valchildJoblaunch{...}// childJob 自动成为 job 的子级}每个 Job 都可再启动子 Job层层嵌套。下图展示了典型的 Job 树状结构2.3 协程的基本概念在 Android 中典型流程是后台线程执行耗时操作如网络请求、数据库查询然后在主线程更新 UI。示例// ViewModel 中funloadUserProfile(userId:String){viewModelScope.launch{_uiState.valueLoadingStatetry{valuserwithContext(Dispatchers.IO){userApi.getUserById(userId)}_uiState.valueSuccessState(user)}catch(e:Exception){_uiState.valueErrorState(e.message)}}}下面介绍上述案例涉及的核心概念。2.3.1 协程和挂起函数协程 (Coroutines)轻量级并发单元用于编写并发代码。核心特性是挂起 (Suspend)而不阻塞线程一个线程可运行多个协程。挂起函数 (Suspending Functions)用suspend关键字标记只能在协程或其他挂起函数中调用。挂起函数需在协程构建器如launch内调用而构建器又必须在CoroutineScope中启动。2.3.2 协程作用域 CoroutineScopeCoroutineScope是定义和管理协程生命周期边界的核心接口是结构化并发的基础。常见作用域GlobalScope全局作用域慎用不绑定生命周期易泄漏viewModelScopeViewModel 提供随 ViewModel 销毁而取消lifecycleScopeLifecycleOwner 提供随生命周期销毁而取消2.3.3 协程构建器 Coroutine Builder协程构建器用于创建和启动协程接受suspendlambda如suspend () - T或suspend CoroutineScope.() - T作为协程体。构建器核心功能返回值对调用者典型场景launch()启动并发任务不关心返回值Job不阻塞立即返回后台操作日志、事件、结构化并发的子任务入口async()启动并发计算返回未来结果占位符DeferredT.await()时挂起并行执行多个 I/O 或计算再组合结果withContext()临时切换执行上下文如线程不启动新协程代码块结果挂起主线程 → IO 线程请求 → 主线程更新 UIcoroutineScope()创建结构化子作用域组织并发子任务代码块结果挂起等子协程完成挂起函数内并行发起多个请求全部完成后再返回runBlocking()创建作用域并阻塞当前线程直到协程完成代码块结果阻塞线程main或单元测试中桥接挂起函数。禁止在协程内使用区分launch和async是启动协程的构建器必须在协程作用域CoroutineScope内调用withContext和coroutineScope是挂起函数用于线程切换和任务组织不启动顶层协程runBlocking仅用于测试或main入口。2.3.4 调度程序 Dispatcher调度程序决定协程在哪个线程或线程池上运行。Android 常用三种调度程序用途Dispatchers.Main主线程UI 线程用于界面操作和轻量任务Dispatchers.IO磁盘/网络 I/O共享线程池适合文件、网络请求Dispatchers.DefaultCPU 密集型计算排序、图片处理launch/async未指定时的默认选择2.3.5 协程上下文 CoroutineContextCoroutineContext是协程运行所需信息的集合本质上是键值对 Map。核心元素Job协程生命周期CoroutineDispatcher调度到哪个线程CoroutineName协程名称便于调试CoroutineExceptionHandler未捕获异常的处理元素可通过组合如Job() Dispatchers.Main CoroutineName(MyCoroutine)。子协程默认继承父协程的CoroutineContext。三、协程的高级功能3.1 协程异常处理异常处理遵循结构化并发未捕获异常会向上传播。构建器分两类构建器异常行为处理方式launch自动传播立即失败在协程体内部用try-catch捕获async、produce暂不传播等用户消费在协程体内捕获或在调用.await()处捕获OptIn(DelicateCoroutinesApi::class)funmain()runBlocking{valjobGlobalScope.launch{throwIndexOutOfBoundsException()// 未捕获则传播到默认异常处理器}job.join()valdeferredGlobalScope.async{throwArithmeticException()// 不立即传播等 await 时抛出}try{deferred.await()println(Unreached)}catch(e:ArithmeticException){println(Caught:$e)}}在子协程内部捕获异常可实现细粒度控制避免单任务失败影响整体。3.2 取消协程协程可被取消。取消具有隔离性只作用于目标协程及其子协程不影响同作用域内的兄弟协程也不会反向取消父协程。例如假设用户在应用中选择了一项偏好设置以指示自己不想在应用中再看到温度值了。他们只想知道天气预报信息例如Sunny但不想知道确切温度。因此要取消目前用于获取温度数据的协程。importkotlinx.coroutines.*funmain()runBlocking{println(Weather forecast)println(getWeatherReport())println(Have a good day!)}suspendfungetWeatherReport()coroutineScope{valforecastasync{getForecast()}valtemperatureasync{getTemperature()}delay(200)temperature.cancel()// 取消温度协程forecast 不受影响${forecast.await()}// 仅返回 Sunny}suspendfungetForecast():String{delay(1000)returnSunny}suspendfungetTemperature():String{delay(1000)return30\u00b0C}运行程序。现在输出结果将如下所示。天气预报只包含天气预报信息Sunny但不包含温度因为相应协程已取消。Weather forecast Sunny Have a good day!参考资料Coroutines basics | Kotlin DocumentationAndroid 上的 Kotlin 协程 | Android Developers