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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。
// 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。
// 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。
让我们结合这张图，来看看下面这段代码：
// 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。
// 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：
// 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。
好，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。
// 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。
// 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1，interceptContinuation()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：
// 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1，2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：
// 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。
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：
// 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1，dispatcher.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2，dispatcher.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3，executeUnconfined{}，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：
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：
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：
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2，currentWorker()，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3，currentWorker.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。
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2，executeTask(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：
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。
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！