鸿蒙HarmonyOS实战-ArkTS语言基础类库（并发）

蜀道山QAQ2024-06-04 21:05

🚀一、并发

并发是指在一个时间段内，多个事件、任务或操作同时进行或者交替进行的方式。在计算机科学中，特指多个任务或程序同时执行的能力。并发可以提升系统的吞吐量、响应速度和资源利用率，并能更好地处理多用户、多线程和分布式的场景。常见的并发模型有多线程、多进程、多任务、协程等。

🔎1.并发概述

HarmonyOS系统提供的异步并发和多线程并发两种处理策略：

ArkTS系统提供的异步并发和多线程：

🔎2.异步并发

🦋2.1 异步并发概述

☀️2.1.1 Promise

Promise是一种用于处理异步操作的对象。它表示一个可能还未完成的操作，并提供了一系列方法来处理操作的结果或错误。Promise对象有三种状态：pending（进行中）、fulfilled（已完成）和rejected（已失败）。当操作完成时，Promise对象将会从pending状态转变为fulfilled或rejected状态，并调用相应的回调函数。使用Promise可以更加方便地管理异步操作，并避免回调函数嵌套过多的问题。

Promise是一种用于处理异步操作的对象。它可以认为是一个代理，用来代表一个尚未完成但最终会完成的操作。

Promise的定义：

const promise = new Promise((resolve, reject) => {
  // 异步操作
  // 如果操作成功，调用resolve(value)
  // 如果操作失败，调用reject(error)
});

Promise构造函数接受一个函数作为参数，该函数被称为执行器（executor）。执行器会立即执行，并传入两个参数resolve和reject。在异步操作完成时，调用resolve传递最终的结果，或调用reject传递错误信息。

Promise的使用：

promise
  .then((value) => {
    // 当异步操作成功时，执行这里的回调函数
    console.log('操作成功:', value);
  })
  .catch((error) => {
    // 当异步操作失败时，执行这里的回调函数
    console.error('操作失败:', error);
  })
  .finally(() => {
    // 无论异步操作成功或失败都会执行这里的回调函数
    console.log('操作完成');
  });

通过then方法可以注册成功回调函数，通过catch方法可以注册失败回调函数，通过finally方法可以注册最终回调函数。当异步操作完成后，Promise会根据操作的结果调用相应的回调函数。

Promise还提供了一些其他的方法，例如all、race等，用于处理多个Promise对象的并行或竞争操作。

☀️2.1.2 async/await

async/await是一种用于处理异步操作的语法糖（syntactic sugar），它基于Promise对象提供了一种更直观、更方便的方式来编写和处理异步代码。

async/await的定义和使用如下：

  • async：async关键字用于修饰函数，表示该函数是一个异步函数。异步函数会自动返回一个Promise对象。

    async function foo() {
    // 异步操作
    return result;
    }

  • await：await关键字只能在async函数内部使用，用于暂停异步函数的执行，等待一个Promise对象的状态变为resolved（成功）或rejected（失败），然后返回该Promise的结果。

    async function myAsyncFunction() {
    const result = await new Promise((resolve) => {
    setTimeout(() => {
    resolve('Hello, world!');
    }, 3000);
    });
    console.info(String(result)); // 输出： Hello, world!
    }

    myAsyncFunction();

在async函数中使用await关键字可以实现类似同步代码的连续执行效果，而不需要嵌套使用回调函数或链式调用then方法。

async/await的优点包括：

  • 代码可读性更高，更接近同步代码的写法，易于理解和维护。
  • 可以在代码中使用try/catch语句来捕获和处理异步操作产生的错误。
  • 可以使用常规的控制流语法（如循环、条件语句）来组织和管理异步代码的执行顺序。

使用async/await时仍然依赖于Promise对象来处理异步操作。async/await只是一种更加简洁和易读的语法，本质上仍然是基于Promise的异步编程模式。

🦋2.2 单次I/O任务开发指导

import fs from '@ohos.file.fs';
import common from '@ohos.app.ability.common';

async function write(data: string, file: fs.File): Promise<void> {
  fs.write(file.fd, data).then((writeLen: number) => {
    console.info('write data length is: ' + writeLen)
  }).catch((err) => {
    console.error(`Failed to write data. Code is ${err.code}, message is ${err.message}`);
  })
}

async function testFunc(): Promise<void> {
  let context = getContext() as common.UIAbilityContext;
  let filePath: string = context.filesDir + "/test.txt"; // 应用文件路径
  let file: fs.File = await fs.open(filePath, fs.OpenMode.READ_WRITE | fs.OpenMode.CREATE);
  write('Hello World!', file).then(() => {
    console.info('Succeeded in writing data.');
  }).catch((err) => {
    console.error(`Failed to write data. Code is ${err.code}, message is ${err.message}`);
  })
  fs.close(file);
}
testFunc();

@Entry
@Component
struct WebComponent {
  build() {
    Column() {
      Text("Hello World")
    }
  }
}

🔎3.多线程并发

🦋3.1 多线程并发概述

☀️3.1.1 简介

Actor并发模型是一种用于并发计算的编程模型。在该模型中，计算被抽象为一组独立的Actor，每个Actor都有自己的状态和行为，并且可以通过消息传递进行通信和协作。

在Actor模型中，每个Actor都可以接收异步消息，并且根据消息内容和当前状态来做出相应的响应。当一个Actor接收到消息时，它可以执行一系列的计算，修改自己的状态，并发送消息给其他Actor或者自己。

Actor之间的消息传递是异步的，所以发送消息的Actor不需要等待接收消息的Actor的响应，从而实现并发执行。由于每个Actor都是独立的，它们之间不存在共享状态，因此不需要进行锁机制和同步操作，避免了一些常见的并发编程问题，如死锁和竞争条件。

ArkTS语言选择的并发模型就是Actor。

☀️3.1.2 数据传输对象

ArkTS语言支持传输的数据对象可以分为下面四种：

🌈3.1.1.1 普通对象

普通对象的传输是通过结构化克隆算法进行序列化的。结构化克隆算法可以递归地拷贝传输对象，因此支持的对象类型非常丰富。

基础类型（除Symbol）、Date、String、RegExp、Array、Map、Set、Object（仅限简单对象，即通过"{}"或者"new Object"创建的）以及ArrayBuffer、TypedArray 都是支持序列化的类型。

需要注意的是，普通对象只能传递属性，不能传递其原型和方法。

🌈3.1.1.2 可转移对象

可转移对象（Transferable object）是指在多线程编程中，用于在不同线程之间传输数据的对象。在传输过程中，不需要对该对象内容进行拷贝，而是通过地址转移的方式进行序列化。其中，ArrayBuffer是一种可转移对象的例子。

在传输过程中，发送线程会将ArrayBuffer的所有权转移给接收线程。这意味着，在发送线程中，一旦传输完成，该ArrayBuffer将变为不可用，不允许再进行访问。接收线程可以获得该ArrayBuffer的所有权，并可以自由地对其进行访问和操作。

通过使用可转移对象，可以避免在多线程之间复制大量数据的开销，提高数据传输的效率。但需要注意的是，一旦转移完成，发送线程将丧失对该ArrayBuffer的所有权，如果发送线程还想要对其进行访问，就需要重新获取所有权或者重新创建一个新的ArrayBuffer。

// 定义可转移对象
let buffer = new ArrayBuffer(100);
🌈3.1.1.3 可共享对象

共享对象SharedArrayBuffer可以通过使用Atomics对象中提供的方法来实现原子操作，保证在多线程环境下的数据同步。这些方法包括add、sub、and、or、xor等，可以保证操作的原子性，避免数据的不一致性。

在使用SharedArrayBuffer时，需要注意以下几点：

  • SharedArrayBuffer只能在支持多线程的环境中使用。

  • 对SharedArrayBuffer的访问必须通过Atomics对象中的方法进行，以确保操作的原子性。

  • 对SharedArrayBuffer的修改需要先获取锁，以避免多线程同时修改导致的数据不一致性。

  • 由于SharedArrayBuffer的特性，需要格外小心防止数据竞争和死锁等问题。

    // 定义可共享对象，可以使用Atomics进行操作
    let sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);

🌈3.1.1.4 Native绑定对象

Native绑定对象是一种与底层系统功能进行了绑定。通过Native绑定对象，可以直接访问和调用底层系统提供的功能，如操作系统、网络、文件系统等。

Native绑定对象通常由宿主环境提供，以便与底层功能进行交互。不同的宿主环境提供的Native绑定对象可能不同，因为它们对底层系统功能的访问方式和级别可能不同。

通过Native绑定对象，可以调用底层系统提供的功能，如创建文件、读取网络数据、调用操作系统API等。

🦋3.2 TaskPool和Worker的对比

☀️3.2.1 实现特点对比
☀️3.2.2 适用场景对比

TaskPool偏向独立任务维度，任务在线程中执行，不需要关注线程的生命周期。超长任务（大于3分钟）会被系统自动回收。

适用场景：

  1. 有关联的一系列同步任务，例如在需要创建和使用不同句柄的场景中，每次创建的句柄需要永久保存。这种情况需要使用Worker来管理线程生命周期。
  2. 需要频繁取消任务的场景，例如图库大图浏览，为了提升用户体验，同时缓存当前图片左右侧各2张图片。当用户往一侧滑动跳到下一张图片时，需要取消另一侧的一个缓存任务。这种情况下，使用TaskPool来管理任务会更适合。
    Worker偏向线程的维度，支持长时间占据线程执行，需要主动管理线程的生命周期。

适用场景：

  1. 需要长时间占用线程执行的任务，例如网络请求、数据库操作等。这种情况下，使用Worker可以保持线程的稳定性和性能。

另外，在大量或者调度点较分散的任务场景下，例如大型应用的多个模块包含多个耗时任务，使用8个Worker去做负载管理可能不方便。这种情况下，推荐使用TaskPool来管理任务。

☀️3.2.3 TaskPool运作机制

TaskPool是一个任务调度和执行的工具，支持开发者将任务封装在主线程中，并将任务提交给任务队列。系统会自动选择合适的工作线程来执行任务，并将结果返回给主线程。TaskPool提供简洁易用的接口，支持任务的执行和取消操作。同时，TaskPool限制工作线程数量的上限为4。

☀️3.2.4 Worker运作机制

Worker子线程都是独立的实例，拥有自己的基础设施、对象和代码段。Worker子线程与宿主线程之间的通信是通过消息传递来实现的。Worker通过序列化机制与宿主线程进行相互通信，并完成命令和数据的交互。

具体来说，当宿主线程有任务需要执行时，它会将任务封装成消息，并将消息发送给TaskPool中的任务队列。TaskPool会选择一个合适的Worker子线程来接收任务消息。Worker子线程接收到任务消息后，会根据消息的内容，执行相应的任务。在任务执行完成后，Worker子线程会将执行结果封装成消息，并通过序列化机制，将消息发送回宿主线程。

这种基于消息传递和序列化机制的通信方式，使得Worker子线程和宿主线程可以独立运行，并且可以在不同线程和进程之间进行通信。宿主线程通过发送消息给Worker子线程，来分配任务和接收任务执行结果。Worker子线程通过接收消息来获取任务和向宿主线程发送执行结果。这种设计可以提高系统的并发性能和响应能力，同时也避免了多线程编程中的并发问题。

☀️3.2.5 TaskPool注意事项
☀️3.2.6 Worker注意事项
🌈3.2.6.1 文件路径注意事项
// 导入模块
import worker from '@ohos.worker';

// 写法一
// Stage模型-目录同级（entry模块下，workers目录与pages目录同级）
const worker1 = new worker.ThreadWorker('entry/ets/workers/MyWorker.ts', {name:"first worker in Stage model"});
// Stage模型-目录不同级（entry模块下，workers目录是pages目录的子目录）
const worker2 = new worker.ThreadWorker('entry/ets/pages/workers/MyWorker.ts');

// 写法二
// Stage模型-目录同级（entry模块下，workers目录与pages目录同级），假设bundlename是com.example.workerdemo
const worker3 = new worker.ThreadWorker('@bundle:com.example.workerdemo/entry/ets/workers/worker');
// Stage模型-目录不同级（entry模块下，workers目录是pages目录的子目录），假设bundlename是com.example.workerdemo
const worker4 = new worker.ThreadWorker('@bundle:com.example.workerdemo/entry/ets/pages/workers/worker');
🌈3.2.6.2 生命周期注意事项

Worker的创建和销毁耗费性能，建议开发者合理管理已创建的Worker并重复使用。Worker空闲时也会一直运行，因此当不需要Worker时，可以调用terminate()接口或parentPort.close()方法主动销毁Worker。若Worker处于已销毁或正在销毁等非运行状态时，调用其功能接口，会抛出相应的错误。（Too many workers, the number of workers exceeds the maximum.）

🦋3.3 @Concurrent装饰器：校验并发函数

在HarmonyOS中，@Concurrent装饰器用于标识一个方法需要在工作线程中执行。该装饰器可以应用于普通的方法或者回调方法。

使用@Concurrent装饰器的方法会在一个工作线程中执行，不会阻塞主线程的运行。这对于一些耗时操作或者需要与其他服务进行交互的方法非常有用。在方法执行完成后，可以使用HarmonyOS提供的线程间通信机制将结果传递回主线程。

import taskpool from '@ohos.taskpool';

@Concurrent
function add(num1: number, num2: number): number {
  return num1 + num2;
}

async function ConcurrentFunc(): Promise<void> {
  try {
    let task: taskpool.Task = new taskpool.Task(add, 1, 2);
    console.info("taskpool res is: " + await taskpool.execute(task));
  } catch (e) {
    console.error("taskpool execute error is: " + e);
  }
}

@Entry
@Component
struct Index {
  @State message: string = 'Hello World'

  build() {
    Row() {
      Column() {
        Text(this.message)
          .fontSize(50)
          .fontWeight(FontWeight.Bold)
          .onClick(() => {
            ConcurrentFunc();
          })
      }
      .width('100%')
    }
    .height('100%')
  }
}

🦋3.4 CPU密集型任务开发指导

☀️3.4.1 使用TaskPool进行图像直方图处理
import taskpool from '@ohos.taskpool';

@Concurrent
function imageProcessing(dataSlice: ArrayBuffer) {
  // 步骤1: 具体的图像处理操作及其他耗时操作
  return dataSlice;
}

function histogramStatistic(pixelBuffer: ArrayBuffer) {
  // 步骤2: 分成三段并发调度
  let number = pixelBuffer.byteLength / 3;
  let buffer1 = pixelBuffer.slice(0, number);
  let buffer2 = pixelBuffer.slice(number, number * 2);
  let buffer3 = pixelBuffer.slice(number * 2);

  let task1 = new taskpool.Task(imageProcessing, buffer1);
  let task2 = new taskpool.Task(imageProcessing, buffer2);
  let task3 = new taskpool.Task(imageProcessing, buffer3);

  taskpool.execute(task1).then((ret: ArrayBuffer[]) => {
    // 步骤3: 结果处理
  });
  taskpool.execute(task2).then((ret: ArrayBuffer[]) => {
    // 步骤3: 结果处理
  });
  taskpool.execute(task3).then((ret: ArrayBuffer[]) => {
    // 步骤3: 结果处理
  });
}

@Entry
@Component
struct Index {
  @State message: string = 'Hello World'

  build() {
    Row() {
      Column() {
        Text(this.message)
          .fontSize(50)
          .fontWeight(FontWeight.Bold)
          .onClick(() => {
            let data: ArrayBuffer;
            histogramStatistic(data);
          })
      }
      .width('100%')
    }
    .height('100%')
  }
}
☀️3.4.2 使用Worker进行长时间数据分析

1、创建Worker

2、UI主线程

import worker from '@ohos.worker';

const workerInstance = new worker.ThreadWorker('entry/ets/workers/Worker.ts');
// 接收Worker子线程的结果
workerInstance.onmessage = function(e) {
  // data：Worker线程发送的信息
  let data = e.data;
  console.info('MyWorker.ts onmessage');
}

workerInstance.onerror = function (d) {
  // 接收Worker子线程的错误信息
}

// 向Worker子线程发送训练消息
workerInstance.postMessage({ 'type': 0 });
// 向Worker子线程发送预测消息
workerInstance.postMessage({ 'type': 1, 'value': [90, 5] });

3、Worker.ts 子线程

import worker, { ThreadWorkerGlobalScope, MessageEvents, ErrorEvent } from '@ohos.worker';

let workerPort: ThreadWorkerGlobalScope = worker.workerPort;

// 定义训练模型及结果 
let result;

// 定义预测函数
function predict(x) {
  return result[x];
}

// 定义优化器训练过程
function optimize() {
  result = {};
}

// Worker线程的onmessage逻辑
workerPort.onmessage = function (e: MessageEvents) {
  let data = e.data
  // 根据传输的数据的type选择进行操作
  switch (data.type) {
    case 0:
    // 进行训练
      optimize();
    // 训练之后发送主线程训练成功的消息
      workerPort.postMessage({ type: 'message', value: 'train success.' });
      break;
    case 1:
    // 执行预测
      const output = predict(data.value);
    // 发送主线程预测的结果
      workerPort.postMessage({ type: 'predict', value: output });
      break;
    default:
      workerPort.postMessage({ type: 'message', value: 'send message is invalid' });
      break;
  }
}

4、线程销毁

主线程接收线程销毁后的执行逻辑

// Worker线程销毁后，执行onexit回调方法
workerInstance.onexit = function() {
  console.info("main thread terminate");
}

方式一：在宿主线程中通过调用terminate()方法销毁Worker线程，并终止Worker接收消息。

// 销毁Worker线程
workerInstance.terminate();

方式二：在Worker线程中通过调用close()方法主动销毁Worker线程，并终止Worker接收消息。

// 销毁线程
workerPort.close();

🦋3.5 I/O密集型任务开发指导

import fs from '@ohos.file.fs';
import taskpool from '@ohos.taskpool';

// 定义并发函数，内部密集调用I/O能力
@Concurrent
async function concurrentTest(fileList: string[]) {
  // 写入文件的实现
  async function write(data, filePath) {
    let file = await fs.open(filePath, fs.OpenMode.READ_WRITE);
    await fs.write(file.fd, data);
    fs.close(file);
  }
  // 循环写文件操作
  for (let i = 0; i < fileList.length; i++) {
    write('Hello World!', fileList[i]).then(() => {
      console.info(`Succeeded in writing the file. FileList: ${fileList[i]}`);
    }).catch((err) => {
      console.error(`Failed to write the file. Code is ${err.code}, message is ${err.message}`)
      return false;
    })
  }
  return true;
}

let filePath1 = ...; // 应用文件路径
let filePath2 = ...;

// 使用TaskPool执行包含密集I/O的并发函数
// 数组较大时，I/O密集型任务任务分发也会抢占主线程，需要使用多线程能力
taskpool.execute(concurrentTest, [filePath1, filePath2]).then((ret) => {
  // 调度结果处理
  console.info(`The result: ${ret}`);
})

🦋3.6 同步任务开发指导

在异步编程中，任务同步是指在多个异步任务之间进行协调和同步执行的过程。当存在多个异步任务需要按照一定的顺序或条件进行执行时，任务同步可以确保任务按照预期的顺序或条件进行执行，以避免竞态条件或程序错误。

常见的任务同步方式包括：

  1. 回调函数：通过在一个异步任务完成后触发回调函数来执行下一个任务。

  2. Promise/异步函数：使用Promise或异步函数的异步链式调用，通过then或await等关键字确保任务按顺序执行。

  3. 线程间通信：通过消息队列或信号量等机制，在异步任务之间传递消息或信号，使得任务按特定的顺序或条件执行。

  4. 锁或互斥体：使用锁或互斥体等同步机制，在异步任务之间实现互斥访问，确保任务按照顺序执行。

任务同步的目的是确保异步任务能够按照一定的顺序或条件执行，以避免竞态条件、数据错误或逻辑错误。

☀️3.6.1 使用TaskPool处理同步任务
// Handle.ts 代码
export default class Handle {
  static getInstance() {
    // 返回单例对象
  }

  static syncGet() {
    // 同步Get方法
    return;
  }

  static syncSet(num: number) {
    // 同步Set方法
    return;
  }
}

// Index.ets代码
import taskpool from '@ohos.taskpool';
import Handle from './Handle'; // 返回静态句柄

// 步骤1: 定义并发函数，内部调用同步方法
@Concurrent
function func(num: number) {
  // 调用静态类对象中实现的同步等待调用
  Handle.syncSet(num);
  // 或者调用单例对象中实现的同步等待调用
  Handle.getInstance().syncGet();
  return true;
}

// 步骤2: 创建任务并执行
async function asyncGet() {
  // 创建task并传入函数func
  let task = new taskpool.Task(func, 1);
  // 执行task任务，获取结果res
  let res = await taskpool.execute(task);
  // 对同步逻辑后的结果进行操作
  console.info(String(res));
}

@Entry
@Component
struct Index {
  @State message: string = 'Hello World';

  build() {
    Row() {
      Column() {
        Text(this.message)
          .fontSize(50)
          .fontWeight(FontWeight.Bold)
          .onClick(() => {
            // 步骤3: 执行并发操作
            asyncGet();
          })
      }
      .width('100%')
      .height('100%')
    }
  }
}
☀️3.6.2 使用Worker处理关联的同步任务

1、UI界面

import worker from '@ohos.worker';

@Entry
@Component
struct Index {
  @State message: string = 'Hello World';

  build() {
    Row() {
      Column() {
        Text(this.message)
          .fontSize(50)
          .fontWeight(FontWeight.Bold)
          .onClick(() => {
            let w = new worker.ThreadWorker('entry/ets/workers/MyWorker.ts');
            w.onmessage = function (d) {
              // 接收Worker子线程的结果
            }
            w.onerror = function (d) {
              // 接收Worker子线程的错误信息
            }
            // 向Worker子线程发送Set消息
            w.postMessage({'type': 0, 'data': 'data'})
            // 向Worker子线程发送Get消息
            w.postMessage({'type': 1})
            // ...
            // 根据实际业务，选择时机以销毁线程
            w.terminate()
          })
      }
      .width('100%')
    }
    .height('100%')
  }
}

2、Worker.ts

// handle.ts代码
export default class Handle {
  syncGet() {
    return;
  }

  syncSet(num: number) {
    return;
  }
}

// Worker.ts代码
import worker, { ThreadWorkerGlobalScope, MessageEvents } from '@ohos.worker';
import Handle from './handle.ts'  // 返回句柄

var workerPort : ThreadWorkerGlobalScope = worker.workerPort;

// 无法传输的句柄，所有操作依赖此句柄
var handler = new Handle()

// Worker线程的onmessage逻辑
workerPort.onmessage = function(e : MessageEvents) {
  switch (e.data.type) {
    case 0:
      handler.syncSet(e.data.data);
      workerPort.postMessage('success set');
    case 1:
      handler.syncGet();
      workerPort.postMessage('success get');
  }
}

🚀写在最后

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