gitbook/朱涛 · Kotlin编程第一课/docs/503629.md

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2022-09-03 22:05:03 +08:00
# 32 | 图解Flow原来你是只纸老虎
你好我是朱涛。今天我们来研究Flow的源代码。
经过前面的学习我们已经知道了Channel和Flow都是数据流Channel是“热”的Flow则是“冷”的。这里的冷代表着Flow不仅是“冷淡”的而且还是“懒惰”的。
除了“冷”这个特性以外Flow从API的角度分类主要分为构造器、中间操作符、终止操作符。今天这节课我们将会从这几个角度来分析Flow的源码来看看它的这几类API是如何实现的。
经过这节课的学习你会发现虽然Flow的功能看起来非常高大上然而它的原理却非常的简单是一只名副其实的“纸老虎”。
## Flow为什么是冷的
在正式开始研究Flow源代码之前我们首先需要确定研究的对象。这里我写了一段Demo代码接下来我们就以这个Demo为例来分析Flow的整个执行流程
```plain
// 代码段1
fun main() {
val scope = CoroutineScope(Job())
scope.launch {
testFlow()
}
Thread.sleep(1000L)
logX("end")
}
private suspend fun testFlow() {
// 1
flow {
emit(1)
emit(2)
emit(3)
emit(4)
emit(5)
}.collect { // 2
logX(it)
}
}
/**
* 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
================================
1
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
2
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
3
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
4
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
5
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
end
Thread:main
================================
*/
```
这段代码很简单我们创建了一个CoroutineScope接着使用它创建了一个新的协程在协程当中我们使用flow{} 这个高阶函数创建了Flow对象接着使用了collect{} 这个终止操作符。
我们利用[第20讲](https://time.geekbang.org/column/article/491632)当中学过的内容,很容易就能想象出类似这样的一个思维模型。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/e3/4f/e3c3bd48f715e6d26yye3bd60096fd4f.jpg?wh=2000x940)
那么下面我们就先来看看注释1处分析一下Flow是怎么创建出来的。
```plain
// 代码段2
public fun <T> flow(block: suspend FlowCollector<T>.() -> Unit): Flow<T> =
SafeFlow(block)
public interface Flow<out T> {
public suspend fun collect(collector: FlowCollector<T>)
}
```
可以看到flow{} 是一个高阶函数,它接收的参数类型是函数类型`FlowCollector<T>.() -> Unit`这个类型代表了它是FlowCollector的扩展或成员方法没有参数也没有返回值。flow()的返回值类型是`Flow<T>`而它实际返回的类型是SafeFlow让我们来看看它的源码定义。
```plain
// 代码段3
private class SafeFlow<T>(private val block: suspend FlowCollector<T>.() -> Unit) : AbstractFlow<T>() {
// 1
override suspend fun collectSafely(collector: FlowCollector<T>) {
collector.block()
}
}
public abstract class AbstractFlow<T> : Flow<T>, CancellableFlow<T> {
// 省略
}
internal interface CancellableFlow<out T> : Flow<T>
```
从上面的代码我们可以看到SafeFlow其实是AbstractFlow的子类而AbstractFlow则实现了Flow这个接口所以SafeFlow算是间接实现了Flow接口。而AbstractFlow是协程当中所有Flow的抽象类所以它当中应该会有许多Flow通用的逻辑。
那么接下来我们就来看看AbstractFlow当中的逻辑
```plain
// 代码段4
public abstract class AbstractFlow<T> : Flow<T>, CancellableFlow<T> {
// 1
public final override suspend fun collect(collector: FlowCollector<T>) {
// 2
val safeCollector = SafeCollector(collector, coroutineContext)
try {
// 3
collectSafely(safeCollector)
} finally {
safeCollector.releaseIntercepted()
}
}
public abstract suspend fun collectSafely(collector: FlowCollector<T>)
}
```
请留意上面代码的注释1看到这个挂起函数collect()你是不是觉得很熟悉呢它其实就是终止操作符collect对应的调用处。这个collect()的逻辑其实也很简单,我都用注释标记出来了,我们来看看:
* 注释2collect()的参数类型是FlowCollector这里只是将其重新封装了一遍变成了SafeColletor对象。从它的名称我们也大概可以猜出来它肯定是会对collect当中的逻辑做一些安全检查的SafeCollector的源码我们留到后面分析我们接着看注释3。
* 注释3collectSafely()这里其实就是调用了它的抽象方法而它的具体实现就在代码段3里SafeFlow的collectSafely()方法而它的逻辑也很简单它直接调用了collector.block()这其实就相当于触发了flow{} 当中的Lambda逻辑。换句话说collector.block()就相当于调用了代码段1当中的5次emit()方法。
那么代码分析到这里我们其实就已经可以看出来Flow为什么是冷的了。我们都知道Channel之所以是热的是因为它不管有没有接收方发送方都会工作。而FLow之所以是冷的是因为Flow的构造器真的就只会构造一个SafeFlow对象完全不会触发执行它内部的Lambda表达式的逻辑**只有当collect()被调用之后flow{} 当中的Lambda逻辑才会真正被触发执行**。
现在我们已经知道collect()是如何触发Flow执行的了接下来我们来看看Flow是如何将上游的数据传递给下游的。
## FlowCollector上游与下游之间的桥梁
经过之前的分析我们知道flow{} 这个高阶函数会创建一个Flow对象它具体的类型是SafeFlow它其实间接实现了Flow接口因此我们可以直接调用collect()这个终止操作符从而拿到flow{} 的Lambda当中emit发射出来的数据。
上面整个流程分析下来,给我们的感觉是这样的:**下游的collect()会触发上游的Lambda执行上游的Lambda当中的emit()会把数据传递给下游**。
那么Flow到底是如何做到的呢这其中的关键还是collect()传入的参数类型FlowCollector。
```plain
// 代码段5
public fun interface FlowCollector<in T> {
public suspend fun emit(value: T)
}
public interface Flow<out T> {
public suspend fun collect(collector: FlowCollector<T>)
}
```
当我们在下游调用collect{} 的时候其实是在调用Flow接口的collect方法而我们之所以可以写出花括号的形式是因为Lambda简写这一点我们在[第7讲](https://time.geekbang.org/column/article/476637)当中有提到过。那么为了让它们的关系更加清晰地暴露出来我们可以换一种写法来实现代码段1当中的逻辑。
```plain
// 代码段6
private suspend fun testFlow() {
flow {
// 1
emit(1)
emit(2)
emit(3)
emit(4)
emit(5)
}
// 变化在这里
.collect(object : FlowCollector<Int>{
// 2
override suspend fun emit(value: Int) {
logX(value)
}
})
}
```
这里代码段6和前面代码段1的逻辑其实是等价的唯一的变化在于这里我们使用了匿名内部类的方式直接传入了FlowCollector在这个匿名内部类的emit()方法其实就充当着Flow的下游接收其中的数据流。
所以要分析“上游与下游是如何连接的”这个问题我们只需要看注释2处的emit()是如何被调用的即可。
那么经过前面代码段4的分析我们从它注释2处的代码就可以知道collect()方法传入的FlowCollector参数其实是被传入SafeCollector当中被封装了起来。所以接下来我们只要分析SafeCollector当中的逻辑就行。
```plain
// 代码段7
internal actual class SafeCollector<T> actual constructor(
// 1
@JvmField internal actual val collector: FlowCollector<T>,
@JvmField internal actual val collectContext: CoroutineContext
) : FlowCollector<T>, ContinuationImpl(NoOpContinuation, EmptyCoroutineContext), CoroutineStackFrame {
internal actual val collectContextSize = collectContext.fold(0) { count, _ -> count + 1 }
private var lastEmissionContext: CoroutineContext? = null
private var completion: Continuation<Unit>? = null
// ContinuationImpl
override val context: CoroutineContext
get() = completion?.context ?: EmptyCoroutineContext
// 2
override suspend fun emit(value: T) {
return suspendCoroutineUninterceptedOrReturn sc@{ uCont ->
try {
// 3
emit(uCont, value)
} catch (e: Throwable) {
lastEmissionContext = DownstreamExceptionElement(e)
throw e
}
}
}
private fun emit(uCont: Continuation<Unit>, value: T): Any? {
val currentContext = uCont.context
currentContext.ensureActive()
// 4
val previousContext = lastEmissionContext
if (previousContext !== currentContext) {
checkContext(currentContext, previousContext, value)
}
completion = uCont
// 5
return emitFun(collector as FlowCollector<Any?>, value, this as Continuation<Unit>)
}
}
// 6
private val emitFun =
FlowCollector<Any?>::emit as Function3<FlowCollector<Any?>, Any?, Continuation<Unit>, Any?>
public interface Function3<in P1, in P2, in P3, out R> : Function<R> {
public operator fun invoke(p1: P1, p2: P2, p3: P3): R
}
```
在这段SafeCollector的源码中一共有6个地方需要我们注意让我们来看看。
注释1collector它是SafeCollector的参数通过分析代码段4的注释2处我们可以知道它其实就对应着代码段6里注释1处的匿名内部类FlowCollector。之后我们需要特别留意这个collector看看它的emit()是在哪里被调用的因为这就意味着代码段6当中的注释2被调用。我们可以将其看作**下游的emit()**。
注释2emit()通过之前代码段4的分析我们知道这个emit()方法其实就是代码段6里调用的emit()。也就是说Flow上游发送的数据最终会传递到这个emit()方法当中来。我们可以将其看作**上游的emit()**。
注释3emit(uCont, value)这里的suspendCoroutineUninterceptedOrReturn这个高阶函数是把挂起函数的Continuation暴露了出来并且将其作为参数传递给了另一个emit()方法。你需要注意的是这行代码被try-catch包裹了而且把其中的异常捕获以后会被重新包装成DownstreamExceptionElement意思就是“下游的异常”这从侧面也能说明这个方法即将执行下游的代码。
这里还有一个细节就是DownstreamExceptionElement会被存储在lastEmissionContext当中它的作用是在下游发送异常以后可以让上游感知到。
注释4这里会对当前的协程上下文与之前的协程上下文做对比检查如果它们两者不一致就会在checkContext()当中做进一步的判断和提示。我们第20讲思考题的答案就藏在这里为了不偏离主线这个部分的逻辑我们暂时先放着等我们分析完Flow的整体流程以后再来看。
注释5`emitFun(collector as FlowCollector<Any?>, value, this as Continuation<Unit>)`这里其实就是在调用下游的emit()也就是代码段6当中的注释2对应的emit()方法。那么这里的emitFun()是什么呢我们可以在注释6处找到它的定义`FlowCollector<Any?>::emit`这是函数引用的语法代表了它就是FlowCollector的emit()方法,它的类型是`Function3<FlowCollector<Any?>, Any?, Continuation<Unit>, Any?>`。
乍一看,你也许会觉得这个类型有点难以理解,其实,这个知识点我们在[第8讲](https://time.geekbang.org/column/article/477295)当中就已经介绍过,我们平时写的函数类型`() -> Unit`其实就对应了Function0也就是没有参数的函数类型。所以这里的Function3其实就代表了三个参数的函数类型。因此注释5处其实就代表了下游的emit()方法被调用了对应的value也是这时候传进去的。
至此上游传递数据给下游的整个流程我们也分析完毕了FlowCollector其实就相当于上游与下游之间的桥梁它起到了连接上游、下游的作用。
回过头去看前面分析过的代码你会发现Flow的核心原理其实只牵涉到那么几十行代码而它的核心接口也只有Flow、FlowCollector而已。为了方便你理解这里我做了一个视频描述Flow的整体调用流程。
所以对比挂起函数的原理不得不说Flow真的只是一只看起来吓人的“纸老虎”。
## 思考与推演
接下来我们基于前面的结论来进行一些思考来尝试推演和理解一下Flow的其他功能细节比如中间操作符的原理、不允许使用withContext{} 的原因。
### 推演:中间操作符
请你想象一个问题在已知Flow上游、下游传递数据的原理以后如果让你来设计Flow的中间操作符你会怎么设计
要回答这个问题其实我们只需要回想一下Flow的思维模型让我们来更新一下代码段1对应的思维模型将Flow的源码执行流程也融入进去
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/98/ac/9828f4c4f874ddf4b7d1c45a5f5ab5ac.jpg?wh=2000x980)
flow{} 这个高阶函数代表了上游它会创建一个Flow对象提供给下游调用Flow的collect方法。在前面的代码段2当中我们曾经分析过flow{} 实际上返回的是SafeFlow对象在这个SafeFlow当中会有一个SafeCollector对象。而整个Flow的调用过程其实就是三个步骤
* 第一步上游的flow{} 创建SafeFlow的对象下游调用Flow的collect()方法触发flow{} 的Lambda对应的代码执行也就是其中emit()被执行。
* 第二步上游调用的emit()其实就是SafeCollector的emit()这时候就相当于上游将数据传递给SafeCollector。
* 第三步SafeCollector调用emitFun()这里的emitFun()其实就对应了下游的emit()方法如果你忘了可以回过头看看代码段6的注释2
通过以上分析我们能发现Flow的源码执行流程也非常符合我们之前构想出来的思维模型。那么对于它的中间操作符我们是不是只需要加一个“中转站”就可以了呢答案是肯定的。
如果让你来设计Flow的中间操作符我相信你大概率会设计出类似下面这样的结构
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/13/eb/13acf7e1dbffdc22226f59f432658deb.jpg?wh=2000x1125)
可以看到当Flow当中出现中间操作符的时候上游和下游之间就会多出一个个的中转站。对于每一个“中转站”来说它都会有上游和下游它都会被下游触发执行它也会触发自己的上游同时它会接收来自上游的数据也会传递给自己的下游。
那么接下来让我们来分析一下Flow中间操作符的源代码看看Kotlin官方的设计是否符合我们的猜想
```plain
// 代码段8
// 1
inline fun <T> Flow<T>.filter(
crossinline predicate: suspend (T) -> Boolean
): Flow<T> = transform { value ->
// 8
if (predicate(value)) return@transform emit(value)
}
// 2
internal inline fun <T, R> Flow<T>.unsafeTransform(
crossinline transform: suspend FlowCollector<R>.(value: T) -> Unit
): Flow<R> = unsafeFlow {
// 6
collect { value ->
// 7
return@collect transform(value)
}
}
// 3
internal inline fun <T> unsafeFlow(
crossinline block: suspend FlowCollector<T>.() -> Unit
): Flow<T> {
// 4
return object : Flow<T> {
// 5
override suspend fun collect(collector: FlowCollector<T>) {
collector.block()
}
}
}
```
上面的代码看起来有点复杂,让我们来一步步来分析:
* 注释1、2、3请留意这几个方法的签名它们的返回值类型都是Flow这意味着Flow.filter{} 的返回值类型仍然是Flow。我们站在整体的角度来分析的话会发现这只是一个Flow被封装的过程。我们都知道flow{} 创建的是SafeFlow对象当我们接着调用filter{} 之后根据注释4处的逻辑我们发现它会变成一个普通的Flow匿名内部类对象。
* 注释5对于`flow{}.filter{}.collect{}`这样的代码最终的collect{} 调用的代码其实就是注释5对应的collect()方法。我们看看它的方法体collector.block()这其实就代表了注释6、7会执行。
* 注释6collect{}这里是在调用上游Flow的collect{}触发上游的Lambda执行了也就是`flow{}.filter{}.collect{}`里的flow{} 当中的Lambda然后注释7就会被执行。
* 注释7transform(value)在前面代码段7的分析中我们知道这里transform(value)当中的value其实就是上游传递下来的数据让我们来看看transform{} 当中具体的逻辑也就是注释8。
* 注释8`if (predicate(value))`这其实就是我们filter的条件只有符合这个条件的情况下我们才会继续向下游传递数据而传递的方式就是调用emit()这里的emit()其实就代表了下游会接收到数据了。
可见filter{} 的核心思想完全符合我们前面思维模型推演的结果。接下来我们来看看map{}、onEach{} 之类的源码:
```plain
// 代码段9
public inline fun <T, R> Flow<T>.map(crossinline transform: suspend (value: T) -> R): Flow<R> = transform { value ->
return@transform emit(transform(value))
}
public fun <T> Flow<T>.onEach(action: suspend (T) -> Unit): Flow<T> = transform { value ->
action(value)
return@transform emit(value)
}
```
当我们理解了filter以后你会发现map、和onEach之类的操作符就变得很简单了。前者就是在调用下游emit()的时候做了一次数据转换而后者则是在每次向下游传递数据的时候同时调用一下传入的Lambda表达式action()。
### 思考:上下文保护
在第20讲当中我留过一个思考题
> 课程里我曾提到过Flow当中直接使用withContext{} 是很容易出现问题的下面代码是其中的一种。请问你能解释其中的缘由吗Kotlin官方为什么要这么设计
```plain
// 代码段10
fun main() = runBlocking {
flow {
withContext(Dispatchers.IO) {
emit(1)
}
}.map { it * 2 }
.collect()
}
/*
输出结果:
Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: Flow invariant is violated:
Flow was collected in [BlockingCoroutine{Active}@6e58a46, BlockingEventLoop@2cbfb24],
but emission happened in [DispatchedCoroutine{Active}@500da3c0, Dispatchers.IO].
Please refer to 'flow' documentation or use 'flowOn' instead
*/
```
其实,课程进行到这里,我们就已经可以很简单地回答这个问题了。
在[第24讲](https://time.geekbang.org/column/article/494526)当中我们曾经给Flow的三种API进行过分类Flow构建器、Flow中间操作符它们两个是不需要协程作用域的只有Flow终止操作符需要协程作用域。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/b9/b7/b98d651e66309f67f16843e5d00a80b7.jpg?wh=2000x1125)
通过前面Flow的源码分析流程我们其实就会发现在默认情况下Flow下游的“协程上下文”最终会成为上游的执行环境也会变成中间操作符的执行环境。也正是这个原因才让Flow可以天然支持协程的“结构化并发”的特性比如说结构化取消。
```plain
// 代码段11
private fun testFlow2() {
val scope = CoroutineScope(Job())
scope.launch {
flow {
logX("上游")
repeat(100) {
emit(it)
}
}.filter {
logX("中间")
it > 2
}
.map { it * 2 }
.onCompletion {
logX(it)
}
.collect {
logX(it)
delay(1000L)
}
}
Thread.sleep(2000L)
scope.cancel()
logX("结束")
}
/*
输出结果:
================================
上游
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
中间
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
中间
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
中间
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
中间
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
6
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
中间
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
8
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
================================
结束
Thread:main
================================
================================
kotlinx.coroutines.JobCancellationException: Job was cancelled; job=JobImpl{Cancelling}@407d87d0
Thread:DefaultDispatcher-worker-1
================================
*/
```
从上面的执行结果可以看到虽然我们的上游要尝试emit()100个数据但是由于外部的scope在2000毫秒后会取消所以整个Flow都会响应取消。
那么反之如果Kotlin官方允许开发者在flow{} 当中调用withContext{} 改变协程上下文的话,**Flow上游与下游的协程上下文就会不一致它们整体的结构也会被破坏从而导致“结构化并发”的特性也被破坏**。
Flow源码中对于上下文的检测我们称之为上下文保护Context Preservation它对应的检测时机在代码段7的注释4处具体的逻辑如下
```plain
// 代码段12
private fun emit(uCont: Continuation<Unit>, value: T): Any? {
// 省略
// This check is triggered once per flow on happy path.
val previousContext = lastEmissionContext
if (previousContext !== currentContext) {
checkContext(currentContext, previousContext, value)
}
}
private fun checkContext(
currentContext: CoroutineContext,
previousContext: CoroutineContext?,
value: T
) {
if (previousContext is DownstreamExceptionElement) {
exceptionTransparencyViolated(previousContext, value)
}
checkContext(currentContext)
lastEmissionContext = currentContext
}
internal fun SafeCollector<*>.checkContext(currentContext: CoroutineContext) {
val result = currentContext.fold(0) fold@{ count, element ->
val key = element.key
val collectElement = collectContext[key]
if (key !== Job) {
return@fold if (element !== collectElement) Int.MIN_VALUE
else count + 1
}
val collectJob = collectElement as Job?
val emissionParentJob = (element as Job).transitiveCoroutineParent(collectJob)
if (emissionParentJob !== collectJob) {
error(
"Flow invariant is violated:\n" +
"\t\tEmission from another coroutine is detected.\n" +
"\t\tChild of $emissionParentJob, expected child of $collectJob.\n" +
"\t\tFlowCollector is not thread-safe and concurrent emissions are prohibited.\n" +
"\t\tTo mitigate this restriction please use 'channelFlow' builder instead of 'flow'"
)
}
if (collectJob == null) count else count + 1
}
// 判断上游、下游的Context
if (result != collectContextSize) {
error(
"Flow invariant is violated:\n" +
"\t\tFlow was collected in $collectContext,\n" +
"\t\tbut emission happened in $currentContext.\n" +
"\t\tPlease refer to 'flow' documentation or use 'flowOn' instead"
)
}
}
```
所以总的来说Flow不允许直接使用withContext{} 的原因是为了“结构化并发”它并不是不允许切换线程而是不允许随意破坏协程的上下文。Kotlin提供的操作符flowOn{},官方已经帮我们处理好了上下文的问题,所以我们可以放心地切线程。
## 小结
这节课我们是通过分析Flow的源码理解了它的几类API是如何实现的。我们知道Flow是冷数据流可以分为上游Flow构造器、中间操作符、下游FlowCollector。那么可以说**理解了Flow、FlowCollector这两个接口其实就理解了Flow的原理。**
上游Flow构造器它实际返回的对象是SafeFlow在SafeFlow当中有一个SafeCollector它会接收上游的数据并且将数据传递给下游的FlowCollector。
下游FlowCollector在下游调用collect()的时候实际上是调用的Flow的collect()方法这就会触发上游的Lambda被执行。在collect()调用的时候它会创建一个FlowCollector的匿名内部类对象专门用于接收来自上游的数据。
中间操作符它在整个Flow的调用流程当中既会充当上游也会充当下游。它会被下游触发执行它也会触发自己的上游同时它会接收来自上游的数据也会传递给自己的下游。
上下文保护由于Flow的上游与中间操作符并不需要协程作用域因此它们都是共用的Flow下游的协程上下文。也正是因为Flow的这种设计让Flow天然支持结构化并发。为此Kotlin官方也限制了我们开发者不能随意在上游与中转站阶段改变Flow的上下文。
其实课程进行到这里你会发现Flow的原理之所以看起来很简单完全是因为它站在了“挂起函数”“高阶函数”这两个巨人的肩膀上如果没有它们作为基础Flow的API设计一定会更加复杂。
## 思考题
前面我提到过“理解了Flow、FlowCollector这两个接口就理解了Flow的原理。”那么你能概括出Flow、FlowCollector这两个抽象的接口之间的内在联系吗
```plain
public interface Flow<out T> {
public suspend fun collect(collector: FlowCollector<T>)
}
public fun interface FlowCollector<in T> {
public suspend fun emit(value: T)
}
```