Flutter开发(9)- Dart的异步

    在写这篇文章之前,我一直在犹豫,要不要在这里讲解Dart的异步相关话题,因为这部分内容很容易让初学者望而却步:

    1、关于单线程和异步之间的关系,比较容易让人迷惑,不过我一定会用自己的方式尽可能让你听懂。

    2、大量的异步操作方式(Future、await、async等),目前你看不到具体的应用场景。(比如你学习过前端中的Promise、await、async可能会比较简单,但是我会假设你没有这样的基础)。

    不过,听我说:如果这一个章节你学完之后还有很多疑惑,没有关系,在后面用到相关知识时,回头来看,你会豁然开朗。

一. Dart的异步模型

我们先来搞清楚Dart是如何搞定异步操作的

1.1. Dart是单线程的

1.1.1. 程序中的耗时操作

开发中的耗时操作:

    在开发中,我们经常会遇到一些耗时的操作需要完成,比如网络请求、文件读取等等;

    如果我们的主线程一直在等待这些耗时的操作完成,那么就会进行阻塞,无法响应其它事件,比如用户的点击;

    显然,我们不能这么干!!

如何处理耗时的操作呢?

    针对如何处理耗时的操作,不同的语言有不同的处理方式。

    处理方式一: 多线程,比如Java、C++,我们普遍的做法是开启一个新的线程(Thread),在新的线程中完成这些异步的操作,再通过线程间通信的方式,将拿到的数据传递给主线程。

    处理方式二: 单线程+事件循环,比如JavaScript、Dart都是基于单线程加事件循环来完成耗时操作的处理。不过单线程如何能进行耗时的操作呢?!

1.1.2. 单线程的异步操作

    我之前碰到很多开发者都对单线程的异步操作充满了问号???

其实它们并不冲突:

    因为我们的一个应用程序大部分时间都是处于空闲的状态的,并不是无限制的在和用户进行交互。

    比如等待用户点击、网络请求数据的返回、文件读写的IO操作,这些等待的行为并不会阻塞我们的线程;

    这是因为类似于网络请求、文件读写的IO,我们都可以基于非阻塞调用;

阻塞式调用和非阻塞式调用

如果想搞懂这个点,我们需要知道操作系统中的阻塞式调用和非阻塞式调用的概念。

    阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果(消息,返回值)时的状态。

    阻塞式调用: 调用结果返回之前,当前线程会被挂起,调用线程只有在得到调用结果之后才会继续执行。

    非阻塞式调用: 调用执行之后,当前线程不会停止执行,只需要过一段时间来检查一下有没有结果返回即可。

我们用一个生活中的例子来模拟:

    你中午饿了,需要点一份外卖,点外卖的动作就是我们的调用,拿到最后点的外卖就是我们要等待的结果。

    阻塞式调用: 点了外卖,不再做任何事情,就是在傻傻的等待,你的线程停止了任何其他的工作。

    非阻塞式调用: 点了外卖,继续做其他事情:继续工作、打把游戏,你的线程没有继续执行其他事情,只需要偶尔去看一下有没有人敲门,外卖有没有送到即可。

而我们开发中的很多耗时操作,都可以基于这样的 非阻塞式调用:

    比如网络请求本身使用了Socket通信,而Socket本身提供了select模型,可以进行非阻塞方式的工作;

    比如文件读写的IO操作,我们可以使用操作系统提供的基于事件的回调机制;

这些操作都不会阻塞我们单线程的继续执行,我们的线程在等待的过程中可以继续去做别的事情:喝杯咖啡、打把游戏,等真正有了响应,再去进行对应的处理即可。

这时,我们可能有两个问题:

    问题一: 如果在多核CPU中,单线程是不是就没有充分利用CPU呢?这个问题,我会放在后面来讲解。

    问题二: 单线程是如何来处理网络通信、IO操作它们返回的结果呢?答案就是事件循环(Event Loop)。

1.2. Dart事件循环

1.2.1. 什么是事件循环

单线程模型中主要就是在维护着一个事件循环(Event Loop)。

事件循环是什么呢?

    事实上事件循环并不复杂,它就是将需要处理的一系列事件(包括点击事件、IO事件、网络事件)放在一个事件队列(Event Queue)中。

    不断的从事件队列(Event Queue)中取出事件,并执行其对应需要执行的代码块,直到事件队列清空位置。

我们来写一个事件循环的伪代码:

// 这里我使用数组模拟队列, 先进先出的原则

List eventQueue = [];

var event;

// 事件循环从启动的一刻,永远在执行

while (true) {

  if (eventQueue.length > 0) {

    // 取出一个事件

    event = eventQueue.removeAt(0);

    // 执行该事件

    event();

  }

}

当我们有一些事件时,比如点击事件、IO事件、网络事件时,它们就会被加入到eventLoop中,当发现事件队列不为空时发现,就会取出事件,并且执行。

    齿轮就是我们的事件循环,它会从队列中一次取出事件来执行。

1.2.2. 事件循环代码模拟

这里我们来看一段伪代码,理解点击事件和网络请求的事件是如何被执行的:

    这是一段Flutter代码,很多东西大家可能不是特别理解,但是耐心阅读你会读懂我们在做什么。

    一个按钮RaisedButton,当发生点击时执行onPressed函数。

    onPressed函数中,我们发送了一个网络请求,请求成功后会执行then中的回调函数。

RaisedButton(

  child: Text('Click me'),

  onPressed: () {

    final myFuture = http.get('https://example.com');

    myFuture.then((response) {

      if (response.statusCode == 200) {

        print('Success!');

      }

    });

  },

)

这些代码是如何放在事件循环中执行呢?

    1、当用户发生点击的时候,onPressed回调函数被放入事件循环中执行,执行的过程中发送了一个网络请求。

    2、网络请求发出去后,该事件循环不会被阻塞,而是发现要执行的onPressed函数已经结束,会将它丢弃掉。

    3、网络请求成功后,会执行then中传入的回调函数,这也是一个事件,该事件被放入到事件循环中执行,执行完毕后,事件循环将其丢弃。

尽管onPressed和then中的回调有一些差异,但是它们对于事件循环来说,都是告诉它:我有一段代码需要执行,快点帮我完成。

二. Dart的异步操作

    Dart中的异步操作主要使用Future以及async、await。

    如果你之前有过前端的ES6、ES7编程经验,那么完全可以将Future理解成Promise,async、await和ES7中基本一致。

    但是如果没有前端开发经验,Future以及async、await如何理解呢?

2.1. 认识Future

    我思考了很久,这个Future到底应该如何讲解

2.1.1. 同步的网络请求

我们先来看一个例子吧:

    在这个例子中,我使用getNetworkData来模拟了一个网络请求;

    该网络请求需要3秒钟的时间,之后返回数据;

import "dart:io";

main(List args) {

  print("main function start");

  print(getNetworkData());

  print("main function end");

}

String getNetworkData() {

  sleep(Duration(seconds: 3));

  return "network data";

}

这段代码会运行怎么的结果呢?

getNetworkData会阻塞main函数的执行

main function start

// 等待3秒

network data

main function end

显然,上面的代码不是我们想要的执行效果,因为网络请求阻塞了main函数,那么意味着其后所有的代码都无法正常的继续执行。

2.1.2. 异步的网络请求

我们来对我们上面的代码进行改进,代码如下:

    和刚才的代码唯一的区别在于我使用了Future对象来将耗时的操作放在了其中传入的函数中;

    稍后,我们会讲解它具体的一些API,我们就暂时知道我创建了一个Future实例即可;

import "dart:io";

main(List args) {

  print("main function start");

  print(getNetworkData());

  print("main function end");

}

Future getNetworkData() {

  return Future(() {

    sleep(Duration(seconds: 3));

    return "network data";

  });

}

我们来看一下代码的运行结果:

    1、这一次的代码顺序执行,没有出现任何的阻塞现象;

    2、和之前直接打印结果不同,这次我们打印了一个Future实例;

    结论:我们将一个耗时的操作隔离了起来,这个操作不会再影响我们的主线程执行了。

    问题:我们如何去拿到最终的结果呢?

main function start

Instance of 'Future'

main function end

获取Future得到的结果

有了Future之后,如何去获取请求到的结果:通过.then的回调:

main(List args) {

  print("main function start");

  // 使用变量接收getNetworkData返回的future

  var future = getNetworkData();

  // 当future实例有返回结果时,会自动回调then中传入的函数

  // 该函数会被放入到事件循环中,被执行

  future.then((value) {

    print(value);

  });

  print(future);

  print("main function end");

}

上面代码的执行结果:

main function start

Instance of 'Future'

main function end

// 3s后执行下面的代码

network data

执行中出现异常

如果调用过程中出现了异常,拿不到结果,如何获取到异常的信息呢?

import "dart:io";

main(List args) {

  print("main function start");

  var future = getNetworkData();

  future.then((value) {

    print(value);

  }).catchError((error) { // 捕获出现异常时的情况

    print(error);

  });

  print(future);

  print("main function end");

}

Future getNetworkData() {

  return Future(() {

    sleep(Duration(seconds: 3));

    // 不再返回结果,而是出现异常

    // return "network data";

    throw Exception("网络请求出现错误");

  });

}

上面代码的执行结果:

main function start

Instance of 'Future'

main function end

// 3s后没有拿到结果,但是我们捕获到了异常

Exception: 网络请求出现错误

2.1.3. Future使用补充

补充一:上面案例的小结

我们通过一个案例来学习了一些Future的使用过程:

    1、创建一个Future(可能是我们创建的,也可能是调用内部API或者第三方API获取到的一个Future,总之你需要获取到一个Future实例,Future通常会对一些异步的操作进行封装);

    2、通过.then(成功回调函数)的方式来监听Future内部执行完成时获取到的结果;

    3、通过.catchError(失败或异常回调函数)的方式来监听Future内部执行失败或者出现异常时的错误信息;

补充二:Future的两种状态

事实上Future在执行的整个过程中,我们通常把它划分成了两种状态:

状态一:未完成状态(uncompleted)

    执行Future内部的操作时(在上面的案例中就是具体的网络请求过程,我们使用了延迟来模拟),我们称这个过程为未完成状态

状态二:完成状态(completed)

    当Future内部的操作执行完成,通常会返回一个值,或者抛出一个异常。

    这两种情况,我们都称Future为完成状态。

Dart官网有对这两种状态解析,之所以贴出来是区别于Promise的三种状态

补充三:Future的链式调用

上面代码我们可以进行如下的改进:

    我们可以在then中继续返回值,会在下一个链式的then调用回调函数中拿到返回的结果

import "dart:io";

main(List args) {

  print("main function start");

  getNetworkData().then((value1) {

    print(value1);

    return "content data2";

  }).then((value2) {

    print(value2);

    return "message data3";

  }).then((value3) {

    print(value3);

  });

  print("main function end");

}

Future getNetworkData() {

  return Future(() {

    sleep(Duration(seconds: 3));

    // 不再返回结果,而是出现异常

    return "network data1";

  });

}

打印结果如下:

main function start

main function end

// 3s后拿到结果

network data1

content data2

message data3

补充四:Future其他API

Future.value(value)

    直接获取一个完成的Future,该Future会直接调用then的回调函数

main(List args) {

  print("main function start");

  Future.value("哈哈哈").then((value) {

    print(value);

  });

  print("main function end");

}

打印结果如下:

    main function start

    main function end

    哈哈哈

疑惑:为什么立即执行,但是哈哈哈是在最后打印的呢?

    这是因为Future中的then会作为新的任务会加入到事件队列中(Event Queue),加入之后你肯定需要排队执行了Future.error(object)

    直接获取一个完成的Future,但是是一个发生异常的Future,该Future会直接调用catchError的回调函数

main(List args) {

  print("main function start");

  Future.error(Exception("错误信息")).catchError((error) {

    print(error);

  });

  print("main function end");

}

打印结果如下:

main function start

main function end

Exception: 错误信息

Future.delayed(时间, 回调函数)

    在延迟一定时间时执行回调函数,执行完回调函数后会执行then的回调;

    之前的案例,我们也可以使用它来模拟,但是直接学习这个API会让大家更加疑惑;

main(List args) {

  print("main function start");

  Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {

    return "3秒后的信息";

  }).then((value) {

    print(value);

  });

  print("main function end");

}

2.2. await、async

2.2.1. 理论概念理解

如果你已经完全搞懂了Future,那么学习await、async应该没有什么难度。

await、async是什么呢?

    它们是Dart中的关键字(你这不是废话吗?废话也还是要强调的,万一你用它做变量名呢,无辜脸。)

    它们可以让我们用同步的代码格式,去实现异步的调用过程。

    并且,通常一个async的函数会返回一个Future(别着急,马上就看到代码了)。

我们已经知道,Future可以做到不阻塞我们的线程,让线程继续执行,并且在完成某个操作时改变自己的状态,并且回调then或者errorCatch回调。

如何生成一个Future呢?

    1、通过我们前面学习的Future构造函数,或者后面学习的Future其他API都可以。

    2、还有一种就是通过async的函数。

2.2.2. 案例代码演练

Talk is cheap. Show me the code.

我们来对之前的Future异步处理代码进行改造,改成await、async的形式。

我们知道,如果直接这样写代码,代码是不能正常执行的:

    因为Future.delayed返回的是一个Future对象,我们不能把它看成同步的返回数据:"network data"去使用

    也就是我们不能把这个异步的代码当做同步一样去使用!

import "dart:io";

main(List args) {

  print("main function start");

  print(getNetworkData());

  print("main function end");

}

String getNetworkData() {

  var result = Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {

    return "network data";

  });

  return  "请求到的数据:" + result;

}

现在我使用await修改下面这句代码:

    你会发现,我在Future.delayed函数前加了一个await。

    一旦有了这个关键字,那么这个操作就会等待Future.delayed的执行完毕,并且等待它的结果。

String getNetworkData() {

  var result = await Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {

    return "network data";

  });

  return  "请求到的数据:" + result;

}

修改后执行代码,会看到如下的错误:

    错误非常明显:await关键字必须存在于async函数中。

    所以我们需要将getNetworkData函数定义成async函数。

继续修改代码如下:

    也非常简单,只需要在函数的()后面加上一个async关键字就可以了

String getNetworkData() async {

  var result = await Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {

    return "network data";

  });

  return  "请求到的数据:" + result;

}

运行代码,依然报错(心想:你妹啊):

    错误非常明显:使用async标记的函数,必须返回一个Future对象。

    所以我们需要继续修改代码,将返回值写成一个Future。

继续修改代码如下:

Future getNetworkData() async {

  var result = await Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {

    return "network data";

  });

  return "请求到的数据:" + result;

}

这段代码应该是我们理想当中执行的代码了

    我们现在可以像同步代码一样去使用Future异步返回的结果;

    等待拿到结果之后和其他数据进行拼接,然后一起返回;

    返回的时候并不需要包装一个Future,直接返回即可,但是返回值会默认被包装在一个Future中;

2.3. 读取json案例

    我这里给出了一个在Flutter项目中,读取一个本地的json文件,并且转换成模型对象,返回出去的案例;

    这个案例作为大家学习前面Future和await、async的一个参考,我并不打算展开来讲,因为需要用到Flutter的相关知识;

    后面我会在后面的案例中再次讲解它在Flutter中我使用的过程中;    

读取json案例代码(了解一下即可)

import 'package:flutter/services.dart' show rootBundle;

import 'dart:convert';

import 'dart:async';

main(List args) {

  getAnchors().then((anchors) {

    print(anchors);

  });

}

class Anchor {

  String nickname;

  String roomName;

  String imageUrl;

  Anchor({

    this.nickname,

    this.roomName,

    this.imageUrl

  });

  Anchor.withMap(Map parsedMap) {

    this.nickname = parsedMap["nickname"];

    this.roomName = parsedMap["roomName"];

    this.imageUrl = parsedMap["roomSrc"];

  }

}

Future> getAnchors() async {

  // 1.读取json文件

  String jsonString = await rootBundle.loadString("assets/yz.json");

  // 2.转成List或Map类型

  final jsonResult = json.decode(jsonString);

  // 3.遍历List,并且转成Anchor对象放到另一个List中

  List anchors = new List();

  for (Map map in jsonResult) {

    anchors.add(Anchor.withMap(map));

  }

  return anchors;

}

三. Dart的异步补充

3.1. 任务执行顺序

3.1.1. 认识微任务队列

在前面学习学习中,我们知道Dart中有一个事件循环(Event Loop)来执行我们的代码,里面存在一个事件队列(Event Queue),事件循环不断从事件队列中取出事件执行。

但是如果我们严格来划分的话,在Dart中还存在另一个队列:微任务队列(Microtask Queue)。

    微任务队列的优先级要高于事件队列;

    也就是说事件循环都是优先执行微任务队列中的任务,再执行 事件队列 中的任务;

那么在Flutter开发中,哪些是放在事件队列,哪些是放在微任务队列呢?

    所有的外部事件任务都在事件队列中,如IO、计时器、点击、以及绘制事件等;

    而微任务通常来源于Dart内部,并且微任务非常少。这是因为如果微任务非常多,就会造成事件队列排不上队,会阻塞任务队列的执行(比如用户点击没有反应的情况);

说道这里,你可能已经有点凌乱了,在Dart的单线程中,代码到底是怎样执行的呢?

    1、Dart的入口是main函数,所以main函数中的代码会优先执行;

    2、main函数执行完后,会启动一个事件循环(Event Loop)就会启动,启动后开始执行队列中的任务;

    3、首先,会按照先进先出的顺序,执行 微任务队列(Microtask Queue)中的所有任务;

    4、其次,会按照先进先出的顺序,执行 事件队列(Event Queue)中的所有任务;

3.1.2. 如何创建微任务

    在开发中,我们可以通过dart中async下的scheduleMicrotask来创建一个微任务:

    import "dart:async";

    main(List args) {  

        scheduleMicrotask(() {    

            print("Hello Microtask");  });}

在开发中,如果我们有一个任务不希望它放在Event Queue中依次排队,那么就可以创建一个微任务了。

Future的代码是加入到事件队列还是微任务队列呢?

Future中通常有两个函数执行体:

    Future构造函数传入的函数体

    then的函数体(catchError等同看待)

那么它们是加入到什么队列中的呢?

    Future构造函数传入的函数体放在事件队列中

    then的函数体要分成三种情况:

    情况一:Future没有执行完成(有任务需要执行),那么then会直接被添加到Future的函数执行体后;

    情况二:如果Future执行完后就then,该then的函数体被放到如微任务队列,当前Future执行完后执行微任务队列;

    情况三:如果Future是链式调用,意味着then未执行完,下一个then不会执行;

// future_1加入到eventqueue中,紧随其后then_1被加入到eventqueue中

Future(() => print("future_1")).then((_) => print("then_1"));

// Future没有函数执行体,then_2被加入到microtaskqueue中

Future(() => null).then((_) => print("then_2"));

// future_3、then_3_a、then_3_b依次加入到eventqueue中

Future(() => print("future_3")).then((_) => print("then_3_a")).then((_) => print("then_3_b"));

3.1.3. 代码执行顺序

我们根据前面的规则来学习一个终极的代码执行顺序案例:

import "dart:async";

main(List args) {

  print("main start");

  Future(() => print("task1"));

  final future = Future(() => null);

  Future(() => print("task2")).then((_) {

    print("task3");

    scheduleMicrotask(() => print('task4'));

  }).then((_) => print("task5"));

  future.then((_) => print("task6"));

  scheduleMicrotask(() => print('task7'));

  Future(() => print('task8'))

    .then((_) => Future(() => print('task9')))

    .then((_) => print('task10'));

  print("main end");

}

代码执行的结果是:

main start

main end

task7

task1

task6

task2

task3

task5

task4

task8

task9

task10

代码分析:

    1、main函数先执行,所以main start和main end先执行,没有任何问题;

    2、main函数执行过程中,会将一些任务分别加入到EventQueue和MicrotaskQueue中;

    3、task7通过scheduleMicrotask函数调用,所以它被最早加入到MicrotaskQueue,会被先执行;

    4、然后开始执行EventQueue,task1被添加到EventQueue中被执行;

    5、通过final future = Future(() => null);创建的future的then被添加到微任务中,微任务直接被优先执行,所以会执行task6;

    6、一次在EventQueue中添加task2、task3、task5被执行;

    7、task3的打印执行完后,调用scheduleMicrotask,那么在执行完这次的EventQueue后会执行,所以在task5后执行task4(注意:scheduleMicrotask的调用是作为task3的一部分代码,所以task4是要在task5之后执行的)

    8、task8、task9、task10一次添加到EventQueue被执行;

事实上,上面的代码执行顺序有可能出现在面试中,我们开发中通常不会出现这种复杂的嵌套,并且需要完全搞清楚它的执行顺序;

但是,了解上面的代码执行顺序,会让你对EventQueue和microtaskQueue有更加深刻的理解。

3.2. 多核CPU的利用

3.2.1. Isolate的理解

在Dart中,有一个Isolate的概念,它是什么呢?

    我们已经知道Dart是单线程的,这个线程有自己可以访问的内存空间以及需要运行的事件循环;

    我们可以将这个空间系统称之为是一个Isolate;

    比如Flutter中就有一个Root Isolate,负责运行Flutter的代码,比如UI渲染、用户交互等等;

在 Isolate 中,资源隔离做得非常好,每个 Isolate 都有自己的 Event Loop 与 Queue,

    Isolate 之间不共享任何资源,只能依靠消息机制通信,因此也就没有资源抢占问题。

但是,如果只有一个Isolate,那么意味着我们只能永远利用一个线程,这对于多核CPU来说,是一种资源的浪费。

如果在开发中,我们有非常多耗时的计算,完全可以自己创建Isolate,在独立的Isolate中完成想要的计算操作。

如何创建Isolate呢?

创建Isolate是比较简单的,我们通过Isolate.spawn就可以创建了:

import "dart:isolate";

main(List args) {

  Isolate.spawn(foo, "Hello Isolate");

}

void foo(info) {

  print("新的isolate:$info");

}

3.2.2. Isolate通信机制

但是在真实开发中,我们不会只是简单的开启一个新的Isolate,而不关心它的运行结果:

    我们需要新的Isolate进行计算,并且将计算结果告知Main Isolate(也就是默认开启的Isolate);

    Isolate 通过发送管道(SendPort)实现消息通信机制;

    我们可以在启动并发Isolate时将Main Isolate的发送管道作为参数传递给它;

    并发在执行完毕时,可以利用这个管道给Main Isolate发送消息;

import "dart:isolate";

main(List args) async {

  // 1.创建管道

  ReceivePort receivePort= ReceivePort();

  // 2.创建新的Isolate

  Isolate isolate = await Isolate.spawn(foo, receivePort.sendPort);

  // 3.监听管道消息

  receivePort.listen((data) {

    print('Data:$data');

    // 不再使用时,我们会关闭管道

    receivePort.close();

    // 需要将isolate杀死

    isolate?.kill(priority: Isolate.immediate);

  });

}

void foo(SendPort sendPort) {

  sendPort.send("Hello World");

}

但是我们上面的通信变成了单向通信,如果需要双向通信呢?

    事实上双向通信的代码会比较麻烦;

    Flutter提供了支持并发计算的compute函数,它内部封装了Isolate的创建和双向通信;

    利用它我们可以充分利用多核心CPU,并且使用起来也非常简单;

注意:下面的代码不是dart的API,而是Flutter的API,所以只有在Flutter项目中才能运行

main(List args) async {

  int result = await compute(powerNum, 5);

  print(result);

}

int powerNum(int num) {

  return num * num;

}

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