Kotlin协程简单介绍

目录

  1. 协程基础概念
  2. 协程核心机制
  3. 协程与线程对比
  4. 协程调度原理
  5. 挂起函数工作原理
  6. 结构化并发与生命周期
  7. 异步流处理(Flow)​
  8. 最佳实践与性能优化
  9. 高级主题:状态机与Continuation
  10. 实战场景与常见问题

1. 协程基础概念

1.1 什么是协程

  • 轻量级并发单元(用户态线程)
  • Kotlin官方推荐的异步编程解决方案
  • 核心特性:挂起/恢复、结构化并发、非阻塞
  • 本质:基于状态机与回调的高级抽象

1.2 核心组件

组件 作用 示例
挂起函数 支持暂停/恢复的函数 suspend fun fetchData(): Data
协程构建器 创建协程的方式 launch{}, async{}, runBlocking{}
调度器 控制协程执行线程 Dispatchers.Main, Dispatchers.IO
作用域 管理协程生命周期 CoroutineScope, viewModelScope

2. 协程核心机制

2.1 挂起与恢复

  • 挂起(Suspend)​:协程暂停执行,释放线程资源
  • 恢复(Resume)​:在条件满足时继续执行
  • 关键对象Continuation保存协程状态
kotlin 复制代码
// 挂起点示例
suspend fun loadData() {
   val data = fetchFromNetwork() // 挂起点
   process(data) // 恢复后执行
}

2.2 非阻塞原理

阶段 协程状态 线程状态
执行耗时操作前 运行中 执行任务
进入IO操作点 →挂起 →立即释放
后台处理中 挂起中 执行其他任务
操作完成 →恢复 →重新调度执行

3. 协程与线程对比

3.1 核心差异

特性 协程 Java线程
资源开销 ~100字节/协程 ~1MB/线程
创建数量 单线程数万协程 数千线程耗尽资源
切换机制 用户态切换(≈10ns) 内核态切换(≈1μs)
阻塞行为 挂起释放线程 阻塞整个线程
取消机制 结构化一键取消 手动interrupt+检查
调度控制 精确Dispatcher控制 依赖OS调度

3.2 性能对比

kotlin 复制代码
// 创建1000个"任务"执行1秒延迟
// 协程版
fun coroutinesTest() = runBlocking {
   repeat(1000) {
       launch(Dispatchers.Default) { delay(1000) }
   }
} // 耗时: ~1s, 内存: <10MB

// 线程版
fun threadsTest() {
   repeat(1000) {
       Thread { Thread.sleep(1000) }.start()
   }
} // 耗时: >3s, 内存: >100MB

4. 协程调度原理

4.1 Dispatchers类型

调度器 线程池特性 适用场景
Main UI线程 Android UI更新
IO 64线程+缓存 网络/文件IO
Default CPU核心数线程 计算密集型
Unconfined 不限制 特殊调试场景

4.2 调度流程


5. 挂起函数工作原理

5.1 挂起函数执行流程

  1. 调用suspend函数传递隐式Continuation
  2. 执行到挂起点(如网络请求)返回COROUTINE_SUSPENDED
  3. 注册回调保留Continuation
  4. IO操作完成后调用continuation.resume(result)
  5. 协程重新进入调度队列

5.2 回调转挂起

kotlin 复制代码
// 传统回调转挂起函数
suspend fun loadData(): String = suspendCancellableCoroutine { cont ->
   retrofitService.fetchData().enqueue(object : Callback {
       override fun onSuccess(data: String) {
           cont.resume(data)
       }
       override fun onFailure(e: Exception) {
           cont.resumeWithException(e)
       }
   })
   
   // 回调前可取消
   cont.invokeOnCancellation { 
       retrofitService.cancel()
   }
}

6. 结构化并发与生命周期

6.1 结构化并发三原则

  1. 作用域绑定:协程必须属于特定作用域
  2. 父子关系:子协程继承父协程上下文
  3. 取消传播:父协程取消时自动取消子协程

6.2 Android生命周期管理

kotlin 复制代码
class MyViewModel : ViewModel() {
   fun loadData() {
       viewModelScope.launch {
           // 子协程自动管理
           val data = withContext(Dispatchers.IO) {
               repository.loadData()
           }
           updateUI(data)
       }
       // ViewModel销毁时自动取消所有协程
   }
}

7. 异步流处理(Flow)

7.1 Flow核心概念

特性 说明 对比RxJava
冷流 无订阅者不触发 类似Observable
背压支持 默认同步处理 需特殊操作符
操作符链 声明式数据处理 类似操作符
线程切换 flowOn控制 subscribeOn

7.2 基本使用

kotlin 复制代码
fun getDataStream(): Flow<Data> = flow {
   emit(loadFromCache())
   emit(loadFromNetwork())
}

// 收集流
viewModelScope.launch {
   getDataStream()
       .map { it.toViewData() }
       .flowOn(Dispatchers.IO)
       .catch { e -> emit(ErrorData(e)) }
       .collect { updateUI(it) }
}

7.3 StateFlow & SharedFlow

kotlin 复制代码
// 状态管理
private val _uiState = MutableStateFlow<UiState>(Loading)
val uiState: StateFlow<UiState> = _uiState

// 事件总线
private val _events = MutableSharedFlow<Event>()
val events = _events.asSharedFlow()

// 发送更新
fun updateData() {
   viewModelScope.launch {
       _uiState.value = Loading
       val data = repository.loadData()
       _uiState.value = Success(data)
       _events.emit(ShowToast("Updated"))
   }
}

8. 最佳实践与性能优化

8.1 最佳实践原则

  1. DIspatcher显式指定

    kotlin 复制代码
    suspend fun loadData() = withContext(Dispatchers.IO) {
        // IO操作
    }
  2. 避免全局作用域

    kotlin 复制代码
    // ❌ 避免
    GlobalScope.launch { /* ... */ }
    
    // ✅ 推荐
    viewModelScope.launch { /* ... */ }
  3. 合理使用async/await

    kotlin 复制代码
    val user = async { getUser() }
    val posts = async { getPosts() }
    updateUI(user.await(), posts.await())

8.2 性能优化技巧

  1. 减少Dispatcher切换

    kotlin 复制代码
    withContext(Dispatchers.Default) {
       val data = withContext(Dispatchers.IO) { loadData() }
       processData(data) // 同线程执行
    }
  2. 协程选择策略

    场景 推荐方案
    单次请求 launch + withContext
    并行任务 async/await
    流式数据 Flow
    状态管理 StateFlow

9. 高级主题:状态机与Continuation

9.1 状态机转换

java 复制代码
// 源码: 
suspend fun fetchData(): String {
    val data = requestNetwork()
    return process(data)
}

// 伪代码转换结果:
class FetchDataContinuation(
    var state: Int, 
    var result: Any?
) : Continuation {
    fun invokeSuspend(result: Result<Any?>) {
        when (state) {
            0 -> { 
                state = 1
                requestNetwork(this) // 注册回调
            }
            1 -> {
                val data = result as String
                state = 2
                process(data, this)
            }
            2 -> return result
        }
    }
}

9.2 Continuation核心方法

kotlin 复制代码
interface Continuation<in T> {
   // 协程执行上下文
   val context: CoroutineContext
   
   // 恢复协程执行
   fun resumeWith(result: Result<T>)
}

// 恢复扩展函数
fun <T> Continuation<T>.resume(value: T) {
   resumeWith(Result.success(value))
}

10. 实战场景与常见问题

10.1 典型应用场景

  1. 网络请求

    kotlin 复制代码
    viewModelScope.launch {
        try {
            val data = withContext(Dispatchers.IO) {
                retrofitService.getData()
            }
            _state.value = UiState.Success(data)
        } catch (e: Exception) {
            _state.value = UiState.Error(e)
        }
    }
  2. 数据库监听

    kotlin 复制代码
    @Dao
    interface UserDao {
        @Query("SELECT * FROM users")
        fun getUsers(): Flow<List<User>>
    }
  3. 多数据源合并

    kotlin 复制代码
    val userData = flow { emit(repo.getUser()) }
    val newsData = flow { emit(repo.getNews()) }
    
    userData.combine(newsData) { user, news ->
        ProfileData(user, news)
    }.collect { updateUI(it) }

10.2 常见问题解答

Q: 协程会在后台线程阻塞吗?​

A: 不会。只要使用正确的Dispatcher:

  • Dispatchers.IO适合阻塞IO操作
  • Dispatchers.Default适合CPU密集型任务

Q: 如何避免取消导致资源泄露?​

kotlin 复制代码
suspend fun doTask() {
    withContext(Dispatchers.IO) {
        val resource = openResource()
        try {
            // 检查取消状态
            ensureActive()
            useResource(resource)
        } finally {
            // 确保资源释放
            resource.close()
        }
    }
}

Q: 如何处理并行异常?​

kotlin 复制代码
viewModelScope.launch {
    val deferred1 = async { task1() }
    val deferred2 = async { task2() }
    
    try {
        val results = awaitAll(deferred1, deferred2)
    } catch (e: Exception) {
        // 处理任一任务异常
    }
}

附录:协程调试技巧

  1. 添加协程名称

    kotlin 复制代码
    launch(CoroutineName("NetworkRequest")) { ... }
  2. 启用调试模式

    kotlin 复制代码
    // build.gradle
    kotlin {
       jvmToolchain(11)
       compilerOptions.freeCompilerArgs.add(
           "-Xdebug"
       )
    }
  3. 异常堆栈跟踪

    kotlin 复制代码
    // 获取当前协程信息
    fun currentCoroutineInfo() = 
       "Coroutine ${coroutineContext[CoroutineName]}"

结语

Kotlin协程通过创新的挂起机制和结构化并发模型,为现代异步编程提供了强大的解决方案。本文档全面覆盖了从基础概念到底层实现的各个方面,帮助开发者:

  1. 深入理解协程工作原理
  2. 避免常见并发陷阱
  3. 构建高性能异步应用
  4. 充分利用Kotlin语言特性
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