干货 | Dart 并发机制详解

Dart 通过 async-await、isolate 以及一些异步类型概念 (例如 Future 和 Stream) 支持了并发代码编程。本篇文章会对 async-await、Future 和 Stream
进行简略的介绍，而侧重点放在 isolate 的讲解上。

在应用中，所有的 Dart 代码都在 isolate 中运行。每一个 Dart 的 isolate 都有独立的运行线程，它们无法与其他 isolate 共享可变对象。在需要进行通信的场景里，isolate 会使用消息机制。尽管 Dart 的 isolate 模型设计是基于操作系统提供的进程和线程等更为底层的原语进行设计的，但在本篇文章中，我们不对其具体实现展开讨论。

大部分 Dart 应用只会使用一个 isolate (即 主 isolate)，同时你也可以创建更多的 isolate，从而在多个处理器内核上达成并行执行代码的目的。

多平台使用时注意

所有的 Dart 应用都可以使用 async-await、Future 和 Stream。
而 isolate 仅针对原生平台的使用进行实现。
使用 Dart 构建的网页应用可以使用 Web Workers 实现相似的功能。

异步的类型和语法

如果你已经对 Future、Stream 和 async-await 比较熟悉了，可以直接跳到 isolate 部分进行阅读。

Future 和 Stream 类型

Dart 语言和库通过 Future 和 Stream 对象，来提供会在当前调用的未来返回某些值的功能。以 JavaScript 中的 Promise 为例，在 Dart 中一个最终会返回 int 类型值的 promise，应当声明为 Future；一个会持续返回一系列 int 类型值的 promise，应当声明为 Stream。

让我们用 dart:io 来举另外一个例子。File 的同步方法 readAsStringSync() 方法 API 文档") 会以同步调用的方式读取文件，在读取完成或者抛出错误前保持阻塞。这个会返回 String 类型的对象，或者抛出异常。而与它等效的异步方法 readAsString() 方法 API 文档")，会在调用时立刻返回 Future 类型的对象。在未来的某一刻，Future 会结束，并返回一个字符串或错误。

为什么一个方法是同步的还是异步的会如此重要？因为大部分应用需要在同一时刻做很多件事。例如，应用可能会发起一个 HTTP 请求，同时在请求返回前对用户的操作做出不同的界面更新。异步的代码会有助于应用保持更高的可交互状态。

async-await 语法

async 和 await 关键字是用声明来定义异步函数和获取它们的结果的方式。

下面是一段同步代码调用文件 I/O 时阻塞的例子：

void main() {
  // Read some data.
  final fileData = _readFileSync();
  final jsonData = jsonDecode(fileData);

  // Use that data.
  print('Number of JSON keys: ${jsonData.length}');
}

String _readFileSync() {
  final file = File(filename);
  final contents = file.readAsStringSync();
  return contents.trim();
}

下面是类似的代码，但是变成了 异步调用：

void main() async {
  // Read some data.
  final fileData = await _readFileAsync();
  final jsonData = jsonDecode(fileData);

  // Use that data.
  print('Number of JSON keys: ${jsonData.length}');
}

Future _readFileAsync() async {
  final file = File(filename);
  final contents = await file.readAsString();
  return contents.trim();
}

main() 函数在调用 _readFileAsync() 前使用了 await 关键字，让原生代码 (文件 I/O) 执行的同时，其他的 Dart 代码 (例如事件处理器) 能继续执行。使用 await 后，_readFileAsync() 调用返回的 Future 类型也转换为了 String。从而在将结果 content 赋予变量时，隐式转换为 String 类型。

await 关键字仅在函数体前定义了 async 的函数中有效。

如下图所示，无论是在 Dart VM 还是在系统中，Dart 代码都会在 readAsString() 执行非 Dart 代码时暂停。在 readAsString() 返回值后，Dart 代码将继续执行。

如果你想了解更多关于 async、await 和 Future 的内容，可以访问
异步编程 codelab 进行学习。

Isolate 的工作原理

现代的设备通常会使用多核 CPU。开发者为了让程序在设备上有更好的表现，有时会使用共享内容的线程来并发运行代码。然而，状态的共享可能会产生竞态条件，从而造成错误，
也可能会增加代码的复杂度。

Dart 代码并不在多个线程上运行，取而代之的是它们会在 isolate 内运行。每一个 isolate 会有自己的堆内存，从而确保 isolate 之间互相隔离，无法互相访问状态。
由于这样的实现并不会共享内存，所以你也不需要担心互斥锁和其他锁)。

在使用 isolate 时，你的 Dart 代码可以在同一时刻进行多个独立的任务，并且使用可用的处理器核心。Isolate 与线程和进程近似，但是每个 isolate 都拥有独立的内存，以及运行事件循环的独立线程。

主 isolate

在一般场景下，你完全无需关心 isolate。通常一个 Dart 应用会在主 isolate 下执行所有代码，如下图所示：

就算是只有一个 isolate 的应用，只要通过使用 async-await 来处理异步操作，也完全可以流畅运行。一个拥有良好性能的应用，会在快速启动后尽快进入事件循环。这使得应用可以通过异步操作快速响应对应的事件。

Isolate 的生命周期

如下图所示，每个 isolate 都是从运行 Dart 代码开始的，比如 main() 函数。执行的 Dart 代码可能会注册一些事件监听，例如处理用户操作或文件读写。当 isolate 执行的 Dart 代码结束后，如果它还需要处理已监听的事件，那么它依旧会继续被保持。处理完所有事件后，isolate 会退出。

事件处理

在客户端应用中，主 isolate 的事件队列内，可能会包含重绘的请求、点击的通知或者其他界面事件。例如，下图展示了包含四个事件的事件队列，队列会按照先进先出的模式处理事件。

如下图所示，在 main() 方法执行完毕后，事件队列中的处理才开始，此时处理的是第一个重绘的事件。而后主 isolate 会处理点击事件，接着再处理另一个重绘事件。

如果某个同步执行的操作花费了很长的处理时间，应用看起来就像是失去了响应。在下图中，处理点击事件的代码比较耗时，导致紧随其后的事件并没有及时处理。这时应用可能会产生卡顿，所有的动画都无法流畅播放。

在一个客户端应用中，耗时过长的同步操作，通常会导致卡顿的动画。而最糟糕的是，应用界面可能完全失去响应。

后台运行对象

如果你的应用受到耗时计算的影响而出现卡顿，例如解析较大的 JSON 文件，
你可以考虑将耗时计算转移到单独工作的 isolate，通常我们称这样的 isolate 为 后台运行对象。下图展示了一种常用场景，你可以生成一个 isolate，它将执行耗时计算的任务，并在结束后退出。这个 isolate 工作对象退出时会把结果返回。