Kotlin协程实现原理

为什么需要协程？

协程可以简化异步编程，可以顺序地表达程序，协程也提供了一种避免阻塞线程并用更廉价、更可控的操作替代线程阻塞的方法 – 挂起函数。

Kotlin 的协程是依靠编译器实现的, 并不需要操作系统和硬件的支持。编译器为了让开发者编写代码更简单方便, 提供了一些关键字(例如suspend), 并在内部自动生成了一些支持型的代码。

实现细节

Continuation passing style（CPS）

挂起函数通过Continuation passing style（CPS）来实现。当挂起函数被调用的时候，会有一个额外的Continuation参数传递给它。回想一下await挂起函数的声明如下所示：

suspend fun  CompletableFuture.await(): T

但是，在通过CPS转换之后它的真实的方法声明如下所示：

fun  CompletableFuture.await(continuation: Continuation): Any?

我们看到类型参数T移动到了Continuation参数的类型参数（就是泛型参数）的位置上。方法实现的返回类型变成了Any?。为什么方法实现的返回类型要变成Any?呢？因为当挂起函数挂起协程的时候，挂起函数返回一个特殊的标记值COROUTINE_SUSPENDED(详情参考coroutine intrinsics章节)。
当挂起函数没有挂起协程，继续协程执行的时候，挂起函数会立即返回执行结果或者抛出一个异常。这样，await方法返回类型Any?实际上是COROUTINE_SUSPENDED和T的并集。（类比Java，就好比一个方法既可以返回String类型又可以返回Integer类型，那么我们就声明这个方法返回Object）。

实际实现挂起函数的时候，不允许在它的栈帧中直接调用continuation，因为这有可能导致长时间运行的协程栈溢出。为什么呢？我的理解是因为如果一个协程很长的话，里面会有很多挂起点，那么每次从一个挂起点恢复的时候就会调用一次resumeWith(Object result)方法（每次方法调用对应一个栈帧），也就是说resumeWith(Object result)方法会被多次调用，是有可能导致栈溢出的。（类比Java，调用递归方法的时候就要注意栈溢出问题）。标准库中的suspendCoroutine函数通过跟踪continuation的调用向开发人员隐藏了这种复杂性，并且确保continuation无论以何种方式以及何时被调用，都与挂起函数的实际实现约定一致。

State machines（状态机）

高效实现协程是很关键的，例如尽可能使用更少的类和对象。很多语言使用状态机来实现协程，Kotlin也是使用状态机的方式来实现的。对于Kotlin，这种方式导致编译器为每个包含挂起函数的lambda表达式生成一个类，包含挂起函数的lambda表达式中可以有任意数量的挂起点。

核心思想：一个包含挂起函数的lambda表达式被编译成了一个状态机，状态对应挂起点，例如下面的这个lambda表达式体内有两个挂起点。

GlobalScope.launch {
    val a = a()
    val y = foo(a).await() // 挂起点1
    b()
    val z = bar(a, y).await() // 挂起点2
    c(z)
}

这个代码块有3个状态：

• 初始化（在任何挂起点之前，也就是上面代码块中的第一行）
• 在第一个挂起点之后
• 在第二个挂起点之后

每个状态都是都是一个continuation的入口。如下图所示。图片来自Kotlin Coroutines(协程) 完全解析（二），深入理解协程的挂起、恢复与调度

上面的代码块被编译成一个匿名内部类，该类有一个方法来实现状态机，有一个成员变量来标志当前状态机的状态。该匿名类的Java伪代码如下所示：

class  extends SuspendLambda<...> {
    // 标志当前状态机的状态
    int label = 0
    
    // 协程的局部变量，就是上面在lambda表达式体内声明的变量
    A a = null
    Y y = null

    //该方法用来实现状态机
    void resumeWith(Object result) {
        if (label == 0) goto L0
        if (label == 1) goto L1
        if (label == 2) goto L2
        else throw IllegalStateException()
        
      L0:
        // result is expected to be `null` at this invocation
        a = a()
        label = 1
       //注释1处
        result = foo(a).await(this) // 'this' is passed as a continuation 
        //注释2处
        if (result == COROUTINE_SUSPENDED) return // return if await had suspended execution
      L1:
        // external code has resumed this coroutine passing the result of .await() 
        y = (Y) result
        b()
        label = 2
        result = bar(a, y).await(this) // 'this' is passed as a continuation
        if (result == COROUTINE_SUSPENDED) return // return if await had suspended execution
      L2:
        // external code has resumed this coroutine passing the result of .await()
        Z z = (Z) result
        c(z)
        label = -1 // No more steps are allowed
        return
    }          
}    

注释1处

 result = foo(a).await(this) // 'this' is passed as a continuation

把当前对象’this’作为一个continuation传递给挂起函数。

注释2处

if (result == COROUTINE_SUSPENDED) return // return if await had suspended execution

如果挂起函数await挂起了即返回了特殊的标记变量COROUTINE_SUSPENDED，就直接返回。

上面伪代码执行步骤

1. 当协程开始的时候，我们调用resumeWith，此时label是0，我们跳转到L0，然后执行一些操作，然后将label设置为下一个状态1，调用.await()并且当.await()方法挂起的时候直接return。

2. 当协程挂起恢复，继续执行的时候，我们再次调用resumeWith，此时跳转到L1，然后执行一些操作，然后将label设置为下一个状态2，调用.await()并且当.await()方法挂起的时候直接return。

3. 当协程挂起恢复，继续执行的时候，我们再次调用resumeWith，此时跳转到L2，将label设置为-1，也就是说协程执行结束。

循环中的挂起点

在一个循环中的挂起点只生成一个状态，因为循环也通过有条件的goto来工作。

var x = 0
while (x < 10) {
    x += nextNumber().await()
}

生成的伪代码

class  extends SuspendLambda<...> {
    // The current state of the state machine
    int label = 0
    
    // local variables of the coroutine
    int x
    
    void resumeWith(Object result) {
        if (label == 0) goto L0
        if (label == 1) goto L1
        else throw IllegalStateException()
        
      L0:
        x = 0
      LOOP:
       //注释1处
        if (x > 10) goto END
        label = 1
        result = nextNumber().await(this) // 'this' is passed as a continuation 
        if (result == COROUTINE_SUSPENDED) return 
      L1:
        // 注释2处
        x += ((Integer) result).intValue()
        label = -1
        goto LOOP
      END:
        label = -1 // No more steps are allowed
        return 
    }          
}    

在注释2处，每次累加结果后到会跳转到LOOP标签。

注释1处，判断当x>10就跳转到END，表示执行结束。

参考链接

• Coroutines design document (KEEP)Implementation details一节。
• Kotlin Coroutines(协程) 完全解析（二），深入理解协程的挂起、恢复与调度