Dart 异步编程详解之一文全懂

编程中的代码执行，通常分为 同步 与 异步 两种。简单说，同步就是按照代码的编写顺序，从上到下依次执行，这也是最简单的我们最常接触的一种形式。但是同步代码的缺点也显而易见，如果其中某一行或几行代码非常耗时，那么就会阻塞，使得后面的代码不能被立刻执行。

异步的出现正是为了解决这种问题，它可以使某部分耗时代码不在当前这条执行线路上立刻执行，那究竟怎么执行呢？最常见的一种方案是使用多线程，也就相当于开辟另一条执行线，然后让耗时代码在另一条执行线上运行，这样两条执行线并列，耗时代码自然也就不能阻塞主执行线上的代码了。

多线程虽然好用，但是在大量并发时，仍然存在两个较大的缺陷，一个是开辟线程比较耗费资源，线程开多了机器吃不消，另一个则是线程的锁问题，多个线程操作共享内存时需要加锁，复杂情况下的锁竞争不仅会降低性能，还可能造成死锁。因此又出现了基于事件的异步模型。简单说就是在某个单线程中存在一个事件循环和一个事件队列，事件循环不断的从事件队列中取出事件来执行，这里的事件就好比是一段代码，每当遇到耗时的事件时，事件循环不会停下来等待结果，它会跳过耗时事件，继续执行其后的事件。当不耗时的事件都完成了，再来查看耗时事件的结果。因此，耗时事件不会阻塞整个事件循环，这让它后面的事件也会有机会得到执行。

我们很容易发现，这种基于事件的异步模型，只适合 I/O 密集型的耗时操作，因为 I/O 耗时操作，往往是把时间浪费在等待对方传送数据或者返回结果，因此这种异步模型往往用于网络服务器并发。如果是计算密集型的操作，则应当尽可能利用处理器的多核，实现并行计算。

Dart 的事件循环

Dart 是事件驱动的体系结构，该结构基于具有单个事件循环和两个队列的单线程执行模型。 Dart虽然提供调用堆栈。 但是它使用事件在生产者和消费者之间传输上下文。 事件循环由单个线程支持，因此根本不需要同步和锁定。

Dart 的两个队列分别是

• MicroTask queue 微任务队列

• Event queue 事件队列

Dart事件循环执行如上图所示

1. 先查看 MicroTask 队列是否为空，不是则先执行 MicroTask 队列
2. 一个 MicroTask 执行完后，检查有没有下一个 MicroTask ，直到 MicroTask 队列为空，才去执行 Event 队列
3. 在 Evnet 队列取出一个事件处理完后，再次返回第一步，去检查 MicroTask 队列是否为空

我们可以看出，将任务加入到 MicroTask 中可以被尽快执行，但也需要注意，当事件循环在处理 MicroTask 队列时， Event 队列会被卡住，应用程序无法处理鼠标单击、I/O消息等等事件。

调度任务

注意，以下调用的方法，都定义在 dart:async 库中。

将任务添加到 MicroTask 队列有两种方法

import  'dart:async';

void  myTask(){
    print("this is my task");
}

void  main() {
    # 1. 使用 scheduleMicrotask 方法添加
    scheduleMicrotask(myTask);

    # 2. 使用Future对象添加
    new  Future.microtask(myTask);
}
复制代码

将任务添加到 Event 队列

import  'dart:async';

void  myTask(){
    print("this is my task");
}

void  main() {
    new  Future(myTask);
}
复制代码

现在学会了调度任务，赶紧编写代码验证以上的结论

import  'dart:async';

void  main() {
    print("main start");

    new  Future((){
        print("this is my task");
    });

    new  Future.microtask((){
        print("this is microtask");
    });

    print("main stop");
}
复制代码

运行结果：

main start
main stop
this is microtask
this is my task
复制代码

可以看到，代码的运行顺序并不是按照我们的编写顺序来的，将任务添加到队列并不等于立刻执行，它们是异步执行的，当前 main 方法中的代码执行完之后，才会去执行队列中的任务，且 MicroTask 队列运行在 Event 队列之前。

延时任务

如需要将任务延伸执行，则可使用 Future.delayed 方法

new  Future.delayed(new  Duration(seconds:1),(){
    print('task delayed');
});
复制代码

表示在延迟时间到了之后将任务加入到 Event 队列。需要注意的是，这并不是准确的，万一前面有很耗时的任务，那么你的延迟任务不一定能准时运行。

import  'dart:async';
import  'dart:io';

void  main() {
    print("main start");

    new Future.delayed(new  Duration(seconds:1),(){
        print('task delayed');
    });

    new Future((){
        // 模拟耗时5秒
        sleep(Duration(seconds:5));
        print("5s task");
    });

    print("main stop");
}
复制代码

运行结果：

main start
main stop
5s task
task delayed
复制代码

从结果可以看出， delayed 方法调用在前面，但是它显然并未直接将任务加入 Event 队列，而是需要等待1秒之后才会去将任务加入，但在这1秒之间，后面的 new Future 代码直接将一个耗时任务加入到了 Event 队列，这就直接导致写在前面的 delayed 任务在1秒后只能被加入到耗时任务之后，只有当前面耗时任务完成后，它才有机会得到执行。这种机制使得延迟任务变得不太可靠，你无法确定延迟任务到底在延迟多久之后被执行。

Future 详解

Future类是对未来结果的一个代理，它返回的并不是被调用的任务的返回值。

void  myTask(){
    print("this is my task");
}

void  main() {
    Future fut = new  Future(myTask);
}
复制代码

如上代码， Future 类实例 fut 并不是函数 myTask 的返回值，它只是代理了 myTask 函数，封装了该任务的执行状态。

创建 Future

Future 的几种创建方法

Future()
Future.microtask()
Future.sync()
Future.value()
Future.delayed()
Future.error()

其中 sync 是同步方法，任务会被立即执行

import  'dart:async';

void  main() {
    print("main start");

new  Future.sync((){
    print("sync task");
});

new  Future((){
    print("async task");
});

    print("main stop");
}
复制代码

运行结果：

main start
sync task
main stop
async task
复制代码

注册回调

当 Future 中的任务完成后，我们往往需要一个回调，这个回调立即执行，不会被添加到事件队列。

import 'dart:async';

void main() {
  print("main start");


  Future fut =new Future.value(18);
  // 使用then注册回调
  fut.then((res){
    print(res);
  });

 // 链式调用，可以跟多个then，注册多个回调
  new Future((){
    print("async task");
  }).then((res){
    print("async task complete");
  }).then((res){
    print("async task after");
  });

  print("main stop");
}
复制代码

运行结果：

main start
main stop
18
async task
async task complete
async task after
复制代码

除了 then 方法，还可以使用 catchError 来处理异常，如下

new Future((){
    print("async task");
  }).then((res){
    print("async task complete");
  }).catchError((e){
    print(e);
  });
复制代码

还可以使用 静态方法 wait 等待多个任务全部完成后回调。

import 'dart:async';

void main() {
  print("main start");

  Future task1 = new Future((){
    print("task 1");
    return 1;
  });

  Future task2 = new Future((){
    print("task 2");
    return 2;
  });
    
  Future task3 = new Future((){
    print("task 3");
    return 3;
  });

  Future fut = Future.wait([task1, task2, task3]);
  fut.then((responses){
    print(responses);
  });

  print("main stop");
}
复制代码

运行结果：

main start
main stop
task 1
task 2
task 3
[1, 2, 3]
复制代码

如上， wait 返回一个新的 Future ，当添加的所有 Future 完成时，在新的 Future 注册的回调将被执行。

async 和 await

在Dart1.9中加入了 async 和 await 关键字，有了这两个关键字，我们可以更简洁的编写异步代码，而不需要调用 Future 相关的API

将 async 关键字作为方法声明的后缀时，具有如下意义

• 被修饰的方法会将一个 Future 对象作为返回值
• 该方法会 同步 执行其中的方法的代码直到 第一个 await 关键字 ，然后它暂停该方法其他部分的执行；
• 一旦由 await 关键字引用的 Future 任务执行完成， await 的下一行代码将立即执行。

// 导入io库，调用sleep函数
import 'dart:io';

// 模拟耗时操作，调用sleep函数睡眠2秒
doTask() async{
  await sleep(const Duration(seconds:2));
  return "Ok";
}

// 定义一个函数用于包装
test() async {
  var r = await doTask();
  print(r);
}

void main(){
  print("main start");
  test();
  print("main end");
}
复制代码

运行结果：

main start
main end
Ok
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需要注意， async 不是并行执行，它是遵循Dart 事件循环 规则来执行的，它仅仅是一个语法糖，简化 Future API 的使用。

Isolate

前面已经说过，将非常耗时的任务添加到事件队列后，仍然会拖慢整个事件循环的处理，甚至是阻塞。可见基于事件循环的异步模型仍然是有很大缺点的，这时候我们就需要 Isolate ，这个单词的中文意思是隔离。

简单说，可以把它理解为Dart中的线程。但它又不同于线程，更恰当的说应该是微线程，或者说是协程。它与线程最大的区别就是不能共享内存，因此也不存在锁竞争问题，两个 Isolate 完全是两条独立的执行线，且每个 Isolate 都有自己的 事件循环 ，它们之间只能通过发送消息通信，所以它的资源开销低于线程。

从主 Isolate 创建一个新的 Isolate 有两种方法

spawnUri

static Future<Isolate> spawnUri()

spawnUri 方法有三个必须的参数，第一个是Uri，指定一个新 Isolate 代码文件的路径，第二个是参数列表，类型是 List<String> ，第三个是动态消息。需要注意，用于运行新 Isolate 的代码文件中，必须包含一个main函数，它是新 Isolate 的入口方法，该main函数中的args参数列表，正对应 spawnUri 中的第二个参数。如不需要向新 Isolate 中传参数，该参数可传空 List

主 Isolate 中的代码：

import 'dart:isolate'; 


void main() {
  print("main isolate start");
  create_isolate();
  print("main isolate stop");
}

// 创建一个新的 isolate
create_isolate() async{
  ReceivePort rp = new ReceivePort();
  SendPort port1 = rp.sendPort;

  Isolate newIsolate = await Isolate.spawnUri(new Uri(path: "./other_task.dart"), ["hello, isolate", "this is args"], port1);

  SendPort port2;
  rp.listen((message){
    print("main isolate message: $message");
    if (message[0] == 0){
      port2 = message[1];
    }else{
      port2?.send([1,"这条信息是 main isolate 发送的"]);
    }
  });

  // 可以在适当的时候，调用以下方法杀死创建的 isolate
  // newIsolate.kill(priority: Isolate.immediate);
}
复制代码

创建 other_task.dart 文件，编写新 Isolate 的代码

import 'dart:isolate';
import  'dart:io';


void main(args, SendPort port1) {
  print("isolate_1 start");
  print("isolate_1 args: $args");

  ReceivePort receivePort = new ReceivePort();
  SendPort port2 = receivePort.sendPort;

  receivePort.listen((message){
    print("isolate_1 message: $message");
  });

  // 将当前 isolate 中创建的SendPort发送到主 isolate中用于通信
  port1.send([0, port2]);
  // 模拟耗时5秒
  sleep(Duration(seconds:5));
  port1.send([1, "isolate_1 任务完成"]);

  print("isolate_1 stop");
}
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运行主 Isolate 的结果：

main isolate start
main isolate stop
isolate_1 start
isolate_1 args: [hello, isolate, this is args]
main isolate message: [0, SendPort]
isolate_1 stop
main isolate message: [1, isolate_1 任务完成]
isolate_1 message: [1, 这条信息是 main isolate 发送的]
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整个消息通信过程如上图所示， 两个Isolate是通过两对Port对象通信，一对Port分别由用于接收消息的 ReceivePort 对象，和用于发送消息的 SendPort 对象构成。其中 SendPort 对象不用单独创建，它已经包含在 ReceivePort 对象之中。需要注意，一对Port对象只能单向发消息，这就如同一根自来水管， ReceivePort 和 SendPort 分别位于水管的两头，水流只能从 SendPort 这头流向 ReceivePort 这头。因此，两个 Isolate 之间的消息通信肯定是需要两根这样的水管的，这就需要两对Port对象。

理解了 Isolate 消息通信的原理，那么在Dart代码中，具体是如何操作的呢？

ReceivePort 对象通过调用 listen 方法，传入一个函数可用来监听并处理发送来的消息。 SendPort 对象则调用 send() 方法来发送消息。 send 方法传入的参数可以是 null , num , bool , double , String , List , Map 或者是自定义的类。 在上例中，我们发送的是包含两个元素的 List

对象，第一个元素是整型，表示消息类型，第二个元素则表示消息内容。

spawn

static Future<Isolate> spawn()

除了使用 spawnUri ，更常用的是使用 spawn 方法来创建新的 Isolate ，我们通常希望将新创建的 Isolate 代码和 main Isolate 代码写在同一个文件，且不希望出现两个main函数，而是将指定的耗时函数运行在新的 Isolate ，这样做有利于代码的组织和代码的复用。 spawn 方法有两个必须的参数，第一个是需要运行在新 Isolate 的耗时函数，第二个是动态消息，该参数通常用于传送主 Isolate 的 SendPort 对象。

spawn 的用法与 spawnUri 相似，且更为简洁，将上面例子稍作修改如下

import 'dart:isolate'; 
import  'dart:io';

void main() {
  print("main isolate start");
  create_isolate();
  print("main isolate end");
}

// 创建一个新的 isolate
create_isolate() async{
  ReceivePort rp = new ReceivePort();
  SendPort port1 = rp.sendPort;

  Isolate newIsolate = await Isolate.spawn(doWork, port1);

  SendPort port2;
  rp.listen((message){
    print("main isolate message: $message");
    if (message[0] == 0){
      port2 = message[1];
    }else{
      port2?.send([1,"这条信息是 main isolate 发送的"]);
    }
  });
}

// 处理耗时任务
void doWork(SendPort port1){
  print("new isolate start");
  ReceivePort rp2 = new ReceivePort();
  SendPort port2 = rp2.sendPort;

  rp2.listen((message){
    print("doWork message: $message");
  });

  // 将新isolate中创建的SendPort发送到主isolate中用于通信
  port1.send([0, port2]);
  // 模拟耗时5秒
  sleep(Duration(seconds:5));
  port1.send([1, "doWork 任务完成"]);

  print("new isolate end");
}
复制代码

运行结果：

main isolate start
main isolate end
new isolate start
main isolate message: [0, SendPort]
new isolate end
main isolate message: [1, doWork 任务完成]
doWork message: [1, 这条信息是 main isolate 发送的]
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无论是上面的 spawn 还是 spawnUri ，运行后都会创建两个进程，一个是主 Isolate 的进程，一个是新 Isolate 的进程，两个进程都双向绑定了消息通信的通道，即使新的 Isolate 中的任务完成了，它的进程也不会立刻退出，因此，当使用完自己创建的 Isolate 后，最好调用 newIsolate.kill(priority: Isolate.immediate); 将 Isolate 立即杀死。

Flutter 中创建Isolate

无论如何，在Dart中创建一个 Isolate 都显得有些繁琐，可惜的是Dart官方并未提供更高级封装。但是，如果想在Flutter中创建 Isolate ，则有更简便的API，这是由 Flutter 官方进一步封装 ReceivePort 而提供的更简洁API。详细API文档

使用 compute 函数来创建新的 Isolate 并执行耗时任务

import 'package:flutter/foundation.dart';
import  'dart:io';

// 创建一个新的Isolate，在其中运行任务doWork
create_new_task() async{
  var str = "New Task";
  var result = await compute(doWork, str);
  print(result);
}


void doWork(String value){
  print("new isolate doWork start");
  // 模拟耗时5秒
  sleep(Duration(seconds:5));

  print("new isolate doWork end");
  return "complete:$value";
}
复制代码

compute 函数有两个必须的参数，第一个是待执行的函数，这个函数必须是一个顶级函数，不能是类的实例方法，可以是类的静态方法，第二个参数为动态的消息类型，可以是被运行函数的参数。需要注意，使用 compute 应导入 'package:flutter/foundation.dart' 包。

使用场景

Isolate 虽好，但也有合适的使用场景，不建议滥用 Isolate ，应尽可能多的使用Dart中的事件循环机制去处理异步任务，这样才能更好的发挥Dart语言的优势。

那么应该在什么时候使用 Future ，什么时候使用 Isolate 呢？ 一个最简单的判断方法是根据某些任务的平均时间来选择：

Future
Isolate

除此之外，还有一些可以参考的场景，如JSON 解码、加密、图像处理：比如剪裁、长时间的网络请求来加载资源

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参考资料：Dart 文档 Isolate 文档

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