【Flutter入门到进阶】Dart进阶篇---Dart多线程异步原理
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：${message}");
switch(message[1]){
case 0:
//子线程正在处理初始化数据...
print("接收到初始化消息");
break;
case 1:
//子线程异步数据正在处理中..
print("接收到处理中状态消息");
break;
case 2:
//子线程数据处理完整
print("接收到任务完成消息");
receivePort.close();
break;
}
});
}
//目标文件
import 'dart:isolate';
import 'dart:io';
///isolate spawnUri方式
void main(List args,SendPort sendPort) {
print("isolate_spawnUri_task.dart begin");
print("接收到相关参数：$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
2.2 将文件作为文本读取：
Future 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：
readAsBytes()的调用返回一个Future，该函数在可用时提供结果
Future 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
Future 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：
import 'dart:io';
import 'dart:convert';
Future main() async {
var config = File('config.txt');
Stream> 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
var logFile = File('log.txt');
var sink = logFile.openWrite();
sink.write('FILE ACCESSED ${DateTime.now()}\n');
await sink.flush();
await sink.close();var sink = logFile.openWrite(mode: FileMode.append)add(List data) 。
2.7 列出目录中的文件
Future 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());
}
}