前言
协程系列文章：
- 一个小故事讲明白进程、线程、Kotlin 协程到底啥关系？
- 少年，你可知 Kotlin 协程最初的样子？
- 讲真，Kotlin 协程的挂起/恢复没那么神秘(故事篇)
- 讲真，Kotlin 协程的挂起/恢复没那么神秘(原理篇)
- Kotlin 协程调度切换线程是时候解开真相了
- Kotlin 协程之线程池探索之旅(与Java线程池PK)
- Kotlin 协程之取消与异常处理探索之旅(上)
- Kotlin 协程之取消与异常处理探索之旅(下)
- 来，跟我一起撸Kotlin runBlocking/launch/join/async/delay 原理&使用
之前一些列的文章重点在于分析协程本质原理，了解了协程的内核再来看其它衍生的知识就比较容易了。
接下来这边文章着重分析协程框架提供的一些重要的函数原理，通过本篇文章，你将了解到：
- runBlocking 使用与原理
- launch 使用与原理
- join 使用与原理
- async/await 使用与原理
- delay 使用与原理
1. runBlocking 使用与原理
默认分发器的runBlocking
使用
老规矩，先上Demo：
fun testBlock() {
println("before runBlocking thread:${Thread.currentThread()}")
//①
runBlocking {
println("I'm runBlocking start thread:${Thread.currentThread()}")
Thread.sleep(2000)
println("I'm runBlocking end")
}
//②
println("after runBlocking:${Thread.currentThread()}")
}
runBlocking 开启了一个新的协程，它的特点是：
协程执行结束后才会执行runBlocking 后的代码。
也就是① 执行结束后 ② 才会执行。
可以看出，协程运行在当前线程，因此若是在协程里执行了耗时函数，那么协程之后的代码只能等待，基于这个特性，runBlocking 经常用于一些测试的场景。
runBlocking 可以定义返回值，比如返回一个字符串：
fun testBlock2() {
var name = runBlocking {
"fish"
}
println("name $name")
}
原理
#Builders.kt
public fun runBlocking(context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext, block: suspend CoroutineScope.() -> T): T {
//当前线程
val currentThread = Thread.currentThread()
//先看有没有拦截器
val contextInterceptor = context[ContinuationInterceptor]
val eventLoop: EventLoop?
val newContext: CoroutineContext
//----------①
if (contextInterceptor == null) {
//不特别指定的话没有拦截器，使用loop构建Context
eventLoop = ThreadLocalEventLoop.eventLoop
newContext = GlobalScope.newCoroutineContext(context + eventLoop)
} else {
eventLoop = (contextInterceptor as? EventLoop)?.takeIf { it.shouldBeProcessedFromContext() }
?: ThreadLocalEventLoop.currentOrNull()
newContext = GlobalScope.newCoroutineContext(context)
}
//BlockingCoroutine 顾名思义，阻塞的协程
val coroutine = BlockingCoroutine(newContext, currentThread, eventLoop)
//开启
coroutine.start(CoroutineStart.DEFAULT, coroutine, block)
//等待协程执行完成----------②
return coroutine.joinBlocking()
}
重点看①②。
先说①，因为我们没有指定分发器，因此会使用loop，实际创建的是BlockingEventLoop，它继承自EventLoopImplBase，最终继承自CoroutineDispatcher（注意此处是个重点）。
根据我们之前分析的协程知识可知，协程启动后会构造DispatchedContinuation，然后依靠dispatcher将runnable 分发执行，而这个dispatcher 即是BlockingEventLoop。
#EventLoop.common.kt
//重写dispatch函数
public final override fun dispatch(context: CoroutineContext, block: Runnable) = enqueue(block)
public fun enqueue(task: Runnable) {
//将task 加入队列，task = DispatchedContinuation
if (enqueueImpl(task)) {
unpark()
} else {
DefaultExecutor.enqueue(task)
}
}
BlockingEventLoop 的父类EventLoopImplBase 里有个成员变量：_queue，它是个队列，用来存储提交的任务。
再看②：
协程任务已经提交到队列里，就看啥时候取出来执行了。
#Builders.kt
fun joinBlocking(): T {
try {
try {
while (true) {
//当前线程已经中断了，直接退出
if (Thread.interrupted()) throw InterruptedException().also { cancelCoroutine(it) }
//如果eventLoop！= null，则从队列里取出task并执行
val parkNanos = eventLoop?.processNextEvent() ?: Long.MAX_VALUE
//协程执行结束，跳出循环
if (isCompleted) break
//挂起线程，parkNanos 指的是挂起时间
parkNanos(this, parkNanos)
//当线程被唤醒后，继续while循环
}
} finally { // paranoia
}
}
//返回结果
return state as T
}
#EventLoop.common.kt
override fun processNextEvent(): Long {
//延迟队列
val delayed = _delayed.value
//延迟队列处理，这里在分析delay时再解释
//从队列里取出task
val task = dequeue()
if (task != null) {
//执行task
task.run()
return 0
}
return nextTime
}
上面代码的任务有两个：
- 尝试从队列里取出Task。
- 若是没有则挂起线程。
结合①②两点，再来过一下场景：
- 先创建协程，包装为DispatchedContinuation，作为task。
- 分发task，将task加入到队列里。
- 从队列里取出task执行，实际执行的即是协程体。
- 当3执行完毕后，runBlocking()函数也就退出了。
其中虚线箭头表示执行先后顺序。
由此可见，runBlocking()函数需要等待协程执行完毕后才退出。
指定分发器的runBlocking
上个Demo在使用runBlocking 时没有指定其分发器，若是指定了又是怎么样的流程呢？
fun testBlock3() {
println("before runBlocking thread:${Thread.currentThread()}")
//①
runBlocking(Dispatchers.IO) {
println("I'm runBlocking start thread:${Thread.currentThread()}")
Thread.sleep(2000)
println("I'm runBlocking end")
}
//②
println("after runBlocking:${Thread.currentThread()}")
}
指定在子线程里进行分发。
此处与默认分发器最大的差别在于：
默认分发器加入队列、取出队列都是同一个线程，而指定分发器后task不会加入到队列里，task的调度执行完全由指定的分发器完成。
也就是说，coroutine.joinBlocking()后，当前线程一定会被挂起。等到协程执行完毕后再唤醒当前被挂起的线程。
唤醒之处在于：
#Builders.kt
override fun afterCompletion(state: Any?) {
// wake up blocked thread
if (Thread.currentThread() != blockedThread)
//blockedThread 即为调用coroutine.joinBlocking()后阻塞的线程
//Thread.currentThread() 为线程池的线程
//唤醒线程
unpark(blockedThread)
}
红色部分比紫色部分先执行，因此红色部分执行的线程会阻塞，等待紫色部分执行完毕后将它唤醒，最后runBlocking()函数执行结束了。
不管是否指定分发器，runBlocking() 都会阻塞等待协程执行完毕。
2. launch 使用与原理
想必大家刚接触协程的时候使用最多的还是launch启动协程吧。
看个Demo：
fun testLaunch() {
var job = GlobalScope.launch {
println("hello job1 start")//①
Thread.sleep(2000)
println("hello job1 end")//②
}
println("continue...")//③
}
非常简单，启动一个线程，打印结果如下：
③一定比①②先打印，同时也说明launch()函数并不阻塞当前线程。
关于协程原理，在之前的文章都有深入分析，此处不再赘述，以图示之：
3. join 使用与原理
虽然launch()函数不阻塞线程，但是我们就想要知道协程执行完毕没，进而根据结果确定是否继续往下执行，这时候该Job.join()出场了。
先看该函数的定义：
#Job.kt
public suspend fun join()
是个suspend 修饰的函数，suspend 是咱们的老朋友了，说明协程执行到该函数会挂起(当前线程不阻塞，另有他用)。
继续看其实现：
#JobSupport.kt
public final override suspend fun join() {
//快速判断状态，不耗时
if (!joinInternal()) { // fast-path no wait
coroutineContext.ensureActive()
return // do not suspend
}
//挂起的地方
return joinSuspend() // slow-path wait
}
//suspendCancellableCoroutine 典型的挂起操作
//cont 是封装后的协程
private suspend fun joinSuspend() = suspendCancellableCoroutine { cont ->
//执行完这就挂起
//disposeOnCancellation 是将cont 记录在当前协程的state里，构造为node
cont.disposeOnCancellation(invokeOnCompletion(handler = ResumeOnCompletion(cont).asHandler))
}
其中suspendCancellableCoroutine 是挂起的核心所在，关于挂起的详细分析请移步：讲真，Kotlin 协程的挂起没那么神秘(原理篇)
joinSuspend()函数有2个作用：
- 将当前协程体存储到Job的state里（作为node)。
- 将当前协程挂起。
什么时候恢复呢？当然是协程执行完成后。
#JobSupport.kt
private class ResumeOnCompletion(
private val continuation: Continuation
) : JobNode() {
//continuation 为协程的包装体，它里面有我们真正的协程体
//之后重新进行分发
override fun invoke(cause: Throwable?) = continuation.resume(Unit)
}
当协程执行完毕，会例行检查当前的state是否有挂着需要执行的node，刚好我们在joinSuspend()里放了node，于是找到该node，进而找到之前的协程体再次进行分发。根据协程状态机的知识可知，这是第二次执行协程体，因此肯定会执行job.join()之后的代码，于是乎看起来的效果就是：
job.join() 等待协程执行完毕后才会往下执行。
语言比较苍白，来个图：
注：此处省略了协程挂起等相关知识，如果对此有疑惑请阅读之前的文章。
4. async/await 使用与原理
launch 有2点不足之处：协程执行没有返回值。
这点我们从它的定义很容易获悉：
然而，在有些场景我们需要返回值，此时轮到async/await 出场了。
fun testAsync() {
runBlocking {
//启动协程
var job = GlobalScope.async {
println("job1 start")
Thread.sleep(10000)
//返回值
"fish"
}
//等待协程执行结束，并返回协程结果
var result = job.await()
println("result:$result")
}
}
运行结果：
接着来看实现原理。
public fun CoroutineScope.async(
context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
block: suspend CoroutineScope.() -> T
): Deferred {
val newContext = newCoroutineContext(context)
//构造DeferredCoroutine
val coroutine = if (start.isLazy)
LazyDeferredCoroutine(newContext, block) else
DeferredCoroutine(newContext, active = true)
//coroutine == DeferredCoroutine
coroutine.start(start, coroutine, block)
return coroutine
}
与launch 启动方式不同的是，async 的协程定义了返回值，是个泛型。并且async里使用的是DeferredCoroutine，顾名思义：延迟给结果的协程。
后面的流程都是一样的，不再细说。
再来看Job.await()，它与Job.join()类似：
- 先判断是否需要挂起，若是协程已经结束/被取消，当然就无需等待直接返回。
- 先将当前协程体包装到state里作为node存放，然后挂起协程。
- 等待async里的协程执行完毕，再重新调度执行await()之后的代码。
- 此时协程的值已经返回。
这里需要重点关注一下返回值是怎么传递过来的。
将testAsync()反编译：
public final Object invokeSuspend(@NotNull Object $result) {
//result 为协程执行结果
Object var6 = IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED();
Object var10000;
switch(this.label) {
case 0:
//第一次执行这
ResultKt.throwOnFailure($result);
Deferred job = BuildersKt.async$default((CoroutineScope) GlobalScope.INSTANCE, (CoroutineContext)null, (CoroutineStart)null, (Function2)(new Function2((Continuation)null) {
int label;
@Nullable
public final Object invokeSuspend(@NotNull Object var1) {
Object var4 = IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED();
switch(this.label) {
case 0:
ResultKt.throwOnFailure(var1);
String var2 = "job1 start";
boolean var3 = false;
System.out.println(var2);
Thread.sleep(10000L);
return "fish";
default:
throw new IllegalStateException("call to 'resume' before 'invoke' with coroutine");
}
}
}), 3, (Object)null);
this.label = 1;
//挂起
var10000 = job.await(this);
if (var10000 == var6) {
return var6;
}
break;
case 1:
//第二次执行这
ResultKt.throwOnFailure($result);
//result 就是demo里的"fish"
var10000 = $result;
break;
default:
throw new IllegalStateException("call to 'resume' before 'invoke' with coroutine");
}
String result = (String)var10000;
String var4 = "result:" + result;
boolean var5 = false;
System.out.println(var4);
return Unit.INSTANCE;
}
很明显，外层的协程(runBlocking)体会执行2次。
第1次：调用invokeSuspend(xx)，此时参数xx=Unit，后遇到await 被挂起。
第2次：子协程执行结束并返回结果"fish"，恢复外部协程时再次调用invokeSuspend(xx)，此时参数xx="fish"，并将参数保存下来，因此result 就有了值。
值得注意的是：
async 方式启动的协程，若是协程发生了异常，不会像launch 那样直接抛出，而是需要等待调用await()时抛出。
5. delay 使用与原理
线程可以被阻塞，协程可以被挂起，挂起后的协程等待时机成熟可以被恢复。
fun testDelay() {
GlobalScope.launch {
println("before getName")
var name = getUserName()
println("after getName name:$name")
}
}
suspend fun getUserName():String {
return withContext(Dispatchers.IO) {
//模拟网络获取
Thread.sleep(2000)
"fish"
}
}
获取用户名字是在子线程获取的，它是个挂起函数，当协程执行到此时挂起，等待获取名字之后再恢复运行。
有时候我们仅仅只是想要协程挂起一段时间，并不需要去做其它操作，这个时候我们可以选择使用delay(xx)函数：
fun testDelay2() {
GlobalScope.launch {
println("before delay")
//协程挂起5s
delay(5000)
println("after delay")
}
}
再来看看其原理。
#Delay.kt
public suspend fun delay(timeMillis: Long) {
//没必要延时
if (timeMillis <= 0) return // don't delay
return suspendCancellableCoroutine sc@ { cont: CancellableContinuation ->
//封装协程为cont，便于之后恢复
if (timeMillis < Long.MAX_VALUE) {
//核心实现
cont.context.delay.scheduleResumeAfterDelay(timeMillis, cont)
}
}
}
主要看context.delay 实现：
#DefaultExecutor.kt
internal actual val DefaultDelay: Delay = kotlinx.coroutines.DefaultExecutor
//单例
internal actual object DefaultExecutor : EventLoopImplBase(), Runnable {
const val THREAD_NAME = "kotlinx.coroutines.DefaultExecutor"
//...
private fun createThreadSync(): Thread {
return DefaultExecutor._thread ?: Thread(this, DefaultExecutor.THREAD_NAME).apply {
DefaultExecutor._thread = this
isDaemon = true
start()
}
}
//...
override fun run() {
//循环检测队列是否有内容需要处理
//决定是否要挂起线程
}
//...
}
DefaultExecutor 是个单例，它里边开启了线程，并且检测队列里任务的情况来决定是否需要挂起线程等待。
先看队列的出入队情况。
放入队列
我们注意到DefaultExecutor 继承自EventLoopImplBase()，在最开始分析runBlocking()时有提到过它里面有成员变量_queue 存储队列元素，实际上它还有另一个成员变量_delayed：
#EventLoop.common.kt
internal abstract class EventLoopImplBase: EventLoopImplPlatform(), Delay {
//存放正常task
private val _queue = atomic(null)
//存放延迟task
private val _delayed = atomic(null)
}
private inner class DelayedResumeTask(
nanoTime: Long,
private val cont: CancellableContinuation
) : EventLoopImplBase.DelayedTask(nanoTime) {
//协程恢复
override fun run() { with(cont) { resumeUndispatched(Unit) } }
override fun toString(): String = super.toString() + cont.toString()
}
delay.scheduleResumeAfterDelay 本质是创建task：DelayedResumeTask，并将该task加入到延迟队列_delayed里。
从队列取出
DefaultExecutor 一开始就会调用processNextEvent()函数检测队列是否有数据，如果没有则将线程挂起一段时间(由processNextEvent()返回值确定)。
那么重点转移到processNextEvent()上。
##EventLoop.common.kt
override fun processNextEvent(): Long {
if (processUnconfinedEvent()) return 0
val delayed = _delayed.value
if (delayed != null && !delayed.isEmpty) {
//调用delay 后会放入
//查看延迟队列是否有任务
val now = nanoTime()
while (true) {
//一直取任务，直到取不到(时间未到)
delayed.removeFirstIf {
//延迟任务时间是否已经到了
if (it.timeToExecute(now)) {
//将延迟任务从延迟队列取出，并加入到正常队列里
enqueueImpl(it)
} else
false
} ?: break // quit loop when nothing more to remove or enqueueImpl returns false on "isComplete"
}
}
// 从正常队列里取出
val task = dequeue()
if (task != null) {
//执行
task.run()
return 0
}
//返回线程需要挂起的时间
return nextTime
}
而执行任务最终就是执行DelayedResumeTask.run()函数，该函数里会对协程进行恢复。
至此，delay 流程就比较清晰了：
- 构造task 加入到延迟队列里，此时协程挂起。
- 有个单独的线程会检测是否需要取出task并执行，没到时间的话就要挂起等待。
- 时间到了从延迟队列里取出并放入正常的队列，并从正常队列里取出执行。
- task 执行的过程就是协程恢复的过程。
老规矩，上图：
图上虚线紫色框部分表明delay 执行到此就结束了，协程挂起(不阻塞当前线程），剩下的就交给单例的DefaultExecutor 调度，等待延迟的时间结束后通知协程恢复即可。
关于协程一些常用的函数分析到此就结束了，下篇开始我们一起探索协程通信(Channel/Flow 等)相关知识。
由于篇幅原因，省略了一些源码的分析，若你对此有疑惑，可评论或私信小鱼人。
本文基于Kotlin 1.5.3，文中完整Demo请点击
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