Kotlin - 协程基础及原理，5分钟搞定_kotlin 协程

协程作用域：协程作用域主要用于明确协程之间的父子关系，以及对于取消或者异常处理等方面的传播行为。

协程作用域包括以下三种：

• 顶级作用域：没有父协程的协程所在的作用域为顶级作用域。

• 协同作用域：协程中启动新的协程，新协程为所在协程的子协程，这种情况下子协程所在的作用域默认为协同作用域。此时子协程抛出的未捕获异常将传递给父协程处理，父协程同时也会被取消。

• 主从作用域：与协程作用域在协程的父子关系上一致，区别在于处于该作用域下的协程出现未捕获的异常时不会将异常向上传递给父协程。

父子协程间的关系：

• 父协程被取消，则所有子协程均被取消。

• 父协程需要等待子协程执行完毕之后才会最终进入完成状态，不管父协程自身的协程体是否已经执行完毕。

• 子协程会继承父协程的协程上下文元素，如果自身有相同 key 的成员，则覆盖对应的 key，覆盖的效果仅限自身范围内有效。

声明顶级作用域：GlobalScope.launch {}、runBlocking {}

声明协同作用域：coroutineScope {}

声明主从作用域：supervisorScope {}

coroutineScope {} 和 supervisorScope {} 是挂起函数所以它们只能在协程作用域中或挂起函数中调用。

coroutineScope {} 和 supervisorScope {} 的区别在于 SupervisorCoroutine 重写了 childCancelled() 函数使异常不会向父协程传递。

协程并发

通过上文的介绍可以了解到协程其实就是执行在线程上的代码片段，所以线程的并发处理都可以用在协程上，比如 synchorinzed、CAS 等。而协程本身也提供了两种方式处理并发：

• Mutex：互斥锁；

• Semaphore：信号量。

Mutex

Mutex 类似于 synchorinzed，协程竞争时将协程包装为 LockWaiter 使用双向链表存储。Mutex 还提供了 withLock 扩展函数，以简化使用：

runBlocking {

val mutex = Mutex()

var counter = 0

repeat(10000) {

GlobalScope.launch {

mutex.withLock {

counter ++

}

}

}

Thread.sleep(500) //暂停一会儿等待所有协程执行结束

println(“The final count is $counter”)

}

Semaphore

Semaphore 用以限制访问特定资源的协程数量。

runBlocking {

val semaphore = Semaphore(1)

var counter = 0

repeat(10000) {

GlobalScope.launch {

semaphore.withPermit {

counter ++

}

}

}

Thread.sleep(500) //暂停一会儿等待所有协程执行结束

println(“The final count is $counter”)

}

注意：只有在 permits = 1 时才和 Mutex 功能相同。

源码分析

suspend

我们来看 suspend 修饰函数和修饰 lambda 的区别。

挂起函数：

suspend fun suspendFun() {

}

编译成 java 代码如下：

@Nullable

public final Object suspendFun(@NotNull Continuation $completion) {

return Unit.INSTANCE;

}

可以看到挂起函数其实隐藏着一个 Continuation 协程实例参数，而这个参数其实就来源于协程体或者其他挂起函数，因此挂起函数只能在协程体内或其他函数内调用了。

suspend 修饰 lambda 表达式：

suspend {}

// 反编译结果如下

Function1 var2 = (Function1)(new Function1((Continuation)null) {

int label;

@Nullable

public final Object invokeSuspend(@NotNull Object $result) {

switch(this.label) {

case 0:

return Unit.INSTANCE;

default:

}

}

@NotNull

public final Continuation create(@NotNull Continuation completion) {

Function1 var2 = new (completion);

return var2;

}

public final Object invoke(Object var1) {

return (()this.create((Continuation)var1)).invokeSuspend(Unit.INSTANCE);

}

});

suspend lambda 实际会被编译成 SuspendLambda 的子类。suspendLambda 的继承关系如下图：

通过反编译的代码可以发现我们在协程体内编写的代码最终是在 invokeSuspend 函数内执行的。而在 BaseContinuationImpl 内实现了 Continuation 协程接口的 resumeWidth 函数，并在其内调用了 invokeSuspend 函数。

suspend 关键字的介绍先到这里，接下来我们看协程是如何创建并运行的。

协程是如何被创建的

文件地址 kotlin.coroutines.Continuation.kt。

Continuation.kt 文件基本属于协程的基础核心了，搞懂了它也就相当于搞懂了协程的基础原理。

• 协程接口的定义；

• 唤醒或启动协程的函数；

• 四种创建协程的函数；

• 帮助获取协程内的协程实例对象的函数。

首先是协程的接口声明，非常简单：

/**

• 协程接口，T 表示在最后一个挂起点恢复时的返回值类型

*/

public interface Continuation {

/**

• 协程上下文

*/

public val context: CoroutineContext

/**

• 这个函数的功能有很多，它可以启动协程，也可以恢复挂点，还可以作为最后一次挂起点恢复时输出协程的结果

*/

public fun resumeWith(result: Result)

}

协程接口声明之后 Continuation.kt 文件提供了两个调用 resumeWith 函数的函数：

public inline fun Continuation.resume(value: T): Unit =

resumeWith(Result.success(value))

public inline fun Continuation.resumeWithException(exception: Throwable): Unit =

resumeWith(Result.failure(exception))

这两个函数除了传参一成功一失败，它们的功能是一模一样的，都是直接调用了 resumeWith 函数。相当于是 resumeWith 函数的封装。

再然后就是四种创建协程的方式了：

public fun (suspend () -> T).createCoroutine(

completion: Continuation

): Continuation =

SafeContinuation(createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted(), COROUTINE_SUSPENDED)

public fun <R, T> (suspend R.() -> T).createCoroutine(

receiver: R,

completion: Continuation

): Continuation =

SafeContinuation(createCoroutineUnintercepted(receiver, completion).intercepted(), COROUTINE_SUSPENDED)

public fun (suspend () -> T).startCoroutine(

completion: Continuation

) {

createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted().resume(Unit)

}

public fun <R, T> (suspend R.() -> T).startCoroutine(

receiver: R,

completion: Continuation

) {

createCoroutineUnintercepted(receiver, completion).intercepted().resume(Unit)

}

这四种方式可以说是相似度超高，createCoroutine 和 startCoroutine 最大的区别在于，通过 createCoroutine 创建的协程需要掉用 resume 函数启动，而 startCoroutine 函数内部已经默认调用了 resume 函数。那我们先用第一种方式创建一个协程：

// 创建协程

val continuation = suspend {

println(“In Coroutine”)

}.createCoroutine(object : Continuation {

override fun resumeWith(result: Result) {

println(result)

}

override val context = EmptyCoroutineContext

})

// 启动协程

continuation.resume(Unit)

调用 createCoroutine 函数创建协程时传入了 Continuation 协程的匿名类对象，诶？好像有点不对，为什么创建协程的时候要传一个协程实例进去，直接用不就成了。想知道为什么的话，那就需要看看 createCoroutine 到底做了什么操作了。

SafeContinuation(createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted(), COROUTINE_SUSPENDED)

首先调用的是 createCoroutineUnintercepted 函数，它的源码可以在 kotlin.coroutines.intrinsics.IntrinsicsJvm.kt 内找到：

public actual fun (suspend () -> T).createCoroutineUnintercepted(

completion: Continuation

): Continuation {

val probeCompletion = probeCoroutineCreated(completion)

return if (this is BaseContinuationImpl)

create(probeCompletion)

else

createCoroutineFromSuspendFunction(probeCompletion) {

(this as Function1<Continuation, Any?>).invoke(it)

}

}

probeCoroutineCreated 函数内直接将参数返回了，并且通过断点的方式，它的返回值和 completion 传参是一样的，所以这里先忽略它。

通过断点会发现 (this is BaseContinuationImpl) 判断的返回值是 true 这也就间接证明了上文中 suspend lambda 和 BaseContinuationImpl 的继承关系。最后返回的是 create(Continuation) 函数的返回值，这里可以发现作为参数传入的 Continuation 变量被 suspend lambda 包裹了一层，然后返回，相当于 suspend lambda 成为了 Continuation 的代理。

到这里 createCoroutineUnintercepted(completion) 的含义就搞明白了：

将object : Continuation<Unit> {} 创建的协程实例传入 suspend lambda，由其代理协程执行操作。

紧接着又调用了 intercepted 函数，intercepted 函数声明也在 IntrinsicsJvm.kt 文件内：

public actual fun Continuation.intercepted(): Continuation = (this as? ContinuationImpl)?.intercepted() ?: this

接着看 ContinuationImpl 的 intercepted 函数：

public fun intercepted(): Continuation<Any?> =

intercepted

?: (context[ContinuationInterceptor]?.interceptContinuation(this) ?: this)

.also { intercepted = it }

其中 context[ContinuationInterceptor]?.interceptContinuation(this) 这句代码涉及到协程拦截器的概念，下文会详细分析。这里可以先简单介绍一下，协程拦截器和协程其实也是代理的关系。所以 intercepted() 可以理解为如果协程上下文中添加了协程拦截器，那么就返回协程拦截器，不然就返回 suspend lambda 实例本身，而它们都实现了 Continuation 接口。

先做一个小结，通过上文的介绍基本就清楚了，createCoroutine、startCoroutine 函数其实不是用来创建协程的，协程实例就是它们的传参，它们是为协程添加代理的。

createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted()

通过上面的代码，为协程添加了代理，分别是 suspend lambda 和协程拦截器。这时候通过协程实例调用 resumeWith 函数时会先执行两层代理内实现的 resumeWith 函数逻辑，最终才会执行到协程的 resumeWith 函数输出最终结果。

在 createCoroutine 函数内，在添加两层代理之后又添加了一层代理，SafeContinuation。SafeContinuation 内部使用协程的三种状态，并配合 CAS 操作，保证当前返回的 SafeContinuation 实例对象仅能调用一次 resumeWith 函数，多次调用会报错。

• UNDECIDED：初始状态

• COROUTINE_SUSPENDED：挂起状态

• RESUMED：恢复状态

协程是如何被挂起又是如何被恢复的

那为什么协程要这么做，很麻烦不是？要弄清楚这个问题先来看 BaseContinuationImpl 的 resumeWith 函数实现吧。

public final override fun resumeWith(result: Result<Any?>) {

var current = this

var param = result

while (true) {

probeCoroutineResumed(current)

with(current) {

val completion = completion!!

val outcome: Result<Any?> =

try {

val outcome = invokeSuspend(param)

if (outcome === COROUTINE_SUSPENDED) return

Result.success(outcome)

} catch (exception: Throwable) {

Result.failure(exception)

}

releaseIntercepted() // this state machine instance is terminating

if (completion is BaseContinuationImpl) {

current = completion

param = outcome

} else {

// top-level completion reached – invoke and return

completion.resumeWith(outcome)

return

}

}

}

}

当调用 resume(Unit) 启动协程时，由于代理的存在会调用到 BaseContinuationImpl 的 resumeWith() 函数，函数内会执行 invokeSuspend() 函数，也就说我们所说的协程体。

查看如下代码的 invokeSuspend 函数：

suspend {5}

// 反编译后的 invokeSuspend 函数

public final Object invokeSuspend(@NotNull Object $result) {

Object var2 = IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED();

switch(this.label) {

case 0:

ResultKt.throwOnFailure($result);

return Boxing.boxInt(5);

default:

throw new IllegalStateException(“call to ‘resume’ before ‘invoke’ with coroutine”);

}

}

可以看到这里直接返回了最终的结果 5，接着在 ContinuationImpl.resumeWith 函数内最终调用

completion.resumeWith(outcome)

输出协程的最终结果。

这是协程执行同步代码的过程，可以看到在整个过程中，ContinuationImpl 好像并没有起到什么作用，那接着来看在协程体内执行异步代码：

suspend {

suspendFunc()

}

suspend fun suspendFunc() = suspendCoroutine { continuation ->

thread {

Thread.sleep(1000)

continuation.resume(5)

}

}

// 反编译后

public final Object invokeSuspend(@NotNull Object $result) {

Object var2 = IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED();

Object var10000;

switch(this.label) {

case 0:

ResultKt.throwOnFailure($result);

this.label = 1;

var10000 = DeepKotlin3Kt.suspendFunc(this);

if (var10000 == var2) {

return var2;

}

break;

case 1:

ResultKt.throwOnFailure($result);

var10000 = $result;

break;

default:

throw new IllegalStateException(“call to ‘resume’ before ‘invoke’ with coroutine”);

}

return var10000;

}

public static final Object suspendFunc(@NotNull Continuation $completion) {

boolean var1 = false;

boolean var2 = false;

boolean var3 = false;

SafeContinuation var4 = new SafeContinuation(IntrinsicsKt.intercepted($completion));

Continuation continuation = (Continuation)var4;

int var6 = false;

ThreadsKt.thread$default(false,false,(ClassLoader)null,(String)null,0,(Function0)(newDeepKotlin3Kt$suspendFunc02$2$1(continuation)), 31, (Object)null);

Object var10000 = var4.getOrThrow();

if (var10000 == IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED()) {

DebugProbesKt.probeCoroutineSuspended($completion);

}

return var10000;

}

resume 函数启动协程，invokeSuspend 函数第一次执行时 this.label == 0 执行 case 0 代码，this.label 变量赋值为 1, 然后判断如果 if (var10000 == var2) 为 true 那么 invokeSuspend 函数返回 var2，也就是 COROUTINE_SUSPENDED 标识，在 resumeWith 函数内，判断如果 invokeSuspend 函数的返回值为 COROUTINE_SUSPENDED 则 reture。这也就是协程的挂起过程。

当线程执行结束，调用 resume 函数恢复协程时再次执行到 invokeSuspend 函数，这时 this.label == 1，执行 case 1 代码，直接返回结果 5。那在 resumeWith 函数内，这时就不会执行 return 了，最终会调用协程的 resumeWith 函数输出最终的结果，这也就是协程的恢复过程。

通过了解协程运行流程可以发现 ContinuationImpl 其实是协程挂起和恢复逻辑的真正执行者。也正是因为协程挂起和恢复逻辑的存在，所以我们可以像编写同步代码一样调用异步代码：

suspend {

println(“Coroutine start”)

println(“Coroutine: ${System.currentTimeMillis()}”)

val resultFun = suspendThreadFun()

println(“Coroutine: suspendThreadFun-$resultFun-${System.currentTimeMillis()}”)

val result = suspendNoThreadFun()

println(“Coroutine: suspendNoThreadFun-$result-${System.currentTimeMillis()}”)

}.startCoroutine(object : Continuation {

override val context = EmptyCoroutineContext

override fun resumeWith(result: Result) {

println(“Coroutine End: $result”)

}

})

suspend fun suspendThreadFun() = suspendCoroutine { continuation ->

thread {

Thread.sleep(1000)

continuation.resumeWith(Result.success(5))

}

}

suspend fun suspendNoThreadFun() = suspendCoroutine { continuation ->

continuation.resume(5)

}

//输出：

Coroutine start

Coroutine: 1627014868152

Coroutine: suspendThreadFun-5-1627014869182

Coroutine: suspendNoThreadFun-5-1627014869186

Coroutine End: Success(kotlin.Unit)

创建协程作用域

在通过 createCoroutine 创建协程时，你会发现还可为它传递 receiver 参数，这个参数的作用是用于扩展协程体，一般称其为 协程作用域。

public fun <R, T> (suspend R.() -> T).createCoroutine(

receiver: R,

completion: Continuation

): Continuation =

SafeContinuation(createCoroutineUnintercepted(receiver, completion).intercepted(), COROUTINE_SUSPENDED)

可以看到 suspend lambda 表达式也出现了变化。我们知道 () -> T 是 Function0 的 lambda 表达式，R.() -> T 相当于 R 类的 () -> T 扩展。如果了解扩展函数的话就知道扩展函数会将所扩展的类作为其参数，那么 R.() -> T 也就是 Function1 的 lambda 表达式了。

当然由于 suspend 关键字的作用，又增加了 Continuation 参数，所以最终看到的就是 Function1 和 Function2。

因为扩展函数的作用，所以可以在协程体内通过 this (可隐藏)调用 receiver 的函数或者属性。示例如下：

launchCoroutine(ProducerScope()) {

produce(1000)

}

fun <R, T> launchCoroutine(receiver: R, block: suspend R.() -> T) {

block.startCoroutine(receiver, object : Continuation {

override val context = EmptyCoroutineContext

override fun resumeWith(result: Result) {

println(“Coroutine End: $result”)

}

})

}

class ProducerScope {

fun produce(value: T) {

println(value)

}

}

GlobalScope.launch 源码分析

了解上文创建协程的逻辑之后再来分析 GlobalScope.launch 就非常简单了。GlobalScope.launch 最终会执行到 CoroutineStart.invoke 函数：

AbstractCoroutine.kt

public fun start(start: CoroutineStart, receiver: R, block: suspend R.() -> T) {

initParentJob()

start(block, receiver, this)

}

CoroutineStart.kt

public operator fun <R, T> invoke(block: suspend R.() -> T, receiver: R, completion: Continuation): Unit =

when (this) {

DEFAULT -> block.startCoroutineCancellable(receiver, completion)

ATOMIC -> block.startCoroutine(receiver, completion)

UNDISPATCHED -> block.startCoroutineUndispatched(receiver, completion)

LAZY -> Unit // will start lazily

}

代码基本跟上文分析的一致。

自定义协程上下文

协程上下文在协程中的作用非常大，有它在相当于协程有了装备卡槽一样。你可以将你想添加的上下文对象合并到 CoroutineContext 参数上，然后在其他地方使用。

CoroutineContext 的数据结构有如下特点：

• 可以通过 [] 以类似 List 的方式访问任何一个协程上下文对象，[] 内是目标协程上下文。

• 协程上下文可以通过 + 的方式依次累加，当然 += 也是可用的。

我们来自定义一个协程上下文给协程添加一个名字：

public data class CoroutineName(val name: String) : AbstractCoroutineContextElement(CoroutineName) {

public companion object Key : CoroutineContext.Key

override fun toString(): String = “CoroutineName($name)”

}

应用到示例中：

var coroutineContext: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext

coroutineContext += CoroutineName(“c0-01”)

suspend {

println(“Run Coroutine”)

}.startCoroutine(object : Continuation {

override fun resumeWith(result: Result) {

println(“${context[CoroutineName]?.name}”)

}

override val context = coroutineContext

})

//输出：

Run Coroutine

c0-01

其实协程已经为我们提供了 CoroutineName 实现。

自定义协程拦截器

通过实现拦截器接口 ContinuationInterceptor 来定义拦截器，因为拦截器也是协程上下文的一类实现，所以使用拦截器时将其添加到对应的协程上下文中即可。

声明一个日志拦截器：

class LogInterceptor : ContinuationInterceptor {

override val key = ContinuationInterceptor

override fun interceptContinuation(continuation: Continuation) = LogContinuation(continuation)

}

class LogContinuation(private val continuation: Continuation) : Continuation by continuation {

override fun resumeWith(result: Result) {

println(“before resumeWith: $result”)

continuation.resumeWith(result)

println(“after resumeWith”)

}

}

拦截器的关键拦截函数是 interceptContinuation，可以根据需要返回一个新的 Continuation 实例。

在协程生命周期内每次恢复调用都会触发拦截器。恢复调用有如下两种情况：

• 协程启动时调用一次，通过恢复调用来开始执行协程体从开始到下一次挂起之间的逻辑。

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字节高级Android经典面试题和答案

ContinuationInterceptor

override fun interceptContinuation(continuation: Continuation) = LogContinuation(continuation)

}

class LogContinuation(private val continuation: Continuation) : Continuation by continuation {

override fun resumeWith(result: Result) {

println(“before resumeWith: $result”)

continuation.resumeWith(result)

println(“after resumeWith”)

}

}

拦截器的关键拦截函数是 interceptContinuation，可以根据需要返回一个新的 Continuation 实例。

在协程生命周期内每次恢复调用都会触发拦截器。恢复调用有如下两种情况：

• 协程启动时调用一次，通过恢复调用来开始执行协程体从开始到下一次挂起之间的逻辑。

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