Kotlin协程的基础与使用示例详解
一.协程概述
1.概念
协程是Coroutine的中文简称，co表示协同、协作，routine表示程序。协程可以理解为多个互相协作的程序。协程是轻量级的线程，它的轻量体现在启动和切换，协程的启动不需要申请额外的堆栈空间；协程的切换发生在用户态，而非内核态，避免了复杂的系统调用。
2.特点
1）更加轻量级，占用资源更少。
2）避免“回调地狱”，增加代码可读性。
3）协程的挂起不阻塞线程。
3.原理
Kotlin协程原理核心体现在“续体传递”与“状态机”两部分。
1）续体传递
续体传递是一种代码编写风格——续体传递风格(Continuation-Passing-Style)，简称为CPS。续体传递本质上是代码的回调与结果的传递。假设将顺序执行代码分成两部分，第一部分执行完成，返回一个结果(可能为空、一个对象引用、一个具体的值)。接着通过回调执行第二部分代码，并传入第一部分代码返回的结果，这种形式的代码编写风格就是续体传递风格。
具体地，假设要计算一个复杂的计算，正常情况会这样编写，代码如下：
fun calculate(a: Int, b: Int): Int = a + b
fun main() {
val result = calculate(1, 2)
Log.d("liduo",result)
}
把上面的代码改造成续体传递风格。首先，定义一个续体传递接口，代码如下：
interface Continuation {
fun next(result: Int)
}
对calculate方法进行改造，代码如下：
fun calculate(a: Int, b: Int, continuation: Continuation) =
continuation.next(a + b)
fun main() {
calculate(1, 2) { result ->
Log.d("liduo", result)
}
}
经过续体传递改造后，打印日志的操作被封装到了Continuation中，并且依赖计算操作的回调。如果continuation方法不回调执行参数continuation，打印日志的操作将永远不会被执行。
原本顺序执行一段代码(逻辑)，在经过一次续体改造后变成了两段代码(逻辑)。
2）状态机
协程的代码在经过Kotlin编译器处理时，会被优化成状态机模型。每段代码有三个状态：未执行、挂起、已恢复(完成)。处于未执行状态的代码可以被执行，执行过程中发生挂起，会进入挂起状态，从挂起中恢复或执行完毕会进入已恢复(完成)状态。当多个像这样的代码进行协作时，可以组合出更复杂的状态机。
二.协程基础
1.协程的上下文
协程上下文是一组可以附加到协程中的持久化用户定义对象，代码如下：
interface CoroutineContext {
// 重载"[]"操作
operator fun <E : Element> get(key: Key<E>): E?
// 单值归一化操作
fun <R> fold(initial: R, operation: (R, Element) -> R): R
// 重载 "+"操作
operator fun plus(context: CoroutineContext): CoroutineContext
// 获取当前指定key外的其他上下文
fun minusKey(key: Key<*>): CoroutineContext
interface Element : CoroutineContext {
val key: Key<*>
}
interface Key<E : Element>
}
Element接口继承自CoroutineContext接口，协程中的拦截器、调度器、异常处理器以及代表协程自身生命周期等重要的类，都实现了Element接口。
Element接口规定每个实现该接口的对象都要有一个独一无二的Key，以便在需要的时候可以在协程上下文中快速的找到。因此，协程上下文可以理解为是一个Element的索引集，一个结构介于Set和Map之间的索引集。
2.协程的作用域
协程作用域用于管理作用域内协程的生命周期，代码如下：
interface CoroutineScope {
// 作用域内启动协程的默认上下文
val coroutineContext: CoroutineContext
}
协程中提供了两个常用的方法来创建新的协程作用域，一个是coroutineScope方法，一个是supervisorScope方法，这两种方法创建的作用域中的上下文会自动继承父协程的上下文。除此之外，使用GlobalScope启动协程，也会为协程创建一个新的协程作用域，但协程作用域的上下文为空上下文。
当父协程被取消或发生异常时，会自动取消父协程所有的子协程。当子协程取消或发生异常时，在coroutineScope作用域下，会导致父协程取消；而在supervisorScope作用域下，则不会影响父协程。
协程的作用域只对父子协程有效，对子孙协程无效。例如：启动父协程，在supervisorScope作用域内启动子协程。当子协程在启动孙协程时，在不指定为supervisorScope作用域的情况下，默认为coroutineScope作用域。
3.协程调度器
协程调度器用于切换执行协程的线程。常见的调度器有以下4种：
- Dispatchers.Default：默认调度器。它使用JVM的共享线程池，该调度器的最大并发度是CPU的核心数，默认为2。
- Dispatchers.Unconfined：非受限调度器。该调度器不会限制代码在指定的线程上执行。即挂起函数后面的代码不会主动恢复到挂起之前的线程去执行，而是在执行挂起函数的线程上执行。
- Dispatchers.IO：IO调度器。它将阻塞的IO任务分流到一个共享的线程池中。该调度器和Dispatchers.Default共享线程。
- Dispatchers.Main：主线程调度器。一般用于操作与更新UI。
注意：Dispatchers.Default调度器和Dispatchers.IO 调度器分配的线程为守护线程。
4.协程的启动模式
协程共有以下四种启动模式：
- CoroutineStart.DEFAULT：立即执行协程，可以随时取消。
- CoroutineStart.LAZY：创建一个协程，但不执行，在用户需要时手动触发执行。
- CoroutineStart.ATOMIC：立即执行协程，但在协程执行前无法取消。目前处于试验阶段。
- CoroutineStart.UNDISPATCHED：立即在当前线程执行协程，直到遇到第一个挂起。目前处于试验阶段。
5.协程的生命周期
每个协程在创建后都会返回一个Job接口指向的对象，一个Job对象代表一个协程，用于控制生命周期，代码如下：
interface Job : CoroutineContext.Element {
...
// 三个状态标志
val isActive: Boolean
val isCompleted: Boolean
val isCancelled: Boolean
// 获取具体的取消异常
fun getCancellationException(): CancellationException
// 启动协程
fun start(): Boolean
// 取消协程
fun cancel(cause: CancellationException? = null)
...
// 等待协程执行结束
suspend fun join()
// 用于select语句
val onJoin: SelectClause0
// 用于注册协程执行结束的回调
fun invokeOnCompletion(handler: CompletionHandler): DisposableHandle
...
}
1）协程状态的转换
在DEFAULT、ATOMIC、UNDISPATCHED这三个模式下，启动协程会进入Active状态，而在LAZY模式下启动的协程会进入New状态，需要在手动调用start方法后进入Active状态。
Completing是一个内部状态，对外不可感知。
2）状态标识的变化
| State | [isActive] | [isCompleted] | [isCancelled] |
|---|---|---|---|
| New | false | false | false |
| Active | true | false | false |
| Completing | true | false | false |
| Cancelling | false | false | true |
| Cancelled | false | true | true |
| Completed | fasle | true | false |
三.协程使用
1.协程的启动
1）runBlocking方法
fun <T> runBlocking(context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext, block: suspend CoroutineScope.() -> T): T
该方法用于在非协程作用域环境中启动一个协程，并在这个协程中执行lambda表达式中的代码。同时，调用该方法会阻塞当前线程，直到lambda表达式执行完毕。该方法不应该在协程中被调用，该方法设计的目的是为了让suspend编写的代码可以在常规的阻塞代码中调用。如果不设置协程调度器，那么协程将在当前被阻塞的线程中执行。示例代码如下：
private fun main() {
// 不指定调度器，在方法调用的线程执行
runBlocking {
// 这里是协程的作用域
Log.d("liduo", "123")
}
}
private fun main() {
// 指定调度器，在IO线程中执行
runBlocking(Dispatchers.IO) {
// 这里是协程的作用域
Log.d("liduo", "123")
}
}
2）launch方法
fun CoroutineScope.launch(
context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
block: suspend CoroutineScope.() -> Unit
): Job
该方法用于在协程作用域中异步启动一个新的协程，调用该方法不会阻塞线程。示例代码如下：
private fun test() {
// 作用域为GlobalScope
// 懒启动，主线程执行
val job = GlobalScope.launch(
context = Dispatchers.Main,
start = CoroutineStart.LAZY) {
Log.d("liduo", "123")
}
// 启动协程
job.start()
}
3）async方法
fun <T> CoroutineScope.async(
context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
block: suspend CoroutineScope.() -> T
): Deferred<T>
该方法用于在协程作用域中中异步启动一个新的协程，调用该方法不会阻塞线程。async方法与launch方法的不同之处在于可以携带返回值。调用该方法会返回一个Deferred接口指向的对象，调用该对象可以获取协程执行的结果。同时，Deferred接口继承自Job接口，因此仍然可以操作协程的生命周期。示例代码如下：
// suspend标记
private suspend fun test(): Int {
// 作用域为GlobalScope，返回值为Int类型，，泛型可省略，自动推断
val deffer = GlobalScope.async<Int> {
Log.d("liduo", "123")
// 延时1s
delay(1000)
1
}
// 获取返回值
return deffer.await()
}
通过调用返回的Deferred接口指向对象的await方法可以获取返回值。在调用await方法时，如果协程执行完毕，则直接获取返回值。如果协程还在执行，则该方法会导致协程挂起，直到执行结束或发生异常。
4）suspend关键字
suspend关键字用于修饰一个方法(lambda表达式)。suspend修饰的方法称为suspend方法，表示方法在执行中可能发生挂起。为什么是可能呢？比如下面的代码虽然被suspend修饰，但实际并不会发生挂起：
private suspend fun test() {
Log.d("liduo", "123")
}
由于会发生挂起，因此suspend方法只能在协程中使用。suspend方法内部可以调用其他的suspend方法，也可以非suspend方法。但suspend方法只能被其他的suspend方法调用。
5）withContext方法
suspend fun <T> withContext(
context: CoroutineContext,
block: suspend CoroutineScope.() -> T
): T
该方法用于在当前协程的执行过程中，切换到调度器指定的线程去执行参数block中的代码，并返回一个结果。调用该方法可能会使当前协程挂起，并在方法执行结束时恢复挂起。示例代码如下：
private suspend fun test() {
// IO线程启动并执行，启动模式DEFAULT
GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) {
Log.d("liduo", "start")
// 线程主切换并挂起，泛型可省略，自动推断
val result = withContext<String>(Dispatchers.Main) {
// 网络请求
"json data"
}
// 切换回IO线程
Log.d("liduo", result)
}
}
6）suspend方法
inline fun <R> suspend(noinline block: suspend () -> R): suspend () -> R = block
该方法用于对挂起方法进行包裹，使挂起方法可以在非挂起方法中调用。该方法需要配合createCoroutine方法启动协程。示例代码如下：
// 返回包含当前的协程代码的续体
val continuation = suspend {
// 执行协程代码
// 泛型可以修改需要的类型
}.createCoroutine(object : Continuation<Any> {
override val context: CoroutineContext
get() = EmptyCoroutineContext + Dispatchers.Main
override fun resumeWith(result: Result<Any>) {
// 获取最终结果
}
})
// 执行续体内容
continuation.resume(Unit)
一般开发中不会通过该方法启动协程，但该方法可以更本质的展示协程的启动、恢复、挂起。
2.协程间通信
1）Channel
Channel用于协程间的通信。Channel本质上是一个并发安全的队列，类似BlockingQueue。在使用时，通过调用同一个Channel对象的send和receive方法实现通信，示例代码如下：
suspend fun main() {
// 创建
val channel = Channel<Int>()
val producer = GlobalScope.launch {
var i = 0
while (true){
// 发送
channel.send(i++)
delay(1000)
// channel不需要时要及时关闭
if(i == 10)
channel.close()
}
}
// 写法1:常规
val consumer = GlobalScope.launch {
while(true){
// 接收
val element = channel.receive()
Log.d("liduo", "$element")
}
}
// 写法2:迭代器
val consumer = GlobalScope.launch {
val iterator = channel.iterator()
while(iterator.hasNext()){
// 接收
val element = iterator.next()
Log.d("liduo", "$element")
}
}
// 写法3:增强for循环
val consumer = GlobalScope.launch {
for(element in channel){
Log.d("liduo", "$element")
}
}
// 上面的协程由于不是懒启动，因此创建完成直接就会start去执行
// 也就是说，代码走到这里，上面的两个协程已经开始工作
// join方法会挂起当前协程，而不是上面已经启动的两个协程
// 在Android环境中，下面两行代码可以不用添加
// producer.join()
// consumer.join()
}
上述例子是一个经典的生产者-消费者模型。在写法1中，由于send方法和receive方法被suspend关键字修饰，因此，在默认情况下，当生产速度与消费速度不匹配时，调用这两个方法会导致协程挂起。 除此之外，Channel支持使用迭代器进行接收。其中，hasNext方法也可能会导致协程挂起。
Channel对象在不使用时要及时关闭，可以由发送者关闭，也可以由接收者关闭，具体取决于业务场景。
2）Channel的容量
Channel方法不是Channel的构造方法，而是一个工厂方法，代码如下：
fun <E> Channel(capacity: Int = RENDEZVOUS): Channel<E> =
when (capacity) {
RENDEZVOUS -> RendezvousChannel()
UNLIMITED -> LinkedListChannel()
CONFLATED -> ConflatedChannel()
BUFFERED -> ArrayChannel(CHANNEL_DEFAULT_CAPACITY)
else -> ArrayChannel(capacity)
}
在创建Channel时可以指定容量：
- RENDEZVOUS：创建一个容量为0的Channel，类似于SynchronousQueue。send之后会挂起，直到被receive。枚举值为0。
- UNLIMITED：创建一个容量无限的Channel，内部通过链表实现。枚举值为Int.MAX_VALUE。
- CONFLATED：创建一个容量为1的Channel，当后一个的数据会覆盖前一个数据。枚举值为-1。
- BUFFERED：创建一个默认容量的Channel，默认容量为kotlinx.coroutines.channels.defaultBuffer配置变量指定的值，未配置情况下，默认为64。枚举值为-2。
- 如果capacity的值不为上述的枚举值，则创建一个指定容量的Channel。
3）produce方法与actor方法
fun <E> CoroutineScope.produce(
context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
capacity: Int = 0,
@BuilderInference block: suspend ProducerScope<E>.() -> Unit
): ReceiveChannel<E>
fun <E> CoroutineScope.actor(
context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
capacity: Int = 0,
start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
onCompletion: CompletionHandler? = null,
block: suspend ActorScope<E>.() -> Unit
): SendChannel<E>
与launch方法和async方法相同，使用produce方法与actor方法也可以启动协程。但不同的是，在produce方法与actor方法中可以更简洁的使用Channel。示例代码如下：
// 启动协程，返回一个接收Channel
val receiveChannel: ReceiveChannel<Int> = GlobalScope.produce {
while(true){
delay(100)
// 发送
send(1)
}
}
// 启动协程，返回一个发送Channel
val sendChannel: SendChannel<Int> = GlobalScope.actor<Int> {
while(true){
// 接收
val element = receive()
Log.d("liduo","$element")
}
}
produce方法与actor方法内部对Channel对象做了处理，当协程执行完毕，自动关闭Channel对象。
但目前，produce方法还处于试验阶段(被ExperimentalCoroutinesApi注解修饰)。而actor方法也已经过时(被ObsoleteCoroutinesApi注解修饰)。因此在实际开发中最好不要使用！
4）BroadcastChannel
当遇到一个发送者对应多个接收者的场景时，可以使用BroadcastChannel。代码如下：
fun <E> BroadcastChannel(capacity: Int): BroadcastChannel<E> =
when (capacity) {
0 -> throw IllegalArgumentException("Unsupported 0 capacity for BroadcastChannel")
UNLIMITED -> throw IllegalArgumentException("Unsupported UNLIMITED capacity for BroadcastChannel")
CONFLATED -> ConflatedBroadcastChannel()
BUFFERED -> ArrayBroadcastChannel(CHANNEL_DEFAULT_CAPACITY)
else -> ArrayBroadcastChannel(capacity)
}
创建BroadcastChannel对象时，必须指定容量大小。接收者通过调用BroadcastChannel对象的openSubscription方法，获取ReceiveChannel对象来接收消息。示例代码如下：
// 创建BroadcastChannel，容量为5
val broadcastChannel = BroadcastChannel<Int>(5)
// 创建发送者协程
GlobalScope.launch {
// 发送 1
broadcastChannel.send(1)
delay(100)
// 发送 2
broadcastChannel.send(2)
// 关闭
broadcastChannel.close()
}.join()
// 创建接收者1协程
GlobalScope.launch {
// 获取ReceiveChannel
val receiveChannel = broadcastChannel.openSubscription()
// 接收
for (element in receiveChannel) {
Log.d("receiver_1: ", "$element")
}
}.join()
// 创建接收者2协程
GlobalScope.launch {
// 获取ReceiveChannel
val receiveChannel = broadcastChannel.openSubscription()
// 接收
for (element in receiveChannel) {
Log.d("receiver_2: ", "$element")
}
}.join()
每个接收者都可以收到发送者发送的每一条消息。使用扩展方法broadcast可以直接将Channel对象转化为BroadcastChannel对象，示例代码如下：
val channel = Channel<Int>()
val broadcastChannel = channel.broadcast(10)
BroadcastChannel的很多方法也处于试验阶段(被ExperimentalCoroutinesApi注解修饰)，使用时需慎重！
3.多路复用
协程中提供了类似Java中Nio的select方法，用于多路复用，代码如下：
suspend inline fun <R> select(crossinline builder: SelectBuilder<R>.() -> Unit): R
以Channel的多路复用为例，具体看一下select方法的使用。示例代码如下：
private suspend fun test() {
// 创建一个Channel列表
val channelList = mutableListOf<Channel<Int>>()
// 假设其中有5个Channel
channelList.add(Channel())
channelList.add(Channel())
channelList.add(Channel())
channelList.add(Channel())
channelList.add(Channel())
// 调用select方法，协程挂起
val result = select<Int> {
// 对5个Channel进行注册监听，等待接收
channelList.forEach {
it.onReceive
}
}
// 当5个Channel中任意一个接收到消息时，select挂起恢复
// 并将返回值赋给result
Log.d("liduo", "$result")
}
除此之外，协程中还有很多接口定义了名字为"onXXX"的方法，比如Job接口的onJoin方法，Deferred接口的onAwait方法，都是用于配合select方法来进行多路复用。
4.序列生成器
协程中提供了sequence方法来生成序列。示例代码如下：
private suspend fun test() {
// 创建一个可以输出奇数的序列，泛型可省略，自动推断
val singleNumber = sequence<Int> {
val i = 0
while (true) {
// 在需要输出的地方调用yield方法
yield(2 * i - 1)
}
}
// 调用迭代器，获取序列的输出
singleNumber.iterator().forEach {
Log.d("liduo", "$it")
}
// 获取序列前五项，迭代输出
singleNumber.take(5).forEach {
Log.d("liduo", "$it")
}
}
调用yield方法会使协程挂起，同时输出这个序列当前生成的值。除此之外，也可以调用yieldAll方法来输出序列产生值的合集，示例代码如下：
private suspend fun test() {
// 创建一个可以输出奇数的序列，泛型可省略，自动推断
val singleNumber = sequence<Int> {
yieldAll(listOf(1,3,5,7))
yieldAll(listOf(9,11,13))
yieldAll(listOf(15,17))
}
// 调用迭代器，获取序列的输出，最多为9项
singleNumber.iterator().forEach {
Log.d("liduo", "$it")
}
// 获取序列前五项，迭代输出
singleNumber.take(5).forEach {
// 1，3，5，7，9
Log.d("liduo", "$it")
}
}
5.协程异步流
协程中提供了类似RxJava的响应式编程API——Flow(官方称为异步冷数据流，官方也提供了创建热数据流的方法)。
1）基础使用
// 在主线程上调用
GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) {
// 创建流
flow<Int> {
// 挂起，输出返回值
emit(1)
// 设置流执行的线程，并消费流
}.flowOn(Dispatchers.IO).collect {
Log.d("liduo", "$it")
}
}.join()
emit方法是一个挂起方法，类似sequence中的yield方法，用于输出返回值。flowOn方法等同于Rxjava中的subscribeOn方法，用于切换flow执行的线程。为了避免理解混淆，Flow中没有提供类似Rxjava中的observeOn方法，但可以通过指定流所在协程的上下文参数确定。collect方法等同于RxJava中的subscribe方法，用于触发和消费流。
一个流可以被多次消费，示例代码如下：
GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) {
val mFlow = flow<Int> {
emit(1)
}.flowOn(Dispatchers.Main)
mFlow.collect { Log.d("liduo1", "$it") }
mFlow.collect { Log.d("liduo2", "$it") }
}.join()
2）异常处理
Flow支持类似try-catch-finally的异常处理。示例代码如下：
flow<Int> {
emit(1)
// 抛出异常
throw NullPointerException()
}.catch { cause: Throwable ->
Log.d("liduo", "${cause.message}")
}.onCompletion { cause: Throwable? ->
Log.d("liduo", "${cause?.message}")
}
catch方法用于捕获异常。onCompletion方法等同于finally代码块。Kotlin不建议直接在flow中通过try-catch-finally代码块去捕获异常！
Flow中还提供了类似RxJava的onErrorReturn方法的操作，示例代码如下：
flow<Int> {
emit(1)
// 抛出异常
throw NullPointerException()
}.catch { cause: Throwable ->
Log.d("liduo", "${cause.message}")
emit(-1)
}
3）触发分离
Flow支持提前写好流的消费，在必要的时候再去触发消费的操作。示例代码如下：
// 创建Flow的方法
fun myFlow() = flow<Int> {
// 生产过程
emit(1)
}.onEach {
// 消费过程
Log.d("liduo", "$it")
}
suspend fun main() {
// 写法1
GlobalScope.launch {
// 触发消费
myFlow().collect()
}.join()
// 写法2
myFlow().launchIn(GlobalScope).join()
}
4）注意
- Flow中不提供取消collect的方法。如果要取消flow的执行，可以直接取消flow所在的协程。
- emit方法不是线程安全的，因此不要在flow中调用withContext等方法切换调度器。如果需要切换，可以使用channelFlow。
6.全局上下文
在本文中，启动协程使用的都是GlobalScope，但在实际开发过程中，不应该使用GlobalScope。GlobalScope会开启一个全新的协程作用域，并且不受我们控制。假设Activity页面关闭时，其中的协程还没有运行结束，并且我们还无法取消协程的执行，这时可能会导致内存泄漏。因此，在实际开发中，可以自定义一个全局的协程作用域，或者至少按照以下方法书写代码：
// 实现CoroutineScope接口
class MainActivity : AppCompatActivity(),CoroutineScope by MainScope() {
override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
super.onCreate(savedInstanceState)
setContentView(R.layout.activity_main)
// 直接启动协程
launch {
Log.d("liduo", "launch")
}
}
override fun onDestroy() {
super.onDestroy()
// 取消顶级父协程
cancel()
}
}
MainScope的代码如下：
public fun MainScope(): CoroutineScope = ContextScope(SupervisorJob() + Dispatchers.Main)
Dispatchers.Main表示在主线程调度，SupervisorJob()表示子协程取消不会影响父协程。
以上就是Kotlin协程的基础与使用示例详解的详细内容，更多关于Kotlin协程基础使用的资料请关注编程网其它相关文章！
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