kotlin coroutine源码解析之suspend挂起函数原理

suspend挂起函数

在idea中写某些协程函数的时候，会有一个绿色箭头图标的出现，如下图：

而且这些方法不放在协程里面写的话，idea编辑器还会报错，如下图：

上面所说的这些方法就是挂起函数，挂起函数必须要在协程中调用，或者在挂起函数中调用；放在挂起函数中调用挂起函数调用，那么说明还是间接在协程中被调用，也就是挂起函数调用需要协程环境。
在说挂起函数原理之前，先复习下 launch启动过程 所说的三类continuation：

1. DispatchedContinuation用于分发continuation到指定的线程池中；
2. ContinuationImpl用于包装launch的lambda代码块作为业务代码代理类；
3. StandAloneCoroutine协程管理类管理Job生命周期以及协程的状态父子Job关系维护等等。

join原理

启动一个launch的时候，返回一个Job对象，这个Job对象对应着上面三个continuation实例，其中我们的业务代码在ContinuationImpl中，例如下面的代码：

  val myScope = CoroutineScope(CoroutineName("name") + IO + Job())

  val job = myScope.launch(CoroutineName("job")) {

      var job2 : Job? = launch(CoroutineName("job2")) {
          Thread.sleep(20000)
      }

      job2?.join()

      printlnM("job has run to end")
  }

  printlnM("job has launch")

这段代码编译后的代码如下：

BuildersKt.launch$default(
   myScope,
   (CoroutineContext)(new CoroutineName("job")),
   (CoroutineStart)null,
   (Function2)(new Function2((Continuation)null) {
       // $FF: synthetic field
       private Object L$0;
       int label;

       public final Object invokeSuspend(@NotNull Object $result) {
           Object var5 = IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED();
           switch(this.label) {
               case 0:
                   ResultKt.throwOnFailure($result);
                   CoroutineScope $this$launch = (CoroutineScope)this.L$0;
                   //创建job2
                   Job job2 = BuildersKt.launch$default(/*省略。。。省略部分后面贴出*/)
                   
                   this.label = 1;
                   //调用join方法
                   if (job2.join(this) == var5) {
                       return var5;
                   }
                   break;

               case 1:
                   ResultKt.throwOnFailure($result);
                   break;

               default:
                   throw new IllegalStateException("call to 'resume' before 'invoke' with coroutine");
           }

           MainActivity.Companion.printlnM("job has run to end");
           return Unit.INSTANCE;
       }
	    //省略。。。
   }), 
   2, (Object)null);

Job job2 = BuildersKt.launch$default(/*省略。。。省略部分后面贴出*/)job2的省略代码后面贴出，不影响代码流程。

可以看到，我们的业务代码被编译到invokeSuspend()函数中了，是通过switch case语句来运行对应的代码逻辑，
第一步：case 0执行的是Job job2 = BuildersKt.launch$default(/*省略。。。*/) 也就是逻辑代码里面的创建job2那句代码，然后this.label = 1; ，label设置为1，接着调用job2.join()方法，join方法一般都是返回COROUTINE_SUSPENDED的，那么在这里就返回结束了，除了立马就有返回值的挂起函数返回值，这个if判断就不成立了，直接走下面第三步；
第二步：label为1了，那么case 1的情况成立，入参设置一下异常，这个入参是上一步传递进来的，没有异常的话这里是空的，break；
第三步：调用printlnM("job has run to end");打印语句。

我们可以看到，遇到有函数返回COROUTINE_SUSPENDED的，那么invokeSuspend函数会立刻return结束掉。按照之前 launch启动过程 分析的，launch的lambda逻辑代码被调用的调用链是：

DispatchedContinuation -> ContinuationImpl(内部调用了invokeSuspend) -> StandAloneCoroutine

如果invokeSuspend函数因为返回了COROUTINE_SUSPENDED直接结束掉的话，岂不是这个Job2协程的代码还没有跑完，就结束了？显然是不行的，仔细观察发现，只需要多次调用invokeSuspend方法，label会随着每次调用都会递增或者变动，那么对应的case一定会让所有的代码都执行一遍的。
可以把这种switch case语句当成是人们常说的状态机模式，在安卓开发中，常用的handler.sendMessage就很类似状态机模式，根据不同的what去处理不同的逻辑，只是协程会将顺序代码，根据case分成一个接着一个连续的代码段。

这里我们直接去跟踪join源码看是怎么实现的：

job2.join(this)

public final override suspend fun join() {
    if (!joinInternal()) { // fast-path no wait
        coroutineContext.checkCompletion()
        return // do not suspend
    }
    return joinSuspend() // slow-path wait
}

private suspend fun joinSuspend() = suspendCancellableCoroutine<Unit> { cont ->
    // We have to invoke join() handler only on cancellation, on completion we will be resumed regularly without handlers
    cont.disposeOnCancellation(invokeOnCompletion(handler = ResumeOnCompletion(this, cont).asHandler))
}

主要看joinSuspend函数，里面有几个重要的点：

1. suspendCancellableCoroutine { cont -> 让当前协程在调用该函数处挂起，给当前协程的lambda代码块提供一个CancellableContinuation。

    suspendCoroutineUninterceptedOrReturn { uCont ->
        val cancellable = CancellableContinuationImpl(uCont.intercepted(), resumeMode = MODE_CANCELLABLE)
        /*
         * For non-atomic cancellation we setup parent-child relationship immediately
         * in case when `block` blocks the current thread (e.g. Rx2 with trampoline scheduler), but
         * properly supports cancellation.
         */
        cancellable.initCancellability()
        block(cancellable)
        cancellable.getResult()
    }

首先创建一个CancellableContinuationImpl类型的continuation，入参是uCont.intercepted()，这个uCont是调用的协程，那么就是val job这个协程，uCont.intercepted()也就是 launch启动过程 那章分析的DispatchedContinuation对象，由于val job = myScope.launch(CoroutineName("job")) 这句话已经将DispatchedContinuation生成了，所有会复用之前的对象，代码如下：

    public fun intercepted(): Continuation<Any?> =
        intercepted
            ?: (context[ContinuationInterceptor]?.interceptContinuation(this) ?: this)
                .also { intercepted = it }

那么cancellable对象持有的就是val job的DispatchedContinuation，

接着在调用 cancellable.initCancellability()：

private fun setupCancellation() {
    //省略
    val parent = delegate.context[Job] ?: return // fast path 3 -- don't do anything without parent
    parent.start() // make sure the parent is started
    val handle = parent.invokeOnCompletion(
        onCancelling = true,
        handler = ChildContinuation(parent, this).asHandler
    )
    parentHandle = handle
	//省略
}

看代码，val handle = parent.invokeOnCompletion 之前分析过，是parent和当前job组成父子关系的作用，parent代表val job，当前job就是cancellable对象，意思就是父子Job可以相互取消对方，和之前父子Job关联的分析是差不多的，那么val job和cancellable组成了父子关系。

在调用 block(cancellable)，这个就进入下面2了。

2. invokeOnCompletion(handler = ResumeOnCompletion(this, cont).asHandler)，这个方法是将入参ResumeOnCompletion和当前的JobSupport关联起来，加入到当前Jobsupport.state.list中，asHandler返回一个DisposableHandler然后将这个handler加入到cont的state.list中去，cont也是上面1中变量cancellable，是CancellableContinuationImpl类型的继承自continuation，这样val Job2和新创建的cancellable也组成了父子关系了。

3. ResumeOnCompletion类型，传入的this，和cont参数，用来恢复cont协程的作用：

private class ResumeOnCompletion(
    job: Job,
    private val continuation: Continuation<Unit>
) : JobNode<Job>(job)  {
    override fun invoke(cause: Throwable?) = continuation.resume(Unit)
    override fun toString() = "ResumeOnCompletion[$continuation]"
}

调用了invoke -> continuation.resume(Unit)，这样continuation就会继续执行了。

经过上面的分析之后，可以看出整个Job树的结构如下：

看图：其中cancellable是可以被job取消的，取消之后，会将cancellable移除掉，cancellable被取消后，会遍历自己的state.list列表调用invoke方法，那么就会调用DIsposableHandle的invoke方法，将自己从job2中移除掉，cancellable就失去了作用。

结合一下job2的被编译后的代码，Job2编译后的代码如下：

BuildersKt.launch$default(
	$this$launch, 
	(CoroutineContext)(new CoroutineName("job2")),
 	(CoroutineStart)null, 
	(Function2)(new Function2((Continuation)null) {
      int label;
      @Nullable
      public final Object invokeSuspend(@NotNull Object var1) {
          Object var2 = IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED();
          switch(this.label) {
              case 0:
                  ResultKt.throwOnFailure(var1);
                  Thread.sleep(1000L);
                  return Unit.INSTANCE;
              default:
                  throw new IllegalStateException("call to 'resume' before 'invoke' with coroutine");
          }
      }
	  //省略。。。
  }), 
  2, (Object)null);

invokeSuspend方法被调用后，休眠了1s中，之后结束了，就会继续调用completion的resume方法，这样就会调用到job2对应的

AbstractCoroutine.resumeWith -> makeCompletingOnce -> 
notifyHandlers(list: NodeList, cause: Throwable?) -> 
(ResumeOnCompletion) node.invoke(cause) -> continuation.resume(Unit) ->

进入到CancellableContinuationImpl类中，

CancellableContinuationImpl.resumeWith -> resumeImpl -> 
dispatchResume -> dispatch -> dispatcher.dispatch(context, this)

上面已经分析了dispatcher.dispatch(context, this) dispatcher这个对象是根val job的dispatcher，在val joblaucnh的时候已经创建好了的，此时正在挂起中，所以这里调用dispatch就有下面的调用链：

BaseContinuationImpl..resumeWith() ->   val outcome = invokeSuspend(param)  ->
completion.resumeWith(outcome)

job之前在挂起点结束了，现在又再一次被CancellableContinuationImpl类型的continuation调用，那么job就从这个挂起点被唤醒了。这样就从case 0，运行到case 1了，然后job就结束了。

await原理

将上面代码的Join换成await方法，代码如下：

  val myScope = CoroutineScope(CoroutineName("name") + IO + Job())

  val job = myScope.launch(CoroutineName("job")) {

       var deferred = async (CoroutineName("job2")) {
          Thread.sleep(20000)
      }

      job2?.await()

      printlnM("job has run to end")
  }

  printlnM("job has launch")

原理其实和Join方法差不多，流程是一样的，只是其中的某些节点的类型不一样，代码如下：

private suspend fun awaitSuspend(): Any? = suspendCoroutineUninterceptedOrReturn { uCont ->
    val cont = AwaitContinuation(uCont.intercepted(), this)
    
    cont.initCancellability()
 	cont.disposeOnCancellation(invokeOnCompletion(ResumeAwaitOnCompletion(cont).asHandler))
    cont.getResult()
}

1. 创建一个AwaitContinuation类型的continuation，
2. 然后调用initCancellability方法，这个在上一节讲过，是cont节点和自己的父节点产生父子关系关联，这个父节点也就是uCont,intercepted() 对象，也就是val job 的协程，
3. 接着

cont.disposeOnCancellation(invokeOnCompletion(ResumeAwaitOnCompletion(cont).asHandler))

这句话在join方法里面看到了，是job2和AwaitContinuation产生父子关系的功能。
那么我们看下ResumeAwaitOnCompletion类型的节点是怎么实现的吧，

private class ResumeAwaitOnCompletion<T>(
    private val continuation: CancellableContinuationImpl<T>
) : JobNode() {
    override fun invoke(cause: Throwable?) {
        val state = job.state
        if (state is CompletedExceptionally) {
            continuation.resumeWithException(state.cause)
        } else {
            continuation.resume(state.unboxState() as T)
        }
    }
}

和ResumeOnCompletion节点其实差不多，只不过调用resume的时候参数值是await的返回值，所以在挂起点恢复的时候，还带有挂起函数执行完成的返回值；
而且在出现异常的时候，还可以将异常抛出去给父Job处理，这一点好像比Job功能更完善。
可以画个图描述一下await的Job树：

job2是通过AwaitContinuation完成挂起点恢复的，这个类也是继承子 CancellableContinuationImpl的，只是覆盖fun getContinuationCancellationCause(parent: Job): Throwable用于获取异常信息的接口。
其他流程完全和join方法一模一样、

delay函数

跟踪一下delay函数：

delay(1000)
    
public suspend fun delay(timeMillis: Long) {
    if (timeMillis <= 0) return // don't delay
    return suspendCancellableCoroutine sc@ { cont: CancellableContinuation<Unit> ->
        cont.context.delay.scheduleResumeAfterDelay(timeMillis, cont)
    }
}

internal val CoroutineContext.delay: Delay get() = get(ContinuationInterceptor) as? Delay ?: DefaultDelay

和join，await差不多，首先利用delay调用处，父协程作用域的continuation，创建一个CancellableContinuation，让cancellable节点和父协程产生父子关联，该处返回的挂起值COROUTINE_SUSPENDED让父协程挂起，接着调用cancellable的上下文集合context.delay.scheduleResumeAfterDelay方法，该context是父协程上下文集合，意思就是delay对象是父协程的dispatcher元素，这个元素的成员函数scheduleResumeAfterDelay实现的delay功能。
为了简单理解，展示下HandlerDIspatcher的实现：

//HandlerDIspatcher
 override fun scheduleResumeAfterDelay(timeMillis: Long, continuation: CancellableContinuation<Unit>) {
     val block = Runnable {
         with(continuation) { resumeUndispatched(Unit) }
     }
     handler.postDelayed(block, timeMillis.coerceAtMost(MAX_DELAY))
     continuation.invokeOnCancellation { handler.removeCallbacks(block) }
 }

就是使用线程自带的Handler延迟发送一个消息，这个消息的runnable的实现是，调用CancellableContinuation的resumeUndispatched方法，跟踪之后，调用链条是：

resumeUndispatched -> resumeImpl -> dispatchResume -> dispatch -> resumeUnconfined -> 
后面调用父协程的invokeSuspend方法了，同join方法是一样的。

delay的实质，就是父协程挂起后，延迟delay的一段时间（延迟这段时间，是任务加入队列，等待指定的时间后，线程取出任务然后执行，所以不存在阻塞线程的问题），使用父协程的dispatcher恢复父协程继续执行，有如下图所示：

suspend函数

通过上面的Join和Await的分析，感觉挂起协程之后，似乎需要恢复协程才可以让协程执行完成未完成的代码的。如果Join和Await方法不创建CancellableContinuationImpl这个continuation节点的话，其实val job协程挂起后就结束了，剩下的代码是不会完成，后面的打印语句是不会执行的。这个直觉是正确的，Suspend函数就是有这个作用的，挂起协程之后，需要逻辑代码在挂起函数内部，主动去调用resume和resumeWithException()方法，用于恢复协程。

suspend函数挂起代码实例：

fun SuspendFunc() {
    val myScope = CoroutineScope(Dispatchers.IO)

    myScope.launch {
        printlnM("suspend func run before")

        testRemoteRequest()

        printlnM("suspend func run after")
    }
}

suspend fun testRemoteRequest():String {
    return suspendCancellableCoroutine { cancellableContinuation ->
        getUserInfo(object : Callback {
            override fun success() {
                printlnM("成功请求用户信息")
                cancellableContinuation.resume("成功")
            }
            override fun failed() {
                printlnM("请求用户信息失败")
                cancellableContinuation.resumeWithException(Exception("失败"))
            }
        })
    }
}

interface Callback{
    fun success()
    fun failed()
}

fun getUserInfo(callback: Callback?) {
    try {
        printlnM("getUserInfo")
        Thread.sleep(3000)
        callback?.success()
    } catch (e:Exception) {
        callback?.failed()
        e.printStackTrace()
    }
}

调用挂起函数，创建一个挂起点suspendCancellableCoroutine ，我们的逻辑代码写在suspendCancellableCoroutine 的lambda代码块中，内部调用模拟的网络请求，三秒后，主动调用resume方法，让挂起协程恢复执行。

打印结果如下：

2022-11-17 02:59:44.336  E/MainActivity: DefaultDispatcher-worker-1 : suspend func run before
2022-11-17 02:59:44.337  E/MainActivity: DefaultDispatcher-worker-1 : getUserInfo
2022-11-17 02:59:47.338  E/MainActivity: DefaultDispatcher-worker-1 : 成功请求用户信息
2022-11-17 02:59:47.339  E/MainActivity: DefaultDispatcher-worker-1 : suspend func run after

可以看到协程运行到getUserInfo，中间过了三秒后才继续执行，说明Job被挂起后恢复执行了。

现在修改代码，让网络请求失败，看看异常是谁来处理的：

val myScope = CoroutineScope(Dispatchers.IO + CoroutineExceptionHandler { c,e ->
    printlnM("scopeExceptionHandler : " + e.message)
})

getUserInfo(object : Callback {
    override fun success() {
        printlnM("成功请求用户信息")
        cancellableContinuation.resumeWithException(Exception("失败"))
    }
    override fun failed() {
        printlnM("请求用户信息失败")
        cancellableContinuation.resumeWithException(Exception("失败"))
    }
})

打印日志如下：

2022-11-17 03:10:07.952  E/MainActivity: DefaultDispatcher-worker-1 : suspend func run before
2022-11-17 03:10:07.953  E/MainActivity: DefaultDispatcher-worker-1 : getUserInfo
2022-11-17 03:10:10.954  E/MainActivity: DefaultDispatcher-worker-1 : 成功请求用户信息
2022-11-17 03:10:10.955  E/MainActivity: DefaultDispatcher-worker-1 : scopeExceptionHandler : 失败

可以看到，协程挂起后，三秒后，网路请求失败，挂起点抛出的异常，被根部的CoroutineExceptionHandler处理了，也就是说挂起函数的异常，也是遵循Job异常处理所说的链路传播。

根据上面的分析，可以给挂起流程画个时序图，用于展示线程是怎么切换的，怎么恢复协程的，如下图所示：

其中带颜色的方框，代表的是DisptacherContinuation，它持有的线程池执行它持有的的协程，所以可以知道挂起点恢复之后，协程所执行的线程池是保持一致的，对于不同的协程之间，由它继承的Disptahcer决定，或者通过launch传递disptahcer参数覆盖，这样就可以修改协程运行所在的线程了。

总结

1. 父JobA的lambda表达式中有挂起函数，协程会在父JobA的挂起点处创建一个CancellableContinuationImpl类型的continuation，这个Cancellable会和父JobA进行父子关联；
如果挂起函数本身是某个JobB的挂起函数，那么Cancellable还会和JobB组成父子关系，JobB在结束自己的时候，会通知Cancellable自己完成了，Cancellable又会继续通知JobA继续执行lambda的代码块，这样JobA就从挂起点恢复过来了。
如果挂起函数是由suspendCancellableCoroutine函数完成的，那么需要在lambda代码块中，收到调用resume函数去主动唤起协程。

2. suspendCancellableCoroutine是挂起函数的重点，这个函数才是挂起函数的实现成为可能。

3. 由于JobA恢复执行的dispatcher不变，所以JobA的lambda代码在挂起点前后所执行的线程池是一样的，如果是单线程的话，那么线程前后是一样的。而挂起点continuation本身的逻辑代码执行线程由挂起点自己决定。