[Flutter] 05-Dart中事件循环

一、Dart的异步模型

我们先来看一下Dart是如何进行异步操作的

1、Dart是单线程的

1.1)、 程序中的耗时操作

开发中的耗时操作：

  • 在开发中，我们经常会遇到一些耗时的操作需要完成，比如网络请求、文件读取等等；
  • 如果我们的主线程一直在等待这些耗时的操作完成，那么就会进行阻塞，无法响应其它事件，比如用户的点击；

如何处理耗时的操作呢？

  • 针对如何处理耗时的操作，不同的语言有不同的处理方式。
  • 处理方式一： 多线程，比如Java、C++，我们普遍的做法是开启一个新的线程（Thread），在新的线程中完成这些异步的操作，再通过线程间通信的方式，将拿到的数据传递给主线程。
  • 处理方式二： 单线程+事件循环，比如JavaScript、Dart都是基于单线程加事件循环来完成耗时操作的处理。不过单线程如何能进行耗时的操作呢？！
1.2)、 单线程的异步操作

到这可能有的开发者对单线程的异步充满疑问，其实它们并不冲突：

  • 因为我们的一个应用程序大部分时间都是处于空闲的状态的，并不是无限制的在和用户进行交互。
  • 比如等待用户点击、网络请求数据的返回、文件读写的IO操作，这些等待的行为并不会阻塞我们的线程；
  • 这是因为类似于网络请求、文件读写的IO，我们都可以基于非阻塞调用；

阻塞式调用和非阻塞式调用

如果想搞懂这个点，我们需要知道操作系统中的阻塞式调用和非阻塞式调用的概念。

  • 阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。
  • 阻塞式调用： 调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到调用结果之后才会继续执行。
  • 非阻塞式调用： 调用执行之后，当前线程不会停止执行，只需要过一段时间来检查一下有没有结果返回即可。

我们用一个生活中的例子来模拟：

  • 你中午饿了，需要点一份外卖，点外卖的动作就是我们的调用，拿到最后点的外卖就是我们要等待的结果。
  • 阻塞式调用： 点了外卖，不再做任何事情，就是在傻傻的等待，你的线程停止了任何其他的工作。
  • 非阻塞式调用： 点了外卖，继续做其他事情：继续工作、打把游戏，你的线程没有继续执行其他事情，只需要偶尔去看一下有没有人敲门，外卖有没有送到即可。

而我们开发中的很多耗时操作，都可以基于这样的 非阻塞式调用：

  • 比如网络请求本身使用了Socket通信，而Socket本身提供了select模型，可以进行非阻塞方式的工作；
  • 比如文件读写的IO操作，我们可以使用操作系统提供的基于事件的回调机制；

这些操作都不会阻塞我们单线程的继续执行，我们的线程在等待的过程中可以继续去做别的事情：喝杯咖啡、打把游戏，等真正有了响应，再去进行对应的处理即可。

这时，我们可能有两个问题：

  • 问题一： 如果在多核CPU中，单线程是不是就没有充分利用CPU呢？这个问题，我会放在后面来讲解。
  • 问题二： 单线程是如何来处理网络通信、IO操作它们返回的结果呢？答案就是事件循环（Event Loop）。

2、Dart事件循环

2.1)、什么是事件循环

单线程模型中主要就是在维护着一个事件循环（Event Loop）。

事件循环是什么呢？

  • 事实上事件循环并不复杂，它就是将需要处理的一系列事件（包括点击事件、IO事件、网络事件）放在一个事件队列（Event Queue）中。
  • 不断的从事件队列（Event Queue）中取出事件，并执行其对应需要执行的代码块，直到事件队列清空位置。

我们来写一个事件循环的伪代码：

// 这里我使用数组模拟队列, 先进先出的原则
List eventQueue = []; 
var event;

// 事件循环从启动的一刻，永远在执行
while (true) {
  if (eventQueue.length > 0) {
    // 取出一个事件
    event = eventQueue.removeAt(0);
    // 执行该事件
    event();
  }
}

当我们有一些事件时，比如点击事件、IO事件、网络事件时，它们就会被加入到eventLoop中，当发现事件队列不为空时发现，就会取出事件，并且执行。

2.2)、事件循环代码模拟

这里我们来看一段伪代码，理解点击事件和网络请求的事件是如何被执行的：

  • 这是一段Flutter代码，很多东西大家可能不是特别理解，但是耐心阅读你会读懂我们在做什么。
  • 一个按钮RaisedButton，当发生点击时执行onPressed函数。
  • onPressed函数中，我们发送了一个网络请求，请求成功后会执行then中的回调函数。
RaisedButton(
  child: Text('Click me'),
  onPressed: () {
    final myFuture = http.get('https://example.com');
    myFuture.then((response) {
      if (response.statusCode == 200) {
        print('Success!');
      }
    });
  },
)

这些代码是如何放在事件循环中执行呢？

  • 1、当用户发生点击的时候，onPressed回调函数被放入事件循环中执行，执行的过程中发送了一个网络请求。
  • 2、网络请求发出去后，该事件循环不会被阻塞，而是发现要执行的onPressed函数已经结束，会将它丢弃掉。
  • 3、网络请求成功后，会执行then中传入的回调函数，这也是一个事件，该事件被放入到事件循环中执行，执行完毕后，事件循环将其丢弃。

尽管onPressed和then中的回调有一些差异，但是它们对于事件循环来说，都是告诉它：我有一段代码需要执行，快点帮我完成。

三. Dart的异步补充

3.1. 任务执行顺序

3.1.1. 认识微任务队列

在前面学习学习中，我们知道Dart中有一个事件循环（Event Loop）来执行我们的代码，里面存在一个事件队列（Event Queue），事件循环不断从事件队列中取出事件执行。

但是如果我们严格来划分的话，在Dart中还存在另一个队列：微任务队列（Microtask Queue）。

  • 微任务队列的优先级要高于事件队列；
  • 也就是说事件循环都是优先执行微任务队列中的任务，再执行 事件队列 中的任务；

那么在Flutter开发中，哪些是放在事件队列，哪些是放在微任务队列呢？

  • 所有的外部事件任务都在事件队列中，如IO、计时器、点击、以及绘制事件等；
  • 而微任务通常来源于Dart内部，并且微任务非常少。这是因为如果微任务非常多，就会造成事件队列排不上队，会阻塞任务队列的执行（比如用户点击没有反应的情况）；

说道这里，你可能已经有点凌乱了，在Dart的单线程中，代码到底是怎样执行的呢？

  • 1、Dart的入口是main函数，所以main函数中的代码会优先执行；
  • 2、main函数执行完后，会启动一个事件循环（Event Loop）就会启动，启动后开始执行队列中的任务；
  • 3、首先，会按照先进先出的顺序，执行 微任务队列（Microtask Queue）中的所有任务；
  • 4、其次，会按照先进先出的顺序，执行 事件队列（Event Queue）中的所有任务；
代码执行顺序

3.1.2. 如何创建微任务

在开发中，我们可以通过dart中async下的scheduleMicrotask来创建一个微任务：

import "dart:async";

main(List<String> args) {
  scheduleMicrotask(() {
    print("Hello Microtask");
  });
}

在开发中，如果我们有一个任务不希望它放在Event Queue中依次排队，那么就可以创建一个微任务了。

Future的代码是加入到事件队列还是微任务队列呢？

Future中通常有两个函数执行体：

  • Future构造函数传入的函数体
  • then的函数体（catchError等同看待）

那么它们是加入到什么队列中的呢？

  • Future构造函数传入的函数体放在事件队列中
  • then的函数体要分成三种情况：
  • 情况一：Future没有执行完成（有任务需要执行），那么then会直接被添加到Future的函数执行体后；
  • 情况二：如果Future执行完后就then，该then的函数体被放到如微任务队列，当前Future执行完后执行微任务队列；
  • 情况三：如果Future世链式调用，意味着then未执行完，下一个then不会执行；
// future_1加入到eventqueue中，紧随其后then_1被加入到eventqueue中
Future(() => print("future_1")).then((_) => print("then_1"));

// Future没有函数执行体，then_2被加入到microtaskqueue中
Future(() => null).then((_) => print("then_2"));

// future_3、then_3_a、then_3_b依次加入到eventqueue中
Future(() => print("future_3")).then((_) => print("then_3_a")).then((_) => print("then_3_b"));

3.1.3. 代码执行顺序

我们根据前面的规则来学习一个极的代码执行顺序案例：

import "dart:async";

main(List<String> args) {
  print("main start");

  Future(() => print("task1"));
    
  final future = Future(() => null);

  Future(() => print("task2")).then((_) {
    print("task3");
    scheduleMicrotask(() => print('task4'));
  }).then((_) => print("task5"));

  future.then((_) => print("task6"));
  scheduleMicrotask(() => print('task7'));

  Future(() => print('task8'))
    .then((_) => Future(() => print('task9')))
    .then((_) => print('task10'));

  print("main end");
}

代码执行的结果是：

main start
main end
task7
task1
task6
task2
task3
task5
task4
task8
task9
task10

代码分析：

  • 1、main函数先执行，所以main start和main end先执行，没有任何问题；
  • 2、main函数执行过程中，会将一些任务分别加入到EventQueue和MicrotaskQueue中；
  • 3、task7通过scheduleMicrotask函数调用，所以它被最早加入到MicrotaskQueue，会被先执行；
  • 4、然后开始执行EventQueue，task1被添加到EventQueue中被执行；
  • 5、通过final future = Future(() => null);创建的future的then被添加到微任务中，微任务直接被优先执行，所以会执行task6；
  • 6、一次在EventQueue中添加task2、task3、task5被执行；
  • 7、task3的打印执行完后，调用scheduleMicrotask，那么在执行完这次的EventQueue后会执行，所以在task5后执行task4（注意：scheduleMicrotask的调用是作为task3的一部分代码，所以task4是要在task5之后执行的）
  • 8、task8、task9、task10一次添加到EventQueue被执行；

事实上，上面的代码执行顺序有可能出现在面试中，我们开发中通常不会出现这种复杂的嵌套，并且需要完全搞清楚它的执行顺序；

但是，了解上面的代码执行顺序，会让你对EventQueue和microtaskQueue有更加深刻的理解。

3.2. 多核CPU的利用

3.2.1. Isolate的理解

在Dart中，有一个Isolate的概念，它是什么呢？

  • 我们已经知道Dart是单线程的，这个线程有自己可以访问的内存空间以及需要运行的事件循环；
  • 我们可以将这个空间系统称之为是一个Isolate；
  • 比如Flutter中就有一个Root Isolate，负责运行Flutter的代码，比如UI渲染、用户交互等等；

在 Isolate 中，资源隔离做得非常好，每个 Isolate 都有自己的 Event Loop 与 Queue，

  • Isolate 之间不共享任何资源，只能依靠消息机制通信，因此也就没有资源抢占问题。

但是，如果只有一个Isolate，那么意味着我们只能永远利用一个线程，这对于多核CPU来说，是一种资源的浪费。

如果在开发中，我们有非常多耗时的计算，完全可以自己创建Isolate，在独立的Isolate中完成想要的计算操作。

如何创建Isolate呢？

创建Isolate是比较简单的，我们通过Isolate.spawn就可以创建了：

import "dart:isolate";

main(List<String> args) {
  Isolate.spawn(foo, "Hello Isolate");
}

void foo(info) {
  print("新的isolate：$info");
}

3.2.2. Isolate通信机制

但是在真实开发中，我们不会只是简单的开启一个新的Isolate，而不关心它的运行结果：

  • 我们需要新的Isolate进行计算，并且将计算结果告知Main Isolate（也就是默认开启的Isolate）；
  • Isolate 通过发送管道（SendPort）实现消息通信机制；
  • 我们可以在启动并发Isolate时将Main Isolate的发送管道作为参数传递给它；
  • 并发在执行完毕时，可以利用这个管道给Main Isolate发送消息；
import "dart:isolate";

main(List<String> args) async {
  // 1.创建管道
  ReceivePort receivePort= ReceivePort();

  // 2.创建新的Isolate
  Isolate isolate = await Isolate.spawn<SendPort>(foo, receivePort.sendPort);

  // 3.监听管道消息
  receivePort.listen((data) {
    print('Data：$data');
    // 不再使用时，我们会关闭管道
    receivePort.close();
    // 需要将isolate杀死
    isolate?.kill(priority: Isolate.immediate);
  });
}

void foo(SendPort sendPort) {
  sendPort.send("Hello World");
}

但是我们上面的通信变成了单向通信，如果需要双向通信呢？

  • 事实上双向通信的代码会比较麻烦；
  • Flutter提供了支持并发计算的compute函数，它内部封装了Isolate的创建和双向通信；
  • 利用它我们可以充分利用多核心CPU，并且使用起来也非常简单；

注意：下面的代码不是dart的API，而是Flutter的API，所以只有在Flutter项目中才能运行

main(List<String> args) async {
  int result = await compute(powerNum, 5);
  print(result);
}

int powerNum(int num) {
  return num * num;
}
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