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Kotlin协程与并发深入全面讲解

作者：且听真言

Android官方对协程的定义-协程是一种并发设计模式，您可以在Android平台上使用它来简化异步执行的代码。协程是在版本1.3中添加到Kotlin的，它基于来自其他语言的既定概念

协程与并发

Kotlin协程是基于线程执行的。经过一层封装以后，Kotlin协程面对并发，处理方式与Java不同。

在java的世界里，并发往往是多个线程一起工作，存在共享的变量。需要处理好同步问题。要避免把协程与线程的概念混淆。

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

Log
1000
 
Process finished with exit code 0

上述代码中没有任何并发任务，launch创建了一个协程，所有的计算都发生在协程中。所以不需要考虑同步问题。

1.协程并发问题

多个协程并发执行的例子：

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

上述代码中，创建了10个协程任务，每个协程任务都会工作在Default线程池中，这10个协程任务对i进行1000次自增操作，但是因为10个协程分别运行在不同的线程之前，且共享一个变量，所以会产生同步问题。

2.协程处理并发的手段

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

使用@Synchronized注解或者synchronized(){}代码块

 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代码块中加入挂起函数，则发现会报错。

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)
    }

所以可以发现不能在synchronized{}当中调用挂起函数，编译器会报错。因为挂起函数会被翻译成带有Continuation的异步函数，造成synchronized代码块无法同步处理。

协程并发思路

单线程并发

在Kotlin协程中可以实现单线程并发。

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

上面代码启动了三个协程，它们之间是并发执行的，每个协程耗时1000ms，总耗时1000多毫秒，而且这几个协程都运行在main线程上。

所以 可以考虑将i++逻辑分发到单线程之上。

 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

上述代码把所有协程任务分发到单独的线程中执行，但这10个协程是并发执行的。

Mutex

在java中，Lock之类的同步锁是阻塞式的，而Kotlin提供了非阻塞式的锁：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

上述代码使用mutex.lock()、 mutex.unlock()包裹同步计算逻辑，实现多线程同步。Mutex 对比 JDK 当中的锁，最大的优势就在于支持挂起和恢复。

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 是一个接口，它的 lock() 方法其实是一个挂起函数。而这就是实现非阻塞式同步锁的根本原因。

但是上述代码中对于 Mutex 的使用其实是错误的，会存在问题。如果代码在 mutex.lock()、mutex.unlock() 之间发生异常，从而导致 mutex.unlock() 无法被调用。这个时候，整个程序的执行流程就会一直卡住，无法结束。看下面代码：

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)
    }

如何解决？使用mutex.withLock{}。

代码入下：

 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{} 的本质，其实是在 finally{} 当中调用了 unlock()。

Actor

Actor，它本质上是基于 Channel 管道消息实现的。

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() 挂起函数，它其实调用了 actor() 这个高阶函数。而这个函数的返回值类型其实是 SendChannel。由此可见，Kotlin 当中的 Actor 其实就是 Channel 的简单封装。Actor 的多线程同步能力都源自于 Channel。这里，我们借助密封类定义了两种消息类型，AddMsg、ResultMsg，然后在 actor{} 内部，我们处理这两种消息类型，如果我们收到了 AddMsg，则计算“i++”；如果收到了 ResultMsg，则返回计算结果。而在 actor{} 的外部，我们则只需要发送 10000 次的 AddMsg 消息，最后再发送一次 ResultMsg，取回计算结果即可。Actor 本质上是基于 Channel 管道消息实现的。

避免共享可变状态

 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

在每一个协程当中，都有一个局部的变量 i，同时将 launch 都改为了 async，让每一个协程都可以返回计算结果。这种方式，相当于将 10000 次计算，平均分配给了 10 个协程，让它们各自计算 1000 次。这样一来，每个协程都可以进行独立的计算，然后我们将 10 个协程的结果汇总起来，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)
    }

Log
10000
 
Process finished with exit code 0

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