Kotlin协程：Flow基础原理

李萧蝶
1,392 阅读6分钟

    本文分析示例代码如下：

launch(Dispatchers.Main) {
    flow {
        emit(1)
        emit(2)
    }.collect {
        delay(1000)

        withContext(Dispatchers.IO) {
            Log.d("liduo", "$it")
        }

        Log.d("liduo", "$it")
    }
}

一.Flow的创建

    在协程中，可以通过flow方法创建一个Flow对象，一个Flow对象代表一个冷流。其中参数block是FlowCollector的扩展方法，并且可挂起。代码入下：

public fun <T> flow(@BuilderInference block: suspend FlowCollector<T>.() -> Unit): Flow<T> = SafeFlow(block)

    FlowCollector是一个接口，用于收集上游的流发出的值，代码如下：

public interface FlowCollector<in T> {
    // 可挂起，非线程安全
    public suspend fun emit(value: T)
}

    调用flow方法，会返回一个Flow接口指向的对象，代码如下：

public interface Flow<out T> {
   
    @InternalCoroutinesApi
    public suspend fun collect(collector: FlowCollector<T>)
}

    这里flow方法的返回对象是一个SafeFlow类型的对象。至此Flow就创建完毕了。

二.Flow的消费

    在协程中，当需要消费流时，会调用collect方法，触发流的消费，代码如下：

public suspend inline fun <T> Flow<T>.collect(crossinline action: suspend (value: T) -> Unit): Unit =
    collect(object : FlowCollector<T> {
        override suspend fun emit(value: T) = action(value)
    })

    这里的collect方法不是Flow接口定义的方法，而是Flow的扩展方法，内部创建了一个匿名的FlowCollector对象，并且把action封装到了FlowCollector对象的emit方法中，最后将FlowCollector对象作为参数传入到了另一个collect方法，这个collect方法才是Flow接口定义的方法。

1.SafeFlow类

    根据上面的分析，Flow对象最后返回的是一个SafeFlow类型的对象。因此，这里调用的另一个collect方法，就是SafeFlow类中的collect方法，代码如下：

private class SafeFlow<T>(private val block: suspend FlowCollector<T>.() -> Unit) : AbstractFlow<T>() {
    override suspend fun collectSafely(collector: FlowCollector<T>) {
        collector.block()
    }
}

    SafeFlow类继承自AbstractFlow类，类中重写了collectSafely方法。因此调用的collect方法实际上是AbstractFlow类的方法。

2.AbstractFlow类

    AbstractFlow类是一个抽象类，实现了Flow接口和CancellableFlow接口。实际上CancellableFlow接口继承自Flow接口，因此AbstractFlow类只重写了collect方法，代码如下：

@FlowPreview
public abstract class AbstractFlow<T> : Flow<T>, CancellableFlow<T> {

     // 核心方法 
    @InternalCoroutinesApi
    public final override suspend fun collect(collector: FlowCollector<T>) {
        // 创建SafeCollector对象，对collector进行包裹
        val safeCollector = SafeCollector(collector, coroutineContext)
        try {
            // 调用collectSafely方法
            collectSafely(safeCollector)
        } finally {
            // 释放拦截的续体
            safeCollector.releaseIntercepted()
        }
    }
    
    public abstract suspend fun collectSafely(collector: FlowCollector<T>)
}

    collect方法内部调用了collectSafely方法，collectSafely方法在SafeFlow中被重写。collectSafely方法中会调用flow中的block，并提供一个SafeCollector类的环境。

3. SafeCollector类

    当flow方法中的代码在执行时，会调用emit方法发射数据，这时由于block执行在SafeCollector类的环境中，因此调用的emit方法是SafeCollector类的方法。

    SafeCollector类实现了FlowCollector接口并且继承自ContinuationImpl类，代码如下：

internal actual class SafeCollector<T> actual constructor(
    @JvmField internal actual val collector: FlowCollector<T>,
    @JvmField internal actual val collectContext: CoroutineContext
) : FlowCollector<T>, ContinuationImpl(NoOpContinuation, EmptyCoroutineContext), CoroutineStackFrame {
    
    ...
    // 保存上下文中元素数量，用于检查上下文是否变化
    @JvmField
    internal actual val collectContextSize = collectContext.fold(0) { count, _ -> count + 1 }
    // 保存上一次的上下文
    private var lastEmissionContext: CoroutineContext? = null
    // 执行结束后的续体
    private var completion: Continuation<Unit>? = null

    // 协程上下文
    override val context: CoroutineContext
        get() = completion?.context ?: EmptyCoroutineContext

    // 挂起的核心方法
    override fun invokeSuspend(result: Result<Any?>): Any? {
        result.onFailure { lastEmissionContext = DownstreamExceptionElement(it) }
        completion?.resumeWith(result as Result<Unit>)
        return COROUTINE_SUSPENDED
    }

    // 释放拦截的续体
    public actual override fun releaseIntercepted() {
        super.releaseIntercepted()
    }

    // 发射数据
    override suspend fun emit(value: T) {
        // 获取当前suspend方法续体
        return suspendCoroutineUninterceptedOrReturn sc@{ uCont ->
            try {
                // 调用重载的方法
                emit(uCont, value)
            } catch (e: Throwable) {
                 // 出现异常时，将异常封装成上下文，保存到lastEmissionContext
                lastEmissionContext = DownstreamExceptionElement(e)
                // 抛出异常
                throw e
            }
        }
    }

    // 重载的emit方法
    private fun emit(uCont: Continuation<Unit>, value: T): Any? {
        // 从续体中获取上下文
        val currentContext = uCont.context
        // 保证当前协程的Job是active的
        currentContext.ensureActive()
        // 获取上次的上下文
        val previousContext = lastEmissionContext
        // 如果前后上下文发生变化
        if (previousContext !== currentContext) {
            // 检查上下文是否发生异常
            checkContext(currentContext, previousContext, value)
        }
        // 保存续体
        completion = uCont
        // 调用emitFun方法，传入collector，value，continuation
        return emitFun(collector as FlowCollector<Any?>, value, this as Continuation<Unit>)
    }

    // 检查上下文变化，防止并发
    private fun checkContext(
        currentContext: CoroutineContext,
        previousContext: CoroutineContext?,
        value: T
    ) {
        // 如果上次执行过程中发生了异常
        if (previousContext is DownstreamExceptionElement) {
            // 抛出异常
            exceptionTransparencyViolated(previousContext, value)
        }
        // 检查上下文是否发生变化，如果变化，则抛出异常
        checkContext(currentContext)
        lastEmissionContext = currentContext
    }
    
    // 用于抛出异常
    private fun exceptionTransparencyViolated(exception: DownstreamExceptionElement, value: Any?) {
        error("""
            Flow exception transparency is violated:
                Previous 'emit' call has thrown exception ${exception.e}, but then emission attempt of value '$value' has been detected.
                Emissions from 'catch' blocks are prohibited in order to avoid unspecified behaviour, 'Flow.catch' operator can be used instead.
                For a more detailed explanation, please refer to Flow documentation.
            """.trimIndent())
    }
}

    emit方法最终会调用emitFun方法方法，代码如下：

private val emitFun =
    FlowCollector<Any?>::emit as Function3<FlowCollector<Any?>, Any?, Continuation<Unit>, Any?>

    emitFun是一个lambda表达式，它将只有一个参数的emit方法转换成三个参数的方法。emitFun方法在编译时会被编译器处理，反编译后的代码逻辑大致如下：

@Nullable
public final Object invoke(@NotNull FlowCollector p1, @Nullable Object p2, @NotNull Continuation continuation) {
   InlineMarker.mark(0);
   // 核心执行
   Object var10000 = p1.emit(p2, continuation);
   InlineMarker.mark(2);
   InlineMarker.mark(1);
   return var10000;
}

    可以看到，emitFun方法内部会调用FlowCollector类对象的emit方法，同时传入value和continuation作为参数。

    而这个FlowCollector类对象就是一开始的collect方法封装的匿名类对象，代码如下：

public suspend inline fun <T> Flow<T>.collect(crossinline action: suspend (value: T) -> Unit): Unit =
    collect(object : FlowCollector<T> {
        override suspend fun emit(value: T) = action(value)
    })

    调用它的emit方法，会直接调用action的invoke方法，并传入发射的数据，流在这里被最终消费。

    通过上面的分析，可以知道消费的过程是在emit方法中被调用的，如果在消费的过程，没有发生挂起，那么emit方法执行完毕后，会继续执行flow方法里剩下的代码，而如果在消费的过程中发生了挂起，情况会稍有不同。

4.消费过程中的挂起

    如果消费过程中发生挂起，那么emit方法会返回一个COROUTINE_SUSPENDED对象，suspendCoroutineUninterceptedOrReturn方法在收到COROUTINE_SUSPENDED对象后，会挂起当前协程。代码如下：

override suspend fun emit(value: T) {
    // 获取当前suspend方法续体
    return suspendCoroutineUninterceptedOrReturn sc@{ uCont ->
        try {
            // 调用重载的方法
            emit(uCont, value)
        } catch (e: Throwable) {
            // 出现异常时，将异常封装成上下文，保存到lastEmissionContext
            lastEmissionContext = DownstreamExceptionElement(e)
            // 抛出异常
            throw e
        }
    }
}

    当消费过程执行完毕时，会通过传入的续体唤起外部协程恢复挂起状态。根据emitFun可以知道，这里传入的续体为this，也就是当前的SafeCollector类对象，代码如下：

emitFun(collector as FlowCollector<Any?>, value, this as Continuation<Unit>)

    恢复挂起需要调用续体的resumeWith方法，上面提到SafeCollector类继承自ContinuationImpl类，SafeCollector类中没有重写resumeWith方法，而ContinuationImpl类中也没有重写resumeWith方法，因此实际调用的是ContinuationImpl类的父类BaseContinuationImpl类的resumeWith方法。如下图所示：
40aa1464-b282-47d6-a150-2b3cb38f1dac.png

    在Kotlin协程：创建、启动、挂起、恢复中提到过，调用BaseContinuationImpl类的resumeWith方法，内部会调用invokeSuspend方法，而SafeCollector类重写了invokeSuspend方法，代码如下：

override fun invokeSuspend(result: Result<Any?>): Any? {
    // 尝试获取异常
    result.onFailure { lastEmissionContext = DownstreamExceptionElement(it) }
    // 如果没有异常，则恢复flow方法续体的执行
    completion?.resumeWith(result as Result<Unit>)
    // 返回挂起标识，这里挂起的是消费过程
    return COROUTINE_SUSPENDED
}

    在invokeSuspend方法中，会调用resumeWith方法恢复生产过程——flow方法的执行，同时挂起消费过程的执行。全部过程如下图所示： 69f492c6-593a-462f-b1b2-b04a14fc0997.png

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