Kotlin 协程 Select：看我如何多路复用

小鱼人爱编程
6,060 阅读4分钟

前言

协程系列文章：

协程通信三剑客：Channel、Select、Flow，上篇已经分析了Channel的深水区，本篇将会重点分析Select的使用及原理。
通过本篇文章，你将了解到：

  1. Select 的引入
  2. Select 的使用
  3. Invoke函数 的妙用
  4. Select 的原理
  5. Select 注意事项

1. Select 的引入

多路数据的选择

串行执行

如今的二维码识别应用场景越来越广了，早期应用比较广泛的识别SDK如zxing、zbar，它们各有各的特点，也存在识别不出来的情况，为了将两者优势结合起来，我们想到的方法是同一份二维码图片分别给两者进行识别。
如下：

    //从zxing 获取二维码信息
    suspend fun getQrcodeInfoFromZxing(bitmap: Bitmap?): String {
        //模拟耗时
        delay(2000)
        return "I'm fish"
    }

    //从zbar 获取二维码信息
    suspend fun getQrcodeInfoFromZbar(bitmap: Bitmap?): String {
        delay(1000)
        return "I'm fish"
    }

    fun testSelect() {
        runBlocking {
            var bitmap = null
            var starTime = System.currentTimeMillis()
            var qrcoe1 = getQrcodeInfoFromZxing(bitmap)
            var qrcode2 = getQrcodeInfoFromZbar(bitmap)
            println("qrcode1=$qrcoe1 qrcode2=$qrcode2 useTime:${System.currentTimeMillis() - starTime} ms")
        }
    }

查看打印，最后花费的时间：

qrcode1=I'm fish qrcode2=I'm fish useTime:3013 ms

当然这是串行的方式效率比较低，我们想到了用协程来优化它。

协程并行执行

如下：

    fun testSelect1() {
        var bitmap = null;
        var starTime = System.currentTimeMillis()
        var deferredZxing = GlobalScope.async {
            getQrcodeInfoFromZxing(bitmap)
        }

        var deferredZbar = GlobalScope.async {
            getQrcodeInfoFromZbar(bitmap)
        }

        runBlocking {
            //挂起等待识别结果
            var qrcoe1 = deferredZxing.await()
            //挂起等待识别结果
            var qrcode2 = deferredZbar.await()
            println("qrcode1=$qrcoe1 qrcode2=$qrcode2 useTime:${System.currentTimeMillis() - starTime} ms")
        }
    }

查看打印，最后花费的时间：

qrcode1=I'm fish qrcode2=I'm fish useTime:2084 ms

可以看出，花费时间明显变少了。
与上个Demo 相比，虽然识别过程是放在协程里并行执行的，但是在等待识别结果却是串行的。我们引入两个识别库的初衷是哪个识别快就用哪个的结果，为了达成这个目的，传统的方式是：

同时监听并记录识别结果的返回。

同时监听多路结果

如下：

    fun testSelect2() {
        var bitmap = null;
        var starTime = System.currentTimeMillis()
        var deferredZxing = GlobalScope.async {
            getQrcodeInfoFromZxing(bitmap)
        }

        var deferredZbar = GlobalScope.async {
            getQrcodeInfoFromZbar(bitmap)
        }

        var isEnd = false
        var result: String? = null
        GlobalScope.launch {
            if (!isEnd) {
                //没有结束，则继续识别
                var resultTmp = deferredZxing.await()
                if (!isEnd) {
                    //识别没有结束，说明自己是第一个返回结果的
                    result = resultTmp
                    println("zxing recognize ok useTime:${System.currentTimeMillis() - starTime} ms")
                    //标记识别结束
                    isEnd = true
                }
            }
        }

        GlobalScope.launch {
            if (!isEnd) {
                var resultTmp = deferredZbar.await()
                if (!isEnd) {
                    //识别没有结束，说明自己是第一个返回结果的
                    result = resultTmp
                    println("zbar recognize ok useTime:${System.currentTimeMillis() - starTime} ms")
                    isEnd = true
                }
            }
        }

        //检测是否有结果返回
        runBlocking {
            while (!isEnd) {
                delay(1)
            }
            println("recognize result:$result")
        }
    }

通过检测isEnd 标记来判断是否有某个模块返回结果。
结果如下：

  • zbar recognize ok useTime:1070 ms
  • recognize result:I'm fish

由于模拟设定的zbar 解析速度快，因此每次都是采纳的是zbar的结果，所花费的时间大幅减少了，该结果符合预期。

Select 闪亮登场

虽说上个Demo结果符合预期，但是多了很多额外的代码、多引入了其它协程，并且需要子模块对标记进行赋值（对"isEnd"进行赋值），没有达到解耦的目的。我们希望子模块的任务是单一且闭环的，如果能在一个函数里统一检测结果的返回就好了。
Select 就是为了解决多路数据的选择而生的。
来看看它是怎么解决该问题的：

    fun testSelect3() {
        var bitmap = null;
        var starTime = System.currentTimeMillis()
        var deferredZxing = GlobalScope.async {
            getQrcodeInfoFromZxing(bitmap)
        }
        var deferredZbar = GlobalScope.async {
            getQrcodeInfoFromZbar(bitmap)
        }
        runBlocking {
            //通过select 监听zxing、zbar 结果返回
            var result = select<String> {
                //监听zxing
                deferredZxing.onAwait {value->
                    //value 为deferredZxing 识别的结果
                    "zxing result $value"
                }

                //监听zbar
                deferredZbar.onAwait { value->
                    "zbar result $value"
                }
            }

            //运行到此，说明已经有结果返回
            println("result from $result useTime:${System.currentTimeMillis() - starTime}")
        }
    }

结果如下：

result from zbar result I'm fish useTime:1079

符合预期，同时可以看出：相比上个Demo，这样写简洁了许多。

2. Select 的使用

除了可以监听async的结果，Select 还可以监听Channel的发送方/接收方 数据，我们以监听接收方数据为例：

    fun testSelect4() {
        runBlocking {
            var bitmap = null;
            var starTime = System.currentTimeMillis()
            var receiveChannelZxing = produce {
                //生产数据
                var result = getQrcodeInfoFromZxing(bitmap)
                //发送数据
                send(result)
            }

            var receiveChannelZbar = produce {
                var result = getQrcodeInfoFromZbar(bitmap)
                send(result)
            }

            var result = select<String> {
                //监听是否有数据发送过来
                receiveChannelZxing.onReceive {
                    value->"zxing result $value"
                }

                receiveChannelZbar.onReceive {
                        value->"zbar result $value"
                }
            }

            println("result from $result useTime:${System.currentTimeMillis() - starTime}")
        }
    }

结果如下：

result from zbar result I'm fish useTime:1028

不论是async还是Channel，Select 都可以监听它们的数据，从而形成多路复用的效果。

image.png

在监听协程里调用select 表达式，表达式{}内声明需要监听的协程的数据，对于select 来说有两种场景：

  1. 没有数据，则select 挂起协程并等待直到其它协程数据准备完成后再次恢复select 所在的协程。
  2. 有数据，则select 正常执行并返回获取的数据。

3. Invoke函数 的妙用

在分析Select 原理之前，需要弄明白invoke函数的原理。
对于Kotlin 类来说，都可以重写其invoke函数。

    operator fun invoke():String {
        return "I'm fish"
    }

如上，重写了SelectDemo里的invoke函数，和普通成员函数一样，我们可以通过对象调用它。

fun main(args: Array<String>) {
    var selectDemo = SelectDemo()
    var result = selectDemo.invoke()
    println("result：$result")
}

当然，可以进一步简化：

fun main(args: Array<String>) {
    var selectDemo = SelectDemo()
    var result = selectDemo()
    println("result：$result")
}

这里涉及到了kotlin的语法糖：对象居然可以像函数一样调用。
作为函数，invoke 当然也可以接收高阶函数作为参数：

    operator fun invoke(block: (Int) -> String): String {
        return block(3)
    }

fun main(args: Array<String>) {
    var selectDemo = SelectDemo()
    var result = selectDemo { age ->
        when (age) {
            3 -> "I'm fish3"
            4 -> "I'm fish4"
            else -> "error"
        }
    }
    println("result：$result")
}

因此，当看到对象作为函数调用时，实际上调用的是invoke函数，具体的逻辑需要查看其invoke函数的实现。

4. Select 的原理

上篇分析过Channel，因此本篇趁热打铁，通过Select 监听Channel数据的变化来分析其原理，为方便讲解，我们先以监听一个Channel的为例。
先从select 表达式本身入手。

    fun testSelect5() {
        runBlocking {
            var starTime = System.currentTimeMillis()
            var receiveChannelZxing = produce {
                //发送数据
                send("I'm fish")
            }

            //确保channel 数据已经send
            delay(1000)
            var result = select<String> {
                //监听是否有数据发送过来
                receiveChannelZxing.onReceive { value ->
                    "zxing result $value"
                }
            }
            println("result from $result useTime:${System.currentTimeMillis() - starTime}")
        }
    }

select 是挂起函数，因此协程运行到此有可能被挂起。

#Select.kt
public suspend inline fun <R> select(crossinline builder: SelectBuilder<R>.() -> Unit): R {
    //...
    return suspendCoroutineUninterceptedOrReturn { uCont ->
        //传入父协程体
        val scope = SelectBuilderImpl(uCont)
        try {
            //执行builder
            builder(scope)
        } catch (e: Throwable) {
            scope.handleBuilderException(e)
        }
        //通过返回值判断是否需要挂起协程
        scope.getResult()
    }
}

重点看builder(scope)，builder 是高阶函数，实际上就是执行了select花括号里的内容，而它里面就是监听数据是否返回。

receiveChannelZxing.onReceive
刚开始看的时候势必以为onReceive是个函数，然而它是ReceiveChannel 里的成员变量：

#Channel.kt
    public val onReceive: SelectClause1<E>

通过上一节的分析可知，关键是要找到SelectClause1 的invoke的实现。

#Select.kt
public interface SelectBuilder<in R> {
    //block 有个入参
    //声明了SelectClause1的扩展函数invoke
    public operator fun <Q> SelectClause1<Q>.invoke(block: suspend (Q) -> R)
}

override fun <Q> SelectClause1<Q>.invoke(block: suspend (Q) -> R) {
    //SelectBuilderImpl 实现了 SelectClause1 的invoke函数
    registerSelectClause1(this@SelectBuilderImpl, block)
}

再看onReceive 的赋值：

#AbstractChannel.kt
final override val onReceive: SelectClause1<E>
    get() = object : SelectClause1<E> {
        @Suppress("UNCHECKED_CAST")
        override fun <R> registerSelectClause1(select: SelectInstance<R>, block: suspend (E) -> R) {
            registerSelectReceiveMode(select, RECEIVE_THROWS_ON_CLOSE, block as suspend (Any?) -> R)
        }
    }

因此，简单总结调用栈如下：

当调用receiveChannelZxing.onReceive{}，实际上调用了SelectClause1.invoke()，而它里面又调用了SelectClause1.registerSelectClause1()，最终调用了AbstractChannel.registerSelectReceiveMode。

AbstractChannel. registerSelectReceiveMode

#AbstractChannel.kt
private fun <R> registerSelectReceiveMode(select: SelectInstance<R>, receiveMode: Int, block: suspend (Any?) -> R) {
    while (true) {
        //如果已经有结果了，则直接返回------->①
        if (select.isSelected) return
        if (isEmptyImpl) {
            //没有发送者在等待，则入队等待，并返回 ------->②
            if (enqueueReceiveSelect(select, block, receiveMode)) return
        } else {
            //直接取出值------->③
            val pollResult = pollSelectInternal(select)
            when {
                pollResult === ALREADY_SELECTED -> return
                pollResult === POLL_FAILED -> {} // retry
                pollResult === RETRY_ATOMIC -> {} // retry
                //调用block------->④
                else -> block.tryStartBlockUnintercepted(select, receiveMode, pollResult)
            }
        }
    }
}

分为4个点，接着来一一分析。
①
select 同时监听多个值，若是有1个符合要求的数据返回了，那么该isSelected 标记为true，当检测到该标记为true时直接退出。
结合之前的Demo，zbar 已经识别出结果了，当select 检测zxing的结果时直接返回。

②

#AbstractChannel.kt
private fun <R> enqueueReceiveSelect(
    select: SelectInstance<R>,
    block: suspend (Any?) -> R,
    receiveMode: Int
): Boolean {
    //构造为Node元素
    val node = AbstractChannel.ReceiveSelect(this, select, block, receiveMode)
    //添加到Channel队列里
    val result = enqueueReceive(node)
    if (result) select.disposeOnSelect(node)
    return result
}

当select 时，发现Channel里没有数据，说明Channel还没有开始send，因此构造了Node(ReceiveSelect)加入到Channel queue里。当send数据时，会查找queue里是否有接收者等待，若有则调用Node(ReceiveSelect.completeResumeReceive)：

#AbstractChannel.kt
        override fun completeResumeReceive(value: E) {
            block.startCoroutineCancellable(
                if (receiveMode == RECEIVE_RESULT) ChannelResult.success(value) else value,
                select.completion,
                resumeOnCancellationFun(value)
            )
        }

block 被调度执行，最后会恢复select 协程的执行。

③
取出数据，并尝试恢复send协程。

④
在③的基础上，拿到数据后，直接执行block（此时并没有切换线程进行调度）。

小结一下select 原理：

image.png

可以看出：

select 本身执行并不耗时，若最终没有数据返回则挂起等待，若是有数据返回则不会挂起协程。

我们从头再捋一下select 配合Channel 的原理：

image.png

虽然以Channel为例讲解了select 原理，实际上async等结合select 原理大致差不多，重点都是利用了协程的挂起/恢复做文章。

5. Select 注意事项

如果select有多个数据同时到达，select 默认会选择第一个数据，若想要随机选择数据，可做如下处理：

            var result = selectUnbiased<String> {
                //监听是否有数据发送过来
                receiveChannelZxing.onReceive { value ->
                    "zxing result $value"
                }
            }

想要知道select 还可以监听哪些数据，可查看该数据是否实现了SelectClauseX(X 表示0、1、2）。

以上即为Select 的原理及其使用，下篇将会进入协程的精华部分：Flow的运用，该部分内容较多，可能会分几篇分析，敬请期待。

本文基于Kotlin 1.5.3，文中完整Demo请点击

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