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【Flutter入门到进阶】Dart进阶篇---Dart多线程异步原理

news 2025/6/3 16:55:40

1 Isolate

1.1 什么是Isolate

1.1.1 概念

线程？异步？隔离？到底什么意思？

Isolate中文意思是隔离，从使用角度来说是Dart的线程，但是从本质虚拟机的实现角度来讲Isolate是一组封装。

isolate可以理解为dart中的线程，但它又不同于线程，准确的说应该叫做协程，协程最大的优势就是它具有极高的执行效率，因为携程中子程序的调用不需要线程的切换，所以对于线程数量越大的程序来说协程的优势就越明显。每个isolate都有自己独立的执行线程和事件循环，以及内存，所以isolate之间不存在锁竞争的问题，各个isolate之间通过消息通信。

1.1.2 图例

1.1.3 设计目的

首先说目前由移动端页面（包含Android、iOS、Web）构建的特性—树形结构构建布局、布局解析抽象、绘制、渲染，这一系列的复杂步骤导致必须在同一个线程完成。因为多线程操作页面UI元素会有并发的问题，有并发就必须要加锁，加锁就会降低执行效率。所以强制在同一线程中操作UI是最好的选择。况且在Flutter中，开发者面对的只有一个主Isolate，在Isolate中可以通过事件队列来实现异步(网络请求、文件IO)等。

1.1.4 说明

1.为了达到设计目的，采取隔离设计去掉锁的应用

2.锁去掉后，线程间的信息通信需要建立通信机制来完成，参考linux os 底层策略上来讲本质上就是走IO那套体系来完成

1.2 Isolate本质

1.1.1 图例

1.1.2 说明

Dart本身抽象了isolate和thread，实际上底层还是使用操作系统的提供的OSThread。

1.3 Isolate组成

1.3.1 Stack用于存放函数调用上下文和调用链路信息。

1.3.2 Heap用于存放对象，堆内存回收管理和java类似。

1.3.3 Queue用于存放异步回调，分为微事件队列（MicroTaskQueue）和微任务队列（EventQueue）。

1.3.4 EventLoop用于处理异步回调。

1.4 Isolate底层逻辑

1.4.1 说明

虽然在内存表现上，Isolate内存隔离性像是进程的特点。但是从实现上不可能把Isolate作为一个进程，因为进程太重了，每新建一个进程，内核系统都会为新进程创建独立的虚拟内存，保存进程相关的数据结构，并且进程切换效率比较低。所以从可行性上来说Isolate的本质应该是一个线程。也就是说Isolate是通过线程实现的。我们使用多个Isolate也就是使用多个线程，只不过与传统线程不同的是，Isolate之间内存不共享，但可以通过通信机制互通。

1.4.2 Isolate如何实现内存隔离

// vm/isolate.cc Isolate* 
Isolate::InitIsolate(const char* name_prefix,                               IsolateGroup* isolate_group,                               const Dart_IsolateFlags& api_flags,                               bool is_vm_isolate) {   Isolate* result = new Isolate(isolate_group, api_flags);   ...        Heap::Init(result,              is_vm_isolate? 0  // New gen size 0; VM isolate should only allocate in old.                  : FLAG_new_gen_semi_max_size * MBInWords,              (is_service_or_kernel_isolate ? kDefaultMaxOldGenHeapSize : FLAG_old_gen_heap_size) *MBInWords);                       ...        }

从代码中可以看Isolate的堆内存也被区分为新生代和老年代两块区域，Dart虚拟机针对不同的区域执行不同的垃圾回收策略：

新生代采用复制清除算法，针对频繁创建销毁的页面控件对象，可以从内存层面实现快速分配和回收。

老年代采用标记清除和标记整理两种算法，来适应不同的内存回收场景，尽量保证UI的流畅性。

这里也就解释了Dart中内存分配模型，和高效垃圾的回收机制。

1.5 运行图例

1.6 Isolate模式

在dart中编写的代码分为两种类型

1.6.1 同步模式

即正常编写的代码。

BIO模式

1.6.2 异步模式

一些返回类型为Future和Stream的函数。

NIO模式

1.7 Isolate使用案例

1.7.1 常规使用

import 'dart:isolate'; 
void main(){   print("main begin");   Isolate.spawn((message) {     print("匿名函数线程：$message");   }, "inner msg...");   Isolate.spawn(newThread1, "hello 1");   Isolate.spawn(newThread2, "hello 2");   Isolate.spawn(newThread3, "hello 3");   print("main end"); 
} 
void newThread1(String msg){   print("Thread 1 msg:$msg"); 
} 
void newThread2(String msg){   print("Thread 2 msg:$msg"); 
} 
void newThread3(String msg){   print("Thread 3 msg:$msg"); 
}

1.7.2 isolate.spwanUri

//当前文件import 'dart:isolate'; 
///isolate spawnUri方式 
void main() {   print("main begin");   test1();   newThread();   test2();   print("main end"); 
} 
void test1(){   print("test1....."); 
} 
void test2(){   print("test2....."); 
} 
///参数的定义可以随意，参数中接收的SendPort是需要通信的发送端口 
@sendPort 
void newThread(){   print("新线程.....");   ReceivePort receivePort = ReceivePort();   SendPort sendPort = receivePort.sendPort;   Isolate.spawnUri(Uri(path: "./isolate_spawnUri_task.dart"),["msg1","msg2","msg3"], sendPort);   //监听   receivePort.listen((message) {     print("主线程接收到来自子线程消息：${message}");     switch(message[1]){       case 0:         //子线程正在处理初始化数据...         print("接收到初始化消息");         break;       case 1:         //子线程异步数据正在处理中..         print("接收到处理中状态消息");         break;       case 2:         //子线程数据处理完整         print("接收到任务完成消息");         receivePort.close();        break;     }   }); 
}//目标文件import 'dart:isolate'; 
import 'dart:io'; 
///isolate spawnUri方式 
void main(List<String> args,SendPort sendPort) {   print("isolate_spawnUri_task.dart begin");   print("接收到相关参数：$args");   sendPort.send(["开始执行异步操作",0]);   sleep(Duration(seconds: 2));   sendPort.send(["加载数据中...",1]);   sleep(Duration(seconds: 2));   sendPort.send(["异步任务完成",2]);   sleep(Duration(seconds: 2));   print("isolate_spawnUri_task.dart end"); 
}

1.8 Isolate通信

1.8.1 说明

创建Isolate时需要指定一个接收端口（ReceivePort）的发送端口（SendPort），调用者可以通过这个发送端口发送数据到其他的Isolate中ReceivePort的listen中，这种机制被称为消息传递(message passing)

既然是内存隔离的，那么在调用者所在Isolate发送的消息数据是怎么传递到接收者所在的Isolate中的呢？也就是说Isolate通信的底层逻辑是什么呢？

答案是map_变量，map_是一个Hash列表。是在Dart虚拟启动时初始化的，所以map_变量是存在于Dart虚拟机所属内存的，而这块内是各个Isolate共享的

1.8.2 通信

import 'dart:isolate';///isolate 通信 - 单向
void main() async{print("main begin");ReceivePort receivePort = ReceivePort();Isolate.spawn(newThread,["你好",receivePort.sendPort]);//方案1：通过listen进行监听// receivePort.listen((message) {//   print("listen方式-主线程接收到消息：$message");// });//方案2：通过 await关键字与async关键字建立阻塞通道var msg = await receivePort.first;//上面这两种方案上只选选择一种处理//原因：这里dart对于数据的等待接收，我们可以看做为socket的BIO与NIO//listen方案实际上就是利用select，epoll这种方案在进行循环监听//await 就是read的阻塞式等待print("await方式-主线程接收到消息：$msg");print("main end");
}///参数的定义可以随意，参数中接收的SendPort是需要通信的发送端口
///@sendPort
void newThread(var message){String msg = message[0];SendPort sendPort = message[1];print("通过参数传递的数据1：$msg");//通过传递过来的sendPort给主线程回消息sendPort.send("这个是子线程给主线程回的消息！！！");
}

1.8.3 为什么将Isolate设计成隔离的

1、首先说目前由移动端页面（包含Android、iOS、Web）构建的特性—树形结构构建布局、布局解析抽象、绘制、渲染，这一系列的复杂步骤导致必须在同一个线程完成。**因为多线程操作页面UI元素会有并发的问题，有并发就必须要加锁，加锁就会降低执行效率。所以强制在同一线程中操作UI是最好的选择。**况且在Flutter中，开发者面对的只有一个主Isolate，在Isolate中可以通过事件队列来实现异步(网络请求、文件IO)等。所以不需要再使用其他线程完成异步。

2、每当有页面交互时，必定会引起布局变化而重新绘制，这个过程会有频繁的大量的UI控件的创建和销毁，这就涉及到了耗时内存分配和回收。而这些较短生命周期的对象是存放在堆内存的新生代的，当虚拟机回收新生代内存时是要stop the world的，在Android或iOS中，各个线程共用一块堆内存，当非UI线程频繁申请、释放内存时也会触发垃圾回收，所以会间接影响UI线程的运行。

Dart为了解决这个问题，就每个Isolate（看做线程）分配各自的一块堆内存，并且独自管理内。这样的策略使得内存的分配和回收变得简单高效，并且不受其他Isolate的影响。

1.9 总结

1、Dart中向应用层提供了线程的封装——Isolate。应用层是不能创建线程的，只能使用Isolate

2、Isolate与传统的线程不同的是，内存隔离

3、Isolate设计成隔离的，是出于移动端页面UI构建特性考虑。第一点，UI绘制必须在同一线程内完成，所以强制同一线程是最好的选择。第二点，传统的线程内存共享，其他线程频繁的申请释放内存会触发垃圾回收，间接影响UI线程运行

2 Dart io

2.1 说明

I/O库使命令行应用程序能够读写文件和浏览目录。读取文件内容有两种选择：一次读取全部内容，或流式读取。一次读取一个文件需要足够的内存来存储该文件的所有内容。如果文件非常大，或者您希望在读取文件时对其进行处理，则应使用流，如Streaming file contents中所述

2.2 将文件作为文本读取：

读取使用UTF-8编码的文本文件时，可以使用readAsString()读取整个文件内容。当单独的行很重要时，可以使用readAsLines()。在这两种情况下，都会返回一个Future对象，该对象以一个或多个字符串的形式提供文件的内容。

代码

Future<void> main() async {var config = File('config.txt');// Put the whole file in a single string.var stringContents = await config.readAsString();print('The file is ${stringContents.length} characters long.');// Put each line of the file into its own string.var lines = await config.readAsLines();print('The file is ${lines.length} lines long.');
}

2.3 将文件作为二进制读取：

下面的代码将整个文件作为字节读取到整数列表中。对readAsBytes()的调用返回一个Future，该函数在可用时提供结果

代码

Future<void> main() async {var config = File('config.txt');var contents = await config.readAsBytes();print('The file is ${contents.length} bytes long.');
}

2.4 错误处理

要捕获错误，使其不会导致未捕获的异常，你可以在Future注册catchError处理程序，或者（在异步函数中）使用try-catch：

代码

Future<void> main() async {   var config = File('config.txt');   try {     var contents = await config.readAsString();     print(contents);   } catch (e) {     print(e);   } 
}

2.5 用Stream读取文件：

使用Stream读取文件，一次读取一点。你可以使用Stream API或await for。

代码

import 'dart:io';
import 'dart:convert';Future<void> main() async {var config = File('config.txt');Stream<List<int>> inputStream = config.openRead();var lines = utf8.decoder.bind(inputStream).transform(const LineSplitter());try {await for (final line in lines) {print('Got ${line.length} characters from stream');}print('file is now closed');} catch (e) {print(e);}
}

2.6 写文件

您可以使用IOSink将数据写入文件。使用File openWrite()方法获取可以写入的IOSink。默认模式(mode)为FileMode.write，完全覆盖文件中的现有数据。

代码

var logFile = File('log.txt'); 
var sink = logFile.openWrite(); 
sink.write('FILE ACCESSED ${DateTime.now()}\n'); 
await sink.flush(); 
await sink.close();

将数据添加到文件末尾，可以把可选参数mode指定为FileMode.append：

var sink = logFile.openWrite(mode: FileMode.append)

添加二进制数据，使用add(List<int> data)。

2.7 列出目录中的文件

查找目录的所有文件和子目录是一项异步操作。方法返回遇到文件或目录时对象的Stream。

代码

Future<void> main() async {var dir = Directory('tmp');try {var dirList = dir.list();await for (final FileSystemEntity f in dirList) {if (f is File) {print('Found file ${f.path}');} else if (f is Directory) {print('Found dir ${f.path}');}}} catch (e) {print(e.toString());}
}

2.8 其他常用方法

创建一个文件或目录：create()（针对文件或目录）

删除一个文件或目录：delete()（针对文件或目录）

获取文件的长度：length()（针对文件）

获取对文件的随机访问：open()（针对文件）