20210909【译】深入Kotlin协程

LKV1988
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原文链接：kt.academy/article/cc-under-the-hood

内容来自于《Kotlin Coroutines》书中的一个章节，可以在LeanPub中找到它

就有那么一类人，他们不会仅仅只是接受汽车是能开动的。他们需要去打开它的引擎盖，尝试理解一下在引擎盖之下它是如何运作的。而我就是这一类人，所以我需要搞清楚协程是如何运作的。如果你也和我一样，那么你会喜欢这一章节的内容，如果你不是的话，那么可以跳过它了。

本章不会想你介绍新的工具，仅仅只是一个解释。将要试图去达到让人满意的程度来解释协程是如何工作的。关键的课程是：

  • 挂起方法就像是状态机，在方法执行伊始以及每个挂起函数之后都带着一个可能的状态数据
  • 用来表征状态的数字和本地数据都会被保持在Continuation所代表的的后续执行过程对象中
  • 代表一个方法的Continuation又被另一个的所修饰起来，结果就是所有的Continuation代表着一个调用栈，会在恢复的时候被用到

如果你对一些内部原理感兴趣（简化过的），随我来。

后续传递风格

Continuation-passing style

挂起函数是有好几种声明的方式的，但是Kotlin团队决定了使用了：后续传递风格。这代表了后续过程会被作为参数在方法之间进行传递

按照惯例，代表后续过程的参数会是方法声明中的最后一个

suspend fun getUser(): User?
suspend fun setUser(user: User)
suspend fun checkAvailability(flight: Flight): Boolean

// 实际上会是下边的样子：
fun getUser(continuation: Continuation<*>): Any?
fun setUser(user: User, continuation: Continuation<*>): Any
fun checkAvailability(
    flight: Flight,
    continuation: Continuation<*>
): Any

你应该已经注意到了，实际上的方法的返回类型和原始声明并不一样。所有类型都变成了Any类型，那些可空的变成了Any?。为什么会这样呢？原因是挂起函数是可能被挂起的，所以它们有可能不会返回一个声明类型。在这种情况下，它所返回的实际上是一个特殊的COROUTINE_SUSPENDED标记。稍后在练习中会看到。

现在只需要关注，因为getUser可能会返回User?或COROUTINE_SUSPENDED（Any类型），所以他的结果就必须是User?和Any的超类型，即Any?。

也许有一天，Kotlin会引入一个集合类型，那么这里我们就可以写成User?|COROUTINE_SUSPENDED了

简单的方法

挖的更深一点，看看下边这个例子，一个延迟前后有简单打印：

suspend fun myFunction() {
  println("Before")
  delay(1000) //挂起中
  println("After")
}

你已经可以推断出来，真实的方法签名会是：

fun myFunction(continuation: Continuation<*>): Any

接下来此方法需要他自己的“后续”，来记得它的状态数据。让我们将它命名为：MyFunctionContinuation（实际上的“后续”是一个对象展开式，并没有名字，但是通过现在的方式方便后边进行解释）。在此方法的一开始，myFunction会用MyFunctionContinuation来包装参数上的continuation：

val continuation = MyFunctionContinuation(continuation)

只有在continuation尚未被包装过的时候才可以这么做。一旦包装完毕，它就是恢复进程中的一员了，我们应该保持continuation不变（当前可能听起来很困惑，但是接下来你就会明白为什么了）：

val continuation =
	if (continuation is MyFunctionContinuation) continuation
	else MyFunctionContinuation(continuation)

可以简化为：

val continuation = continuation as? MyFunctionContinuation
	?: MyFunctionContinuation(continuation)

最终，让我们谈谈方法的内容：

suspend fun myFunction() {
  println("Before")
  delay(1000) //挂起中
  println("After")
}

这个方法可能通过两种方式开始：

  • 它本身是第一个调用
  • 从某个挂起点后恢复

为了标记当前的状态，我们声明一个变量叫做label，在开始时它是0，然后方法开始执行。在每一个挂起点之前，它都会被赋值为下一个状态（+1），所以在恢复后我们就可以刚好在挂起点后启动：

// 用来描述myFunction背后是如何运行的简单的演示
fun myFunction(continuation: Continuation<Unit>): Any {
    val continuation = continuation as? MyFunctionContinuation
        ?: MyFunctionContinuation(continuation)

    if (continuation.label == 0) {
        println("Before")
        continuation.label = 1
        if (delay(1000, continuation) == COROUTINE_SUSPENDED) {
            return COROUTINE_SUSPENDED
        }
    }
    if (continuation.label == 1) {
        println("After")
        return Unit
    }
    error("Impossible")
}

最后一个重要的点在上边的代码片段中也有展示，就是当delay方法被挂起时，此函数直接返回了COROUTINE_SUSPENDED，同样的事情也会发生在调用此函数的上级函数中，层层向上直到调用栈的顶部。这就是一个挂起节点是如何终结掉所有函数的，然后此线程就可以去做其他事情了。

在我们继续之前，来分析一下上边的代码。如果delay的调用返回了COROUTINE_SUSPENDED会发生什么？而如果返回了Unit呢（虽然不可能，但是假设一下）？

如果delay返回了Unit（即什么都没返回），那么会像其他的函数一样正常之后，而后将运转到下一个状态（label被赋值）

MyFunctionContinuation的声明实际上是很短暂的，它会继承与ContinuationImpl：

class MyFunctionContinuation(continuation: Continuation<*>) : ContinuationImpl(continuation) {
    var result: Any? = null // 在此场景中这个返回值是无用的，就是个Unit，后边会阐述有什么用处
    var label = 0

    override fun invokeSuspend($result$: Any?): Any? {
        this.result = $result;
        return myFunction(this);
    }
};

你可能已经注意到了，我们的continuation继承自ContinuationImpl。这个类以及它的父类们，是负责了整个恢复过程的。它们的全景是相当复杂的，随着时间的推移它会越来越趋于简化，但是现在我们只需要为我们的简单方法做一个最小化的continuation就可以了（所以后边我们会继承于Continuation而不是ContinuationImpl）。在这个简化版中，我们假设：

  • continuation仅仅需要一个状态来表示我们在哪里挂起了，通过label
  • 传入resume的值并不重要（是个Unit）
  • 当发生异常时continuation将不会被恢复

下边的代码片段你可以拿来运行和分析，它是可以正常工作的。需要记住下边有非常多的简化操作，真实的continuation有更多的逻辑需要考量（大多数我们后边会解释到），delay会用它自己的类行包装continuation，我们启动的方式类似，都是用协程构造器：

fun myFunction(continuation: Continuation<Unit>): Any {
    val continuation = continuation as? MyFunctionContinuation
    ?: MyFunctionContinuation(continuation)

    if (continuation.label == 0) {
        println("Before")
        continuation.label = 1
        if (delay(1000, continuation) == COROUTINE_SUSPENDED) {
            return COROUTINE_SUSPENDED
        }
    }
    if (continuation.label == 1) {
        println("After")
        return Unit
    }
    error("Impossible")
}

class MyFunctionContinuation(val completion: Continuation<Unit>) : Continuation<Unit> {
    override val context: CoroutineContext
    get() = completion.context

    var label = 0

    override fun resumeWith(result: Result<Unit>) {
        if (result.isSuccess) {
            val res = myFunction(this)
            completion.resume(res as Unit)
        }
        // ... 余下的部分后边再说
    }
}

上述的代码是下边这段代码会发生什么的简单描述版本：

//sampleStart
suspend fun myFunction() {
    println("Before")
    delay(1000)
    println("After")
}

fun main() {
    val EMPTY_CONTINUATION = object : Continuation<Unit> {
        override val context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext

        override fun resumeWith(result: Result<Unit>) {
            // no-op
        }
    }
    suspend { myFunction() }.startCoroutine(EMPTY_CONTINUATION)
    Thread.sleep(2000)
}

将上述代码赋值到IIntellJ IDEA中，使用 Tools > Kotlin > Show Kotlin bytecode 的Decompile（反编译）按钮。你会看到它们被反编译为了Java代码（如果用Java写的话看看这代码会差不多长成什么样子）

带有状态的方法

如果一个方法有一些状态（比如本地变量）是需要在挂起之后恢复的，那么这些状态需要在它的continuation中保持住。比如下边的方法：

suspend fun myFunction() {
  println("Before")
  val counter = 0
  delay(1000) //挂起中
  counter++
  println("Counter: $counter")
  println("After")
}

在挂起前，需要将状态存储在continuation中，挂起后才可以进行恢复。接下来这个方法是怎么做的就像是这样（简化版）：

fun myFunction(continuation: Continuation<Unit>): Any {
    val continuation = continuation as? MyFunctionContinuation
    ?: MyFunctionContinuation(continuation)

    var counter = continuation.counter //初始化

    if (continuation.label == 0) {
        println("Before")
        counter = 0
        continuation.counter = counter //存储
        continuation.label = 1
        if (delay(1000, continuation) == COROUTINE_SUSPENDED) {
            return COROUTINE_SUSPENDED
        }
    }
    if (continuation.label == 1) {
        counter = (counter as Int) + 1 //消费
        println("Counter: $counter")
        println("After")
        return Unit
    }
    error("Impossible")
}

class MyFunctionContinuation(
    val completion: Continuation<Unit>
        ) : Continuation<Unit> {
    override val context: CoroutineContext // 现在先别管这个变量
    get() = completion.context

    var label = 0
    var counter: Int? = null //用来存储原有方法的状态数据counter

    override fun resumeWith(result: Result<Unit>) {
        if (result.isSuccess) {
            val res = myFunction(this)
            completion.resume(res as Unit)
        }
        // ... 稍后再讨论这部分
    }
}

带值恢复的方法

这是个稍稍不同的场景：如果在挂起中我们的确需要一些数据。让我们分析下边的方法：

suspend fun printUser(token: String) {
    println("Before")
    val userId = getUserId(token) // suspending
    println("Got userId: $userId")
    val userName = getUserName(userId) // suspending
    println(User(userId, userName))
    println("After")
}

上边有两个挂起函数：

  • getUserId
  • getUserName

我们添加了一个入参，同时我们的挂起函数也返回了一些值。这些值都需要被存储在continuation中：

  • userId，因为它在恢复后被其他状态需要
  • result，函数中并没有这个变量，但其代表了挂起中的函数的返回值（初始状态的user id，以及第二状态时的 user name）
  • token，是在continuation中被需要的，因为在printUser方法被调用时候需要它

下边是它的模样：

fun printUser(
    token: String,
    continuation: Continuation<Nothing>
        ): Any {
    val continuation = continuation as? MyFunctionContinuation
    ?: MyFunctionContinuation(continuation as Continuation<Unit>, token)

    var result: Any? = continuation.result
    var userId: String? = continuation.userId
    val userName: String

    if (continuation.label == 0) {
        println("Before")
        continuation.label = 1
        result = getUserId(token, continuation)
        if (result == COROUTINE_SUSPENDED) {
            return COROUTINE_SUSPENDED
        }
    }
    if (continuation.label == 1) {
        userId = result as String
        println("Got userId: $userId")
        continuation.label = 2
        continuation.userId = userId
        result = getUserName(userId, continuation)
        if (result == COROUTINE_SUSPENDED) {
            return COROUTINE_SUSPENDED
        }
    }
    if (continuation.label == 2) {
        userName = result as String
        println(User(userId as String, userName))
        println("After")
        return Unit
    }
    error("Impossible")
}

class MyFunctionContinuation(val completion: Continuation<Unit>, val token: String) : Continuation<String> {
    override val context: CoroutineContext // 先别管这个变量
    get() = completion.context

    var label = 0
    var result: Any? = null
    var userId: String? = null

    override fun resumeWith(result: Result<String>) {
        if (result.isSuccess) {
            this.result = result.getOrNull()
            val res = printUser(token, this)
            completion.resume(res as Unit)
        }
        // ... 后边将要讨论
    }
}

异常

一个continuation能被正常的恢复，也能携带异常恢复。第二种情况将会在挂起点中有异常被抛出时发生。为了模拟这个场景，异常将被设置到结果中，然后每个挂起点都会调用result.throwOnFailure()方法。这个方法的内容就将之前设置的异常抛出（如有），多亏如此，异常才可以被捕获，然后开发者可以看到有意义的堆栈信息。为了让上边说到的这些发生，我们的结果需要同时能保存成功和失败，所以result的实际类型是个泛型Result<T>。

在下边的展示中，因为我不能使用来自Kotlin标准库中的Result<T>，所以我用自己声明的来代替：

fun printUser(token: String, continuation: Continuation<Nothing>): Any {
    val continuation =
    if (continuation is MyFunctionContinuation) continuation
    else MyFunctionContinuation(continuation as Continuation<Unit>, token)

    var result: Result<Any>? = continuation.result
    var userId: String? = continuation.userId
    val userName: String

    if (continuation.label == 0) {
        result?.throwOnFailure()
        println("Before")
        continuation.label = 1
        val res = getUserId(token, continuation)
        if (res == COROUTINE_SUSPENDED) {
            return COROUTINE_SUSPENDED
        }
        result = Result.success(res)
    }
    if (continuation.label == 1) {
        result!!.throwOnFailure()
        userId = result.getOrNull() as String
        println("Got userId: $userId")
        continuation.label = 2
        continuation.userId = userId
        val res = getUserName(userId, continuation)
        if (res == COROUTINE_SUSPENDED) {
            return COROUTINE_SUSPENDED
        }
        result = Result.success(res)
    }
    if (continuation.label == 2) {
        result!!.throwOnFailure()
        userName = result.getOrNull() as String
        println(User(userId as String, userName))
        println("After")
        return Unit
    }
    error("Impossible")
}

class MyFunctionContinuation(val completion: Continuation<Unit>, val token: String) : Continuation<String> {
    override val context: CoroutineContext // Don't think about it now
    get() = completion.context

    var label = 0
    var result: Result<Any>? = null
    var userId: String? = null

    override fun resumeWith(result: Result<String>) {
        this.result = result
        val res = try {
            val r = printUser(token, this)
            if (r == COROUTINE_SUSPENDED) return
            Result.success(r as Unit)
        } catch (e: Throwable) {
            Result.failure(e)
        }
        completion.resumeWith(res)
    }
}

fun main() {
    toStart()
}

调用栈

当方法a调用方法b，虚拟机需要存储a的状态以及当b执行完成后要继续执行的地址是多少。以上信息所存储的格式叫做调用栈。问题是：当我们挂起时，我们释放了线程，也就是说我们的调用栈被自己清除了。所以结果就是，当我们恢复时没有用到它。取而代之的是continuation们可以是作为一个调用栈。每一个continuation保持着我们在哪里挂起的（用label）、方法本地的变量以及参数，还有调用我们的那个方法所对应的continuation的引用。一个continuation引用着另外一个，另外一个又引用其他的，如此如此。结果就是，我们的continuation就像是一个巨型洋葱，在调用栈上保存着所有的东西，看起来就像是这样：

suspend fun a() {
    val user = getUser()
    b()
    b()
    b()
    return user
}

suspend fun b() {
    for (i in 1..10) {
        c(i)
    }
}

suspend fun c(i: Int) {
    delay(i * 100)
    println("Tick")
}

一个简单的continuation表示就像是下边这样：

CContinuation {
   label -> 1
   completion -> BContinuation {
       i -> 4
       label -> 1
       completion -> AContinuation {
           label -> 2
           user -> User@1234
       }
   }
}

当一个continuation恢复了，每个continuation首先调用它自己的方法，当调用完成时，它再去恢复调用它的方法对应的continuation。这样调用方法的过程会重复直到栈顶：

override fun resumeWith(result: Result<String>) {
  this.result = result
  val res = try {
    val r = requestUser(token, this)
    if (r == COROUTINE_SUSPENDED) return
    Success(r)
  } catch (e: Throwable) {
    Failure(e)
  }
  completion.resumeWith(res)
}

用图表示，整个过程看起来就是下边这样：

像是异常一样，它们被一个个的从方法中被抛出来，除非他们在哪里被捕获了。

译者注：所以这里可以理解为completion就是调用当前方法的方法对应的continuation。当当前方法结束时，会带着结果再次调用父方法，父方法进入下一状态（或抛出此时result中已有的异常）

真实的代码

真实的continuation以及挂起方法会比这复杂得多，因为它包含了一些优化和额外的算法：

  • 构建一个更好的异常堆栈
  • 添加协程挂起拦截器（后边会讨论这个特性）

下边是基于Kotlin 1.5.30版本的一部分BaseContinuationImpl的实现，其展示了真正的resumeWith实现（其他方法和注释被跳过了）：

internal abstract class BaseContinuationImpl(
    val completion: Continuation<Any?>?
) : Continuation<Any?>, CoroutineStackFrame, Serializable {
    // 使用循环代替递归是内部决定好的，不能让外部有机会复写，所以final
    final override fun resumeWith(result: Result<Any?>) {
        // 使用循环代替递归让恢复时堆栈能更加短
        var current = this
        var param = result
        while (true) {
            // 用于填充debug信息
            probeCoroutineResumed(current)
            with(current) {
                val completion = completion!! // fail fast
                // 执行自己的内容，产生结果
                val outcome: Result<Any?> =
                    try {
                        val outcome = invokeSuspend(param)
                        // 如果需要挂起，那么直接返回，不要担心，下游方法有当前continuation的引用（completion），会在完成时自己找回来的
                        if (outcome === COROUTINE_SUSPENDED)
                            return
                        Result.success(outcome)
                    } catch (exception: Throwable) {
                        Result.failure(exception)
                    }
                releaseIntercepted()
                // 状态机实例（意义上）要终结了……
                if (completion is BaseContinuationImpl) {
                    // 使用循环而非递归进行调用链回溯，completion代表的是调用自己的方法
                    current = completion
                    param = outcome
                } else {
                    // 顶层调用将不是BaseContinuationImpl类型
                    // 会带着最终的结果退出
                    completion.resumeWith(outcome)
                    return
                }
            }
        }
    }

    // ...
}

如你所见，其使用了循环来代替递归调用。这个变化会让代码有一定优化，更加简单。

讨论

真实的实现原理其实是更加复杂的，但是我希望通过这篇文章你能对协程的内部有一些概念了，关键点是：

  • 挂起方法有些像是状态机，在方法的一开始以及每个挂起方法调用后都有一个状态
  • label所代表的状态以及本地数据都被保存在continuation对象中
  • 方法所对应的continuation是被另一个continuation所修饰的，所有的这些continuation表示了一个调用栈，这个调用栈会在恢复时起到作用
  1. 实际的算法会更加复杂，label的第一位会额外的产生变化，在另外的地方这一位会进行检查。这个算法用来让挂起方法支持再现。为了追求简单的理解，这一点被跳过了
  2. 调用栈是有限空间，如果它都被用完了，那么我们就需要处理StackOverflowError栈溢出错误了
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