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Flutter開發指南之理論篇:Dart語法05(單線程模型,事件循環模型,Isolate)

總目錄

Flutter開發指南之理論篇:Dart語法01(數據類型,變量,函數)
Flutter開發指南之理論篇:Dart語法02(運算符,循環,異常)
Flutter開發指南之理論篇:Dart語法03(類,泛型)
Flutter開發指南之理論篇:Dart語法04(庫,異步,正則表達式)
Flutter開發指南之理論篇:Dart語法05(單線程模型,事件循環模型,Isolate)
Flutter開發指南之理論篇:Flutter基礎01(架構,設計思想)


?Dart是一門面向對象語言,它針對web 和移動設備開發進行了優化,主要特點為:

  • 一切皆對象!無論是數字,函數還是null,所有對象繼承自Object類;
  • 聲明一個變量時可以不指定具體類型,Dart可以自動推斷類型;
  • Dart支持頂層函數,函數是一等對象,且函數可作為參數傳遞;
  • Dart使用_開頭表示私有屬性,沒有關鍵字publicprotectedprivate

1. 單線程模型

?眾所周知,在Java中使用多線程來處理并發任務,適量并合適地使用多線程,能夠極大地提高資源的利用率和程序運行效率,但是缺點也比較明顯,比如過度開啟線程會帶來額外的資源和性能消耗多線程共享內存容易出現死鎖等。實際上,在APP的使用過程中,多數處理空閑狀態,并不需要進行密集或高并發的處理,因此從某些意義上來說,多線程顯得有點多余。正是因為如此,Dart作為一種新的語言,通過引單線程模型很好地處理了并發任務對多線程的依賴。

1.1 單線程模型

?Dart是一種單線程語言,因此Dart程序沒有主線程和子線程之分,而在Dart中線程并不是指Thread,而是指Isolate。因為Dart沒有線程的概念,只有Isolate,每個Isolate都是隔離的,并不會共享內存。所有的Dart代碼都是在Isolate中運行,它就像機器上的一個小空間,具有自己的私有內存塊和一個運行著事件循環模型的單線程。也就是說,一旦某個Dart函數開始執行,它將執行到這個函數的結束而不被其他Dart代碼打斷,這就是單線程的特性。

image

?默認情況下,Dart程序只有一個Isolate(未自己創建的情況下),而這個Isolate就是Main Isolate。也就是說,一個Dart程序是從Main Isolate的main函數開始的,而在main函數結束后,Main isolate線程開始一個一個處理事件循環模型隊列中的每一事件(Event)。上圖描述的就是Main Isolate的消息循環模型。

1.2 事件循環模型

?也許你會問,既然Dart是一種單線程語言,那么是不是就意味著Dart無法并發處理異步任務了?此言差矣。前面說到,所有的Dart程序都在Isolate中運行,每個Isolate擁有自己的私有內存塊和一個事件循環模型,其中,事件循環模型就是用來處理各種事件,比如點輸入/輸出,點擊,定時器以及異步任務等。下圖描述了一個Isolate事件循環模型的整個流程:

在這里插入圖片描述

?從上圖可知,Dart事件循環機制由一個消息循環(event looper)兩個消息隊列構成,其中,兩個消息隊列是指事件隊列(event queue)微任務隊列(Microtask queue)。該機制運行原理為:

  • 首先,Dart程序從main函數開始運行,待main函數執行完畢后,event looper開始工作;
  • 然后,event looper優先遍歷執行Microtask隊列所有事件,直到Microtask隊列為空;
  • 接著,event looper才遍歷執行Event隊列中的所有事件,直到Event隊列為空;
  • 最后,視情況退出循環。

?為了進一步理解,我們解釋下上述三個概念:

(1)消息循環(Event Looper)

?顧名思義,消息循環就是指一個永不停歇且不能阻塞的循環,它將不停的嘗試從微任務隊列事件隊列中獲取事件(event)進行處理,而這些Event包括了用戶輸入,點擊,Timer,文件IO等。

在這里插入圖片描述

(2)事件隊列(Event queue)

?該隊列的事件來源于外部事件Future,其中,外部事件主要包括I/O,手勢,繪制,計時器和isolate相互通信的message等,而Future主要是指用戶自定義的異步任務,通過創建Future類實例來向事件隊列添加事件。需要注意的是,當Event looper正在處理Microtask Queue時,Event queue會被阻塞,此時APP將無法進行UI繪制,響應用戶輸入和I/O等事件。下列示例演示了向Event queue中添加一個異步任務事件:

main(List<String> args) {
  print('main start...')
  
  var futureInstance = Future<String>(() => "12345");
  futureInstance.then((res) {
    print(res);
  }).catchError((err) {
    print(err);
  });
  
  print('main end...')
}

// 打印結果:
//      main start...
//      main end...
//      12345

(3)微任務隊列(Microtask queue)

?該隊列的事件來源與當前isolate的內部或通過scheduleMicrotask函數創建,Microtask一般用于非常短的內部異步動作,并且任務量非常少,如果微任務非常多,就會造成Event queue排不上隊,會阻塞Event queue的執行造成應用ANR,因為Microtask queue的優先級高于Event queue。因此,大多數情況下的任務優先考慮使用Event queue,不到萬不得已不要使用Microtask queue。下列示例演示了兩個事件隊列執行情況:

import 'dart:async';
main() {
  print('main #1 of 2');
  scheduleMicrotask(() => print('microtask #1 of 2'));

  new Future.delayed(new Duration(seconds:1),
                     () => print('future #1 (delayed)'));
  new Future(() => print('future #2 of 3'));
  new Future(() => print('future #3 of 3'));

  scheduleMicrotask(() => print('microtask #2 of 2'));

  print('main #2 of 2');
}

// 執行結果:
//      main #1 of 2
//      main #2 of 2
//      microtask #1 of 2
//      microtask #2 of 2
//      future #2 of 3
//      future #3 of 3
//      future #1 (delayed)

2. Isolate

?大多數計算機中,甚至在移動平臺上,都在使用多核CPU。 為了有效利用多核性能,開發者一般使用共享內存數據來保證多線程的正確執行。 然而多線程共享數據通常會導致很多潛在的問題,并導致代碼運行出錯。Dart作為一種新語言,為了緩解上述問題,提出了Isolate(隔離區)的概念,即Dart沒有線程的概念,只有Isolate,所有的Dart代碼都是在Isolate中運行,它就像是機器上的一個小空間,具有自己的私有內存堆和一個運行著Event Looper的單個線程。

在這里插入圖片描述

?通常,一個Dart應用對應著一個Main Isolate,且應用的入口即為該Isolate的main函數。當然,我們也可以創建其它的Isolate,由于Isolate的內存堆是私有的,因此這些Isolate的內存都不會被其它Isolate訪問。假如不同的Isolate需要通信(單向/雙向),就只能通過向對方的事件循環隊列里寫入任務,并且它們之間的通訊方式是通過port(端口)實現的,其中,Port又分為receivePort(接收端口)sendPort(發送端口),它們是成對出現的。Isolate之間通信過程:

  • 首先,當前Isolate創建一個ReceivePort對象,并獲得對應的SendPort對象;
 var receivePort = ReceivePort();
 var sendPort = receivePort.sendPort;
  • 其次,創建一個新的Isolate,并實現新Isolate要執行的異步任務,同時,將當前Isolate的SendPort對象傳遞給新的Isolate,以便新Isolate使用這個SendPort對象向原來的Isolate發送事件;
// 調用Isolate.spawn創建一個新的Isolate
// 這是一個異步操作,因此使用await等待執行完畢
var anotherIsolate = await Isolate.spawn(otherIsolateInit, receivePort.sendPort);

// 新Isolate要執行的異步任務
// 即調用當前Isolate的sendPort向其receivePort發送消息
void otherIsolateInit(SendPort sendPort) async {
  value = "Other Thread!";
  sendPort.send("BB");
}
  • 第三,調用當前Isolate#receivePort的listen方法監聽新的Isolate傳遞過來的數據。Isolate之間什么數據類型都可以傳遞,不必做任何標記。
receivePort.listen((date) {
    print("Isolate 1 接受消息:data = $date");
});
  • 最后,消息傳遞完畢,關閉新創建的Isolate。
anotherIsolate?.kill(priority: Isolate.immediate);
anotherIsolate =null;

示例代碼如下(Isolate單向通信):

import 'dart:isolate';

var anotherIsolate;
var value = "Now Thread!";

void startOtherIsolate() async {
  var receivePort = ReceivePort();

  anotherIsolate = await Isolate.spawn(otherIsolateInit, receivePort.sendPort);

  receivePort.listen((date) {
    print("Isolate 1 接受消息:data = $date,value = $value");
  });
}

void otherIsolateInit(SendPort sendPort) async {
  value = "Other Thread!";
  sendPort.send("BB");
}

// 在Main Isolate創建一個新的Isolate
// 并使用Main Isolate的ReceiverPort接收新Isolate傳遞過來的數據
import 'DartLib.dart';

void main(){
  startOtherIsolate();
}

?執行結果:

Isolate 1 接受消息:data = BB,value = Now Thread!

3. 參考文獻

1. Dart asynchronous programming: Isolates and event loops
2. Futures - Isolates - Event Loop
3. Flutter 真異步

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