gitbook/朱涛 · Kotlin编程第一课/docs/500420.md

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2022-09-03 22:05:03 +08:00
# 29 | Dispatchers是如何工作的
你好我是朱涛。今天我们来分析Kotlin协程当中的Dispatchers。
上节课里我们分析了launch的源代码从中我们知道Kotlin的launch会调用startCoroutineCancellable()接着又会调用createCoroutineUnintercepted()最终会调用编译器帮我们生成SuspendLambda实现类当中的create()方法。这样,协程就创建出来了。不过,协程是创建出来了,可它是如何运行的呢?
另外我们也都知道协程无法脱离线程运行Kotlin当中所有的协程最终都是运行在线程之上的。**那么,协程创建出来以后,它又是如何跟线程产生关联的?**这节课我们将进一步分析launch的启动流程去发掘上节课我们忽略掉的代码分支。
我相信,经过这节课的学习,你会对协程与线程之间的关系有一个更加透彻的认识。
## Dispatchers
在上节课里我们学习过launch{}本质上是调用了startCoroutineCancellable()当中的createCoroutineUnintercepted()方法创建了协程。
```plain
// 代码段1
public fun <T> (suspend () -> T).startCoroutineCancellable(completion: Continuation<T>): Unit = runSafely(completion) {
// 注意这里
// ↓
createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted().resumeCancellableWith(Result.success(Unit))
}
```
那么下面我们就接着上节课的流程继续分析createCoroutineUnintercepted(completion)之后的 **intercepted()方法**
不过在正式分析intercepted()之前我们还需要弄清楚Dispatchers、CoroutineDispatcher、ContinuationInterceptor、CoroutineContext之间的关系。
```plain
// 代码段2
public actual object Dispatchers {
public actual val Default: CoroutineDispatcher = DefaultScheduler
public actual val Main: MainCoroutineDispatcher get() = MainDispatcherLoader.dispatcher
public actual val Unconfined: CoroutineDispatcher = kotlinx.coroutines.Unconfined
public val IO: CoroutineDispatcher = DefaultIoScheduler
public fun shutdown() { }
}
public abstract class CoroutineDispatcher :
AbstractCoroutineContextElement(ContinuationInterceptor), ContinuationInterceptor {}
public interface ContinuationInterceptor : CoroutineContext.Element {}
public interface Element : CoroutineContext {}
```
在[第17讲](https://time.geekbang.org/column/article/488571)当中我们曾经分析过它们之间的继承关系。Dispatchers是一个单例对象它当中的Default、Main、Unconfined、IO类型都是CoroutineDispatcher而它本身就是CoroutineContext。所以它们之间的关系就可以用下面这个图来描述。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/2c/d1/2cf4c3c45b6f6838e5fyy16a4fce02d1.jpg?wh=2000x1125)
让我们结合这张图,来看看下面这段代码:
```plain
// 代码段3
fun main() {
testLaunch()
Thread.sleep(2000L)
}
private fun testLaunch() {
val scope = CoroutineScope(Job())
scope.launch{
logX("Hello!")
delay(1000L)
logX("World!")
}
}
/**
* 控制台输出带协程信息的log
*/
fun logX(any: Any?) {
println(
"""
================================
$any
Thread:${Thread.currentThread().name}
================================""".trimIndent()
)
}
/*
输出结果
================================
Hello!
Thread:DefaultDispatcher-worker-1 @coroutine#1
================================
================================
World!
Thread:DefaultDispatcher-worker-1 @coroutine#1
================================
*/
```
在这段代码中我们没有为launch()传入任何CoroutineContext参数但通过执行结果我们发现协程代码居然执行在DefaultDispatcher并没有运行在main线程之上。这是为什么呢
我们可以回过头来分析下launch的源代码去看看上节课中我们刻意忽略的地方。
```plain
// 代码段4
public fun CoroutineScope.launch(
context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
block: suspend CoroutineScope.() -> Unit
): Job {
// 1
val newContext = newCoroutineContext(context)
val coroutine = if (start.isLazy)
LazyStandaloneCoroutine(newContext, block) else
StandaloneCoroutine(newContext, active = true)
coroutine.start(start, coroutine, block)
return coroutine
}
```
首先请留意launch的第一个参数context它的默认值是EmptyCoroutineContext。在第17讲里我曾提到过CoroutineContext就相当于Map而EmptyCoroutineContext则相当于一个空的Map。所以我们可以认为这里的EmptyCoroutineContext传了也相当于没有传它的目的只是为了让context参数不为空而已。**这其实也体现出了Kotlin的空安全思维Kotlin官方用EmptyCoroutineContext替代了null。**
接着请留意上面代码的注释1这行代码会调用newCoroutineContext(context)将传入的context参数重新包装一下然后返回。让我们看看它具体的逻辑
```plain
// 代码段5
public actual fun CoroutineScope.newCoroutineContext(context: CoroutineContext): CoroutineContext {
// 1
val combined = coroutineContext.foldCopiesForChildCoroutine() + context
// 2
val debug = if (DEBUG) combined + CoroutineId(COROUTINE_ID.incrementAndGet()) else combined
// 3
return if (combined !== Dispatchers.Default && combined[ContinuationInterceptor] == null)
debug + Dispatchers.Default else debug
}
```
这段代码一共有三个注释,我们来分析一下:
* 注释1由于newCoroutineContext()是CoroutineScope的扩展函数因此我们可以直接访问CoroutineScope的coroutineContext对象它其实就是CoroutineScope对应的上下文。foldCopiesForChildCoroutine()的作用其实就是将CoroutineScope当中的所有上下文元素都拷贝出来然后跟传入的context参数进行合并。**这行代码,可以让子协程继承父协程的上下文元素。**
* 注释2它的作用是在调试模式下为我们的协程对象增加唯一的ID。我们在代码段3的输出结果中看到的“@coroutine#1”其中的数字“1”就是在这个阶段生成的。
* 注释3如果合并过后的combined当中没有CoroutineDispatcher那么就会默认使用Dispatchers.Default。
看到这里你也许会有一个疑问为什么协程默认的线程池是Dispatchers.Default而不是Main呢答案其实也很简单因为Kotlin协程是支持多平台的**Main线程只在UI编程平台才有可用**。因此当我们的协程没有指定Dispatcher的时候就只能使用Dispatchers.Default了。毕竟协程是无法脱离线程执行的。
那么现在代码段3当中的协程执行在Dispatchers.Default的原因也就找到了由于我们定义的scope没有指定Dispatcher同时launch的参数也没有传入Dispatcher最终在newCoroutineContext()的时候会被默认指定为Default线程池。
有了前面的基础以后接下来我们就可以开始intercepted()的逻辑了。
## CoroutineDispatcher拦截器
让我们回到课程开头提到过的startCoroutineCancellable()方法的源代码其中的createCoroutineUnintercepted()方法,我们在上节课已经分析过了,它的返回值类型就是Continuation。而**intercepted()方法其实就是Continuation的扩展函数**。
```plain
// 代码段6
public fun <T> (suspend () -> T).startCoroutineCancellable(completion: Continuation<T>): Unit = runSafely(completion) {
// 注意这里
// ↓
createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted().resumeCancellableWith(Result.success(Unit))
}
public actual fun <T> Continuation<T>.intercepted(): Continuation<T> =
(this as? ContinuationImpl)?.intercepted() ?: this
internal abstract class ContinuationImpl(
completion: Continuation<Any?>?,
private val _context: CoroutineContext?
) : BaseContinuationImpl(completion) {
constructor(completion: Continuation<Any?>?) : this(completion, completion?.context)
@Transient
private var intercepted: Continuation<Any?>? = null
// 1
public fun intercepted(): Continuation<Any?> =
intercepted
?: (context[ContinuationInterceptor]?.interceptContinuation(this) ?: this)
.also { intercepted = it }
}
```
从上面的代码中我们可以看到startCoroutineCancellable()当中的intercepted()最终会调用BaseContinuationImpl的intercepted()方法。
这里请你留意代码中我标记出的注释intercepted()方法首先会判断它的成员变量 **intercepted是否为空**如果为空就会调用context\[ContinuationInterceptor\]获取上下文当中的Dispatcher对象。以代码段3当中的逻辑为例这时候的Dispatcher肯定是Default线程池。
然后如果我们继续跟进interceptContinuation(this)方法的话会发现程序最终会调用CoroutineDispatcher的interceptContinuation()方法。
```plain
// 代码段7
public abstract class CoroutineDispatcher :
AbstractCoroutineContextElement(ContinuationInterceptor), ContinuationInterceptor {
// 1
public final override fun <T> interceptContinuation(continuation: Continuation<T>): Continuation<T> =
DispatchedContinuation(this, continuation)
}
```
同样留意下这里的注释1interceptContinuation()直接返回了一个DispatchedContinuation对象并且将this、continuation作为参数传了进去。这里的this其实就是Dispatchers.Default。
所以如果我们把startCoroutineCancellable()改写一下,它实际上会变成下面这样:
```plain
// 代码段8
public fun <T> (suspend () -> T).startCoroutineCancellable(completion: Continuation<T>): Unit = runSafely(completion) {
createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted().resumeCancellableWith(Result.success(Unit))
}
// 等价
// ↓
public fun <T> (suspend () -> T).startCoroutineCancellable(completion: Continuation<T>): Unit = runSafely(completion) {
// 1
val continuation = createCoroutineUnintercepted(completion)
// 2
val dispatchedContinuation = continuation.intercepted()
// 3
dispatchedContinuation.resumeCancellableWith(Result.success(Unit))
}
```
在上面的代码中注释12我们都已经分析完了现在只剩下注释3了。这里的resumeCancellableWith(),其实就是真正将协程任务分发到线程上的逻辑。让我们继续跟进分析源代码:
```plain
// 代码段9
internal class DispatchedContinuation<in T>(
@JvmField val dispatcher: CoroutineDispatcher,
@JvmField val continuation: Continuation<T>
) : DispatchedTask<T>(MODE_UNINITIALIZED), CoroutineStackFrame, Continuation<T> by continuation {
inline fun resumeCancellableWith(
result: Result<T>,
noinline onCancellation: ((cause: Throwable) -> Unit)?
) {
// 省略,留到后面分析
}
}
```
也就是DispatchedContinuation是实现了Continuation接口同时它使用了“类委托”的语法将接口的具体实现委托给了它的成员属性continuation。通过之前代码段7的分析我们知道它的成员属性 **dispatcher对应的就是Dispatcher.Default**,而成员属性 **continuation对应的则是launch当中传入的SuspendLambda实现类**
另外DispatchedContinuation还继承自DispatchedTask我们来看看DispatchedTask到底是什么。
```plain
internal abstract class DispatchedTask<in T>(
@JvmField public var resumeMode: Int
) : SchedulerTask() {
}
internal actual typealias SchedulerTask = Task
internal abstract class Task(
@JvmField var submissionTime: Long,
@JvmField var taskContext: TaskContext
) : Runnable {
constructor() : this(0, NonBlockingContext)
inline val mode: Int get() = taskContext.taskMode // TASK_XXX
}
```
可以看到DispatchedContinuation继承自DispatchedTask而它则是SchedulerTask的子类SchedulerTask是Task的类型别名而Task实现了Runnable接口。因此**DispatchedContinuation不仅是一个Continuation同时还是一个Runnable。**
那么既然它是Runnable也就意味着它可以被分发到Java的线程当中去执行了。所以接下来我们就来看看resumeCancellableWith()当中具体的逻辑:
```plain
// 代码段9
internal class DispatchedContinuation<in T>(
@JvmField val dispatcher: CoroutineDispatcher,
@JvmField val continuation: Continuation<T>
) : DispatchedTask<T>(MODE_UNINITIALIZED), CoroutineStackFrame, Continuation<T> by continuation {
inline fun resumeCancellableWith(
result: Result<T>,
noinline onCancellation: ((cause: Throwable) -> Unit)?
) {
val state = result.toState(onCancellation)
// 1
if (dispatcher.isDispatchNeeded(context)) {
_state = state
resumeMode = MODE_CANCELLABLE
// 2
dispatcher.dispatch(context, this)
} else {
// 3
executeUnconfined(state, MODE_CANCELLABLE) {
if (!resumeCancelled(state)) {
resumeUndispatchedWith(result)
}
}
}
}
}
public abstract class CoroutineDispatcher :
AbstractCoroutineContextElement(ContinuationInterceptor), ContinuationInterceptor {
// 默认是true
public open fun isDispatchNeeded(context: CoroutineContext): Boolean = true
public abstract fun dispatch(context: CoroutineContext, block: Runnable)
}
internal object Unconfined : CoroutineDispatcher() {
// 只有Unconfined会重写成false
override fun isDispatchNeeded(context: CoroutineContext): Boolean = false
}
```
这段代码里也有三个注释,我们来分析一下:
* 注释1dispatcher.isDispatchNeeded()通过查看CoroutineDispatcher的源代码我们发现它的返回值始终都是true。在它的子类当中只有Dispatchers.Unconfined会将其重写成false。这也就意味着除了Unconfined以外其他的Dispatcher都会返回true。对于我们代码段3当中的代码而言我们的Dispatcher是默认的Default所以代码将会进入注释2对应的分支。
* 注释2dispatcher.dispatch(context, this)这里其实就相当于将代码的执行流程分发到Default线程池。dispatch()的第二个参数要求是Runnable这里我们传入的是this这是因为DispatchedContinuation本身就间接实现了Runnable接口。
* 注释3executeUnconfined{}它其实就对应着Dispather是Unconfined的情况这时候协程的执行不会被分发到别的线程而是直接在当前线程执行。
接下来让我们继续沿着注释2进行分析这里的dispatcher.dispatch()其实就相当于调用了Dispatchers.Default.dispatch()。让我们看看它的逻辑:
```plain
public actual object Dispatchers {
@JvmStatic
public actual val Default: CoroutineDispatcher = DefaultScheduler
}
internal object DefaultScheduler : SchedulerCoroutineDispatcher(
CORE_POOL_SIZE, MAX_POOL_SIZE,
IDLE_WORKER_KEEP_ALIVE_NS, DEFAULT_SCHEDULER_NAME
) {}
```
那么,从上面的代码中,我们可以看到,**Dispatchers.Default本质上是一个单例对象DefaultScheduler**它是SchedulerCoroutineDispatcher的子类。
我们也来看看SchedulerCoroutineDispatcher的源代码
```plain
internal open class SchedulerCoroutineDispatcher(
private val corePoolSize: Int = CORE_POOL_SIZE,
private val maxPoolSize: Int = MAX_POOL_SIZE,
private val idleWorkerKeepAliveNs: Long = IDLE_WORKER_KEEP_ALIVE_NS,
private val schedulerName: String = "CoroutineScheduler",
) : ExecutorCoroutineDispatcher() {
private var coroutineScheduler = createScheduler()
override fun dispatch(context: CoroutineContext, block: Runnable): Unit = coroutineScheduler.dispatch(block)
}
```
根据以上代码我们可以看到Dispatchers.Default.dispatch()最终会调用SchedulerCoroutineDispatcher的dispatch()方法而它实际上调用的是coroutineScheduler.dispatch()。
这里我们同样再来看看CoroutineScheduler的源代码
```plain
internal class CoroutineScheduler(
@JvmField val corePoolSize: Int,
@JvmField val maxPoolSize: Int,
@JvmField val idleWorkerKeepAliveNs: Long = IDLE_WORKER_KEEP_ALIVE_NS,
@JvmField val schedulerName: String = DEFAULT_SCHEDULER_NAME
) : Executor, Closeable {
override fun execute(command: Runnable) = dispatch(command)
fun dispatch(block: Runnable, taskContext: TaskContext = NonBlockingContext, tailDispatch: Boolean = false) {
trackTask()
// 1
val task = createTask(block, taskContext)
// 2
val currentWorker = currentWorker()
// 3
val notAdded = currentWorker.submitToLocalQueue(task, tailDispatch)
if (notAdded != null) {
if (!addToGlobalQueue(notAdded)) {
throw RejectedExecutionException("$schedulerName was terminated")
}
}
val skipUnpark = tailDispatch && currentWorker != null
if (task.mode == TASK_NON_BLOCKING) {
if (skipUnpark) return
signalCpuWork()
} else {
signalBlockingWork(skipUnpark = skipUnpark)
}
}
private fun currentWorker(): Worker? = (Thread.currentThread() as? Worker)?.takeIf { it.scheduler == this }
// 内部类 Worker
internal inner class Worker private constructor() : Thread() {
}
}
```
你发现了吗CoroutineScheduler其实是Java并发包下的Executor的子类它的execute()方法也被转发到了dispatch()。
上面的代码里也有三个注释,我们分别来看看:
* 注释1将传入的Runnable类型的block也就是DispatchedContinuation包装成Task。
* 注释2currentWorker()拿到当前执行的线程。这里的Worker其实是一个内部类它本质上仍然是Java的Thread。
* 注释3currentWorker.submitToLocalQueue()将当前的Task添加到Worker线程的本地队列等待执行。
那么接下来我们就来分析下Worker是如何执行Task的。
```plain
internal inner class Worker private constructor() : Thread() {
override fun run() = runWorker()
@JvmField
var mayHaveLocalTasks = false
private fun runWorker() {
var rescanned = false
while (!isTerminated && state != WorkerState.TERMINATED) {
// 1
val task = findTask(mayHaveLocalTasks)
if (task != null) {
rescanned = false
minDelayUntilStealableTaskNs = 0L
// 2
executeTask(task)
continue
} else {
mayHaveLocalTasks = false
}
if (minDelayUntilStealableTaskNs != 0L) {
if (!rescanned) {
rescanned = true
} else {
rescanned = false
tryReleaseCpu(WorkerState.PARKING)
interrupted()
LockSupport.parkNanos(minDelayUntilStealableTaskNs)
minDelayUntilStealableTaskNs = 0L
}
continue
}
tryPark()
}
tryReleaseCpu(WorkerState.TERMINATED)
}
}
```
实际上Worker会重写Thread的run()方法然后把执行流程交给runWorker(),以上代码里有两个关键的地方,我也用注释标记了。
* 注释1在while循环当中会一直尝试从Worker的本地队列取Task出来如果存在需要执行的Task就会进入下一步。
* 注释2executeTask(task)其实就是执行对应的Task。
而接下来的逻辑,就是**最关键的部分**了:
```plain
internal inner class Worker private constructor() : Thread() {
private fun executeTask(task: Task) {
val taskMode = task.mode
idleReset(taskMode)
beforeTask(taskMode)
// 1
runSafely(task)
afterTask(taskMode)
}
}
fun runSafely(task: Task) {
try {
// 2
task.run()
} catch (e: Throwable) {
val thread = Thread.currentThread()
thread.uncaughtExceptionHandler.uncaughtException(thread, e)
} finally {
unTrackTask()
}
}
internal abstract class Task(
@JvmField var submissionTime: Long,
@JvmField var taskContext: TaskContext
) : Runnable {
constructor() : this(0, NonBlockingContext)
inline val mode: Int get() = taskContext.taskMode // TASK_XXX
}
```
在Worker的executeTask()方法当中会调用runSafely()方法而在这个方法当中最终会调用task.run()。前面我们就提到过 **Task本质上就是Runnable而Runnable.run()其实就代表了我们的协程任务真正执行了!**
那么task.run()具体执行的代码是什么呢?其实它是执行的 **DispatchedTask.run()**。这里的DispatchedTask实际上是DispatchedContinuation的父类。
```plain
internal class DispatchedContinuation<in T>(
@JvmField val dispatcher: CoroutineDispatcher,
@JvmField val continuation: Continuation<T>
) : DispatchedTask<T>(MODE_UNINITIALIZED), CoroutineStackFrame, Continuation<T> by continuation {
public final override fun run() {
val taskContext = this.taskContext
var fatalException: Throwable? = null
try {
val delegate = delegate as DispatchedContinuation<T>
val continuation = delegate.continuation
withContinuationContext(continuation, delegate.countOrElement) {
val context = continuation.context
val state = takeState()
val exception = getExceptionalResult(state)
val job = if (exception == null && resumeMode.isCancellableMode) context[Job] else null
if (job != null && !job.isActive) {
// 1
val cause = job.getCancellationException()
cancelCompletedResult(state, cause)
continuation.resumeWithStackTrace(cause)
} else {
if (exception != null) {
// 2
continuation.resumeWithException(exception)
} else {
// 3
continuation.resume(getSuccessfulResult(state))
}
}
}
} catch (e: Throwable) {
fatalException = e
} finally {
val result = runCatching { taskContext.afterTask() }
handleFatalException(fatalException, result.exceptionOrNull())
}
}
}
```
上面的代码有三个关键的注释,我们一起来分析:
* 注释1在协程代码执行之前它首先会判断当前协程是否已经取消。如果已经取消的话就会调用continuation.resumeWithStackTrace(cause)将具体的原因传出去。
* 注释2判断协程是否发生了异常如果已经发生了异常则需要调用continuation.resumeWithException(exception)将异常传递出去。
* 注释3如果一切正常则会调用continuation.resume(getSuccessfulResult(state))这时候协程才会正式启动并且执行launch当中传入的Lambda表达式。
最后按照惯例我还是制作了一个视频来向你展示整个Dispather的代码执行流程。
## 小结
这节课我们围绕着launch着重分析了它的Dispatchers执行流程。Dispatchers是协程框架中与线程交互的关键这里面主要涉及以下几个步骤
* 第一步createCoroutineUnintercepted(completion)创建了协程的Continuation实例紧接着就会调用它的intercepted()方法将其封装成DispatchedContinuation对象。
* 第二步DispatchedContinuation会持有CoroutineDispatcher、以及前面创建的Continuation对象。课程中的CoroutineDispatcher实际上就是Default线程池。
* 第三步执行DispatchedContinuation的resumeCancellableWith()方法这时候就会执行dispatcher.dispatch()这就会将协程的Continuation封装成Task添加到Worker的本地任务队列等待执行。这里的Worker本质上就是Java的Thread。**在这一步,协程就已经完成了线程的切换**。
* 第四步Worker的run()方法会调用runWork()它会从本地的任务队列当中取出Task并且调用task.run()。而它实际上调用的是DispatchedContinuation的run()方法在这里会调用continuation.resume()它将执行原本launch当中生成的SuspendLambda子类。**这时候launch协程体当中的代码就在线程上执行了**。
## 思考题
经过这节课的学习以后,请问你是否对协程的本质有了更深入的认识?请讲讲你的心得体会吧!