【dart学习】-- Dart之异步编程

一，概述

　　编程中的代码执行，通常分为同步与异步两种。

同步：
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：
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。
　　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。

二，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

先查看MicroTask队列是否为空，不是则先执行MicroTask队列
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
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

注意：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。

三，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

1. 使用 scheduleMicrotask 方法添加

2. 使用Future对象添加

import  'dart:async';

//我的任务队列
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);

}

将任务添加到Event队列　　

使用Future对象添加

import  'dart:async';

//我的任务

void  myTask(){

    print("this is my task");

}

void  main() {

 # 1. 使用Future对象添加
  new Future(myTask);

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');

}

运行结果：

main start

main stop

this is microtask

this is my task

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。

四，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');

});

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");

}

运行结果：

main start

main stop

5s task

task delayed

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。

五，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。　　

//我的任务
void  myTask(){

    print("this is my task");

}

void  main() {

    Future fut = new  Future(myTask);//根据我的任务创建Future对象

}

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。换种理解方式就是，Future就是一个受你委托的委托人，你将未来要执行的任务交给他，你告知他任务类型是耗时任务，还是非耗时任务，然后分类放到事件循环中去，当任务完成后，它会第一时间执行回调方法告知你任务完成，或者会等到你委托给他的所有任务都完成了立马告知你。

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");

}

运行结果：

main start

sync task

main stop

async task

注册回调

使用then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");

}

运行结果：

main start

main stop

18

async task

async task complete

async task after

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);

  });

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");

}

运行结果：

main start

main stop

task 1

task 2

task 3

[1, 2, 3]

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。

六，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。他们允许你像写同步代码一样写异步代码和不需要使用Future接口。

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");

}

运行结果：

main start

main end

Ok

注意：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。

总结：
- Future中的then并没有创建新的Event丢到Event Queue中，而只是一个普通的Function Call，在FutureTask执行完后，立即开始执行
- 当Future在then函数先已经执行完成了，则会创建一个task，将该task的添加到microtask queue中，并且该任务将会执行通过then传入的函数
- Future只是创建了一个Event，将Event插入到了Event Queue的队尾
- 使用Future.value构造函数的时候，就会和第二条一样，创建Task丢到microtask Queue中执行then传入的函数
- Future.sync构造函数执行了它传入的函数之后，也会立即创建Task丢到microtask Queue中执行

七，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。

isolate本身是隔离的意思，有自己的内存和单线程控制的实体，因为isolate之间的内存在逻辑是隔离的，isolate的代码是按顺序执行的。在Dart中并发可以使用用isolate，isolate和Thread很像，但是isolate之间没有共享内存。一个Dart程序是在Main isolate的Main函数开始，我们平时开发中，默认环境就是Main isolate，App的启动入口main函数就是一个isolate，在Main函数结束后，Main isolate线程开始一个一个处理Event Queue中的每一个Event。

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);

}

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");

}

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]

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");

}

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]

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。

八，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";

}

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：

　　方法执行在几毫秒或十几毫秒左右的，应使用Future，如果一个任务需要几百毫秒或之上的，则建议创建单独的Isolate
除此之外，还有一些可以参考的场景

- JSON 解码
- 加密
- 图像处理：比如剪裁
- 网络请求：加载资源、图片

九，参考：

《Flutter学习之事件循环机制、数据库、网络请求》