Kotlin Coroutines 笔记 (一）

Kotlin 在1.1版本之后引入了协程的概念，目前它还是一个试验的API。

在操作系统中，我们知道进程和线程的概念以及区别。而协程相比于线程更加轻量级，协程又称微线程。

协程是一种用户态的轻量级线程，协程的调度完全由用户控制。协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈，直接操作栈则基本没有内核切换的开销，可以不加锁的访问全局变量，所以上下文的切换非常快。

Kotlin 的协程是无阻塞的异步编程方式。Kotlin 允许我们使用协程来代替复杂的线程阻塞操作，并且复用原本的线程资源。

Kotlin 的协程是依靠编译器实现的, 并不需要操作系统和硬件的支持。编译器为了让开发者编写代码更简单方便, 提供了一些关键字(例如suspend), 并在内部自动生成了一些支持型的代码。

先举两个例子来说明协程的轻量级，分别创建10w个协程和10w个线程进行测试。

import kotlinx.coroutines.experimental.CommonPool
import kotlinx.coroutines.experimental.delay
import kotlinx.coroutines.experimental.launch
import kotlinx.coroutines.experimental.runBlocking

/**
 * Created by tony on 2018/7/18.
 */
fun main(args: Array<String>) {

    val start = System.currentTimeMillis()

    runBlocking {
        val jobs = List(100000) {
            // 创建新的coroutine
            launch(CommonPool) {
                // 挂起当前上下文而非阻塞1000ms
                delay(1000)
                println("thread name="+Thread.currentThread().name)
            }
        }

        jobs.forEach {
            it.join()
        }
    }

    val spend = (System.currentTimeMillis()-start)/1000

    println("Coroutines: spend= $spend s")

}

10w个协程的创建在本机大约花费 1 秒，经过测试100w个协程的创建大约花费11 秒。

import kotlin.concurrent.thread

/**
 * Created by tony on 2018/7/18.
 */
fun main(args: Array<String>) {

    val start = System.currentTimeMillis()

    val threads = List(100000) {
        // 创建新的线程
        thread {
            Thread.sleep(1000)
            println(Thread.currentThread().name)
        }
    }

    threads.forEach { it.join() }

    val spend = (System.currentTimeMillis()-start)/1000

    println("Threads: spend= $spend s")

}

10w个线程的创建出现了OutOfMemoryError。

协程上下文，它包含了一个默认的协程调度器。所有协程都必须在 CoroutineContext 中执行。

协程调度器，它用来调度和处理任务，决定了相关协程应该在哪个或哪些线程中执行。Kotlin 的协程包含了多种协程调度器。

按照字面意思是继续、持续的意思。协程的执行可能是分段执行的：先执行一段，挂起，再执行一段，再挂起......

Continuation 则表示每一段执行的代码，Continuation 是一个接口。

任务执行的过程被封装成 Job，交给协程调度器处理。Job 是一种具有简单生命周期的可取消任务。Job 拥有三种状态：isActive、isCompleted、isCancelled。

                                                       wait children
     +-----+       start      +--------+   complete   +-------------+  finish  +-----------+
     | New | ---------------> | Active | -----------> | Completing  | -------> | Completed |
     +-----+                  +--------+              +-------------+          +-----------+
        |                         |                         |
        | cancel                  | cancel                  | cancel
        V                         V                         |
   +-----------+   finish   +------------+                  |
   | Cancelled | <--------- | Cancelling | <----------------+
   |(completed)|            +------------+
   +-----------+

Deferred 是 Job 的子类。Job 完成时是没有返回值的，Deferred 可以为任务完成时提供返回值，并且Deferred 新增了一个状态 isCompletedExceptionally。

                                                      wait children
     +-----+       start      +--------+   complete  +-------------+ finish +-----------+
     | New | ---------------> | Active | ----------> | Completing  | ---+-> | Resolved  |
     +-----+                  +--------+             +-------------+    |   |(completed)|
        |                         |                        |            |   +-----------+
        | cancel                  | cancel                 | cancel     |
        V                         V                        |            |   +-----------+
   +-----------+   finish   +------------+                 |            +-> |  Failed   |
   | Cancelled | <--------- | Cancelling | <---------------+                |(completed)|
   |(completed)|            +------------+                                  +-----------+
   +-----------+

协程计算可以被挂起而无需阻塞线程。我们使用 suspend 关键字来修饰可以被挂起的函数。被标记为 suspend 的函数只能运行在协程或者其他 suspend 函数中。

suspend 可以修饰普通函数、扩展函数和 lambda 表达式。

Kotlin 的协程支持多种异步模型：

这些异步机制在 Kotlin 的协程中都有实现。

Kotlin 官方对协程提供的三种级别的能力支持, 分别是: 最底层的语言层, 中间层标准库(kotlin-stdlib), 以及最上层应用层(kotlinx.coroutines)。

使用 launch 和 async 都能启动一个新的协程。

    val job = launch {
        delay(1000)
        println("Hello World!")
    }

    Thread.sleep(2000)

或者

    val deferred  = async {

        delay(1000)
        println("Hello World!")
    }

    Thread.sleep(2000)

它们分别会返回一个 Job 对象和一个 Deferred 对象。

下面使用 runBlocking 来创建协程。

fun main(args: Array<String>) = runBlocking<Unit> {
    launch {
        delay(1000)
        println("Hello World!")
    }

    delay(2000)
}

runBlocking 创建的协程直接运行在当前线程上，同时阻塞当前线程直到结束。

launch 和 async 在创建时可以使用不同的CoroutineDispatcher，例如：CommonPool。

在 runBlocking 内还可以创建其他协程，例如launch。反之则不行。

Kotlin 的协程能够简化异步编程的代码，使用同步的方式实现异步。协程的概念和理论比较多，第一篇只是一个开始，只整理了其中一些基本概念。

该系列的相关文章：
Kotlin Coroutines 笔记 (二）