一、Dart的异步模型
1、Dart的单线程
程序中的耗时操作
开发中的耗时操作：
- 在开发中，我们经常会遇到一些耗时的操作需要完成，比如网络请求、文件读取等等；
- 如果我们的主线程一直在等待这些耗时的操作完成，那么就会进行阻塞，无法响应其它事件，比如用户的点击；
- 显然，我们不能这么干！！
如何处理耗时的操作呢？
- 针对如何处理耗时的操作，不同的语言有不同的处理方式。
- 处理方式一： 多线程，比如Java、C++，我们普遍的做法是开启一个新的线程（Thread），在新的线程中完成这些异步的操作，再通过线程间通信的方式，将拿到的数据传递给主线程。
- 处理方式二： 单线程+事件循环，比如JavaScript、Dart都是基于单线程加事件循环来完成耗时操作的处理。不过单线程如何能进行耗时的操作呢？！
单线程的异步操作
很多开发者都对单线程的异步操作充满了问号？？？其实它们并不冲突：
- 因为我们的一个应用程序大部分时间都是处于空闲的状态的，并不是无限制的在和用户进行交互。
- 比如等待用户点击、网络请求数据的返回、文件读写的IO操作，这些等待的行为并不会阻塞我们的线程；
- 这是因为类似于网络请求、文件读写的IO，我们都可以基于非阻塞调用；
阻塞式调用和非阻塞式调用
想搞懂这个点，我们需要知道操作系统中的阻塞式调用和非阻塞式调用的概念。
- 阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。
- 阻塞式调用： 调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到调用结果之后才会继续执行。
- 非阻塞式调用： 调用执行之后，当前线程不会停止执行，只需要过一段时间来检查一下有没有结果返回即可。
我们用一个生活中的例子来模拟：
- 中午饿了，需要点一份外卖，点
外卖的动作就是我们的调用，拿到最后点的外卖就是我们要等待的结果。 - 阻塞式调用： 点了外卖，不再做任何事情，就是在傻傻的等待，你的线程停止了任何其他的工作。
- 非阻塞式调用： 点了外卖，继续做其他事情：继续工作、打把游戏，你的线程没有继续执行其他事情，只需要偶尔去看一下有没有人敲门，外卖有没有送到即可。
而我们开发中的很多耗时操作，都可以基于这样的 非阻塞式调用：
- 比如网络请求本身使用了Socket通信，而Socket本身提供了select模型，可以进行
非阻塞方式的工作； - 比如文件读写的IO操作，我们可以使用操作系统提供的
基于事件的回调机制；
这些操作都不会阻塞我们单线程的继续执行，我们的线程在等待的过程中可以继续去做别的事情：喝杯咖啡、打把游戏，等真正有了响应，再去进行对应的处理即可。
这时，我们可能有两个问题：
- 问题一： 如果在多核CPU中，单线程是不是就没有充分利用CPU呢？这个问题，我会放在后面来讲解。
- 问题二： 单线程是如何来处理网络通信、IO操作它们返回的结果呢？答案就是事件循环（Event Loop）。
2、Dart的事件循环
什么是事件循环
单线程模型中主要就是在维护着一个事件循环（Event Loop）。
事件循环是什么呢？
- 事实上事件循环并不复杂，它就是将需要处理的一系列事件（包括点击事件、IO事件、网络事件）放在一个事件队列（Event Queue）中。
- 不断的从事件队列（Event Queue）中取出事件，并执行其对应需要执行的代码块，直到事件队列清空位置。
例如下面的一个事件循环的伪代码：
// 这里我使用数组模拟队列, 先进先出的原则
var eventQueue = [];
var event;
// 事件循环从启动的一刻，永远在执行
while (true) {
if (eventQueue.length > 0) {
// 取出一个事件
event = eventQueue.removeAt(0);
// 执行该事件
event();
}
}
当我们有一些事件时，比如点击事件、IO事件、网络事件时，它们就会被加入到eventLoop中，当发现事件队列不为空时发现，就会取出事件，并且执行。
二、Dart的异步操作
Dart中的异步操作主要使用Future以及async、await。
一、Future
同步请求
import "dart:io";
main(List<String> args) {
print("main function start");
print(getNetworkData());
print("main function end");
}
String getNetworkData() {
sleep(Duration(seconds: 3));
return "network data";
}
```
打印的
main function start// 等待3秒network datamain function end
- getNetworkData会阻塞main函数的执行
- 网络请求需要3秒钟的时间。
异步请求
使用Future
import 'dart:io';
Future<String> getNetWorkData() {
return Future<String>(() {
sleep(Duration(seconds: 3));
return "getNetWorkData";
});
}
main(List<String> args) {
print('开始');
//执行
print(getNetWorkData());
print('结束');
}
[Running] dart "/Users/haha/Desktop/FlutterDemo/hello.dart"
开始
Instance of 'Future<String>'
结束
[Done] exited with code=0 in 3.191 seconds
- 代码顺序执行，没有出现任何的阻塞现象
- 和前面直接打印结果不同，这次我们打印了一个Future实例；
- 操作不会影响主线程执行
获取Future得到的结果
有了Future之后，如何去获取请求到的结果：通过.then的回调：
import 'dart:io';
Future<String> getNetWorkData() {
return Future<String>(() {
sleep(Duration(seconds: 3));
return "getNetWorkData";
});
}
main(List<String> args) {
print('开始');
//使用变量接收 返回的 Future 变量
var future = getNetWorkData();
// 当future 对象有返回结果时，会自动回调then中传入的函数
future.then(
(value) {
print(value);
},
);
print(future);
print('结束');
}
// 打印
[Running] dart "/Users/haha/Desktop/FlutterDemo/hello.dart"
开始
Instance of 'Future<String>'
结束
getNetWorkData
[Done] exited with code=0 in 3.27 seconds
执行中出现异常 如果调用过程中出现了异常，拿不到结果，如何获取到异常的信息呢？
main(List<String> args) {
print('开始');
//使用变量接收 返回的 Future 变量
var future = getNetWorkData();
// 当future 对象有返回结果时，会自动回调then中传入的函数
future.then(
(value) {
print(value);
},
).catchError((error) {
// 捕获到的错误
print(error);
});
print(future);
print('结束');
}
[Running] dart "/Users/haha/Desktop/FlutterDemo/hello.dart"
开始
Instance of 'Future<String>'
结束
Exception: 出现错误
[Done] exited with code=0 in 3.264 seconds
我们通过一个案例来学习了一些Future的使用过程：
- 1、创建一个Future（可能是我们创建的，也可能是调用内部API或者第三方API获取到的一个Future，总之你需要获取到一个Future实例，Future通常会对一些异步的操作进行封装）；
- 2、通过.then(成功回调函数)的方式来监听Future内部执行完成时获取到的结果；
- 3、通过.catchError(失败或异常回调函数)的方式来监听Future内部执行失败或者出现异常时的错误信息；
Future的两种状态
状态一：未完成状态（uncompleted）
- 执行Future内部的操作时（在上面的案例中就是具体的网络请求过程，我们使用了延迟来模拟），我们称这个过程为未完成状态
状态二：完成状态（completed）
- 当Future内部的操作执行完成，通常会返回一个值，或者抛出一个异常。
- 这两种情况，我们都称Future为完成状态。
Future的链式调用 我们可以在then中继续返回值，会在下一个链式的then调用回调函数中拿到返回的结果
import "dart:io";
main(List<String> args) {
print("main function start");
getNetworkData().then((value1) {
print(value1);
return "content data2";
}).then((value2) {
print(value2);
return "message data3";
}).then((value3) {
print(value3);
});
print("main function end");
}
Future<String> getNetworkData() {
return Future<String>(() {
sleep(Duration(seconds: 3));
// 不再返回结果，而是出现异常
return "network data1";
});
}
// 打印
main function start
main function end
// 3s后拿到结果
network data1
content data2
message data3
Future其他API
Future.value(value)
- 直接获取一个完成的Future，该Future会直接调用then的回调函数
main(List<String> args) {
print('开始');
Future.value('哈哈').then((value) {
print(value);
});
print('结束');
}
//打印
[Running] dart "/Users/haha/Desktop/FlutterDemo/hello.dart"
开始
结束
哈哈
[Done] exited with code=0 in 0.253 seconds
疑惑：为什么立即执行，但是哈哈是在最后打印的呢？
- 这是因为Future中的then会作为新的任务会加入到事件队列中（Event Queue），加入之后你肯定需要排队执行了
Future.error(object)
- 直接获取一个完成的Future，但是是一个发生异常的Future，该Future会直接调用catchError的回调函数
main(List<String> args) {
print('开始');
Future.error(Exception('报错信息')).catchError((error) {
print(error);
});
print('结束');
}
//打印
[Running] dart "/Users/haha/Desktop/FlutterDemo/hello.dart"
开始
结束
Exception: 报错信息
Future.delayed(时间, 回调函数)
- 在延迟一定时间时执行回调函数，执行完回调函数后会执行then的回调；
main(List<String> args) {
print('开始');
Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {
return "执行的任务";
}).then((value) {
print(value);
});
print("结束");
}
//打印
[Running] dart "/Users/haha/Desktop/FlutterDemo/hello.dart"
开始
结束
执行的任务 // 3秒后执行的
二、async 、await
通常一个async的函数会返回一个Future
import "dart:io";
main(List<String> args) {
print("main function start");
print(getNetworkData());
print("main function end");
}
String getNetworkData() {
var result = Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {
return "network data";
});
return "请求到的数据：" + result;
}
我们知道，如果直接这样写代码，代码是不能正常执行的：
- 因为Future.delayed返回的是一个Future对象，我们不能把它看成同步的返回数据：
"network data"去使用 - 也就是我们不能把这个异步的代码当做同步一样去使用！
使用await修改下面这句代码
- 你会发现，我在
Future.delayed函数前加了一个await。 - 一旦有了这个关键字，那么这个操作就会等待
Future.delayed的执行完毕，并且等待它的结果。
String getNetworkData() {
var result = await Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {
return "network data";
});
return "请求到的数据：" + result;
}
修改后执行代码，会看到如下的错误：
- 错误非常明显：await关键字必须存在于async函数中。
- 所以我们需要将
getNetworkData函数定义成async函数。
String getNetworkData() async {
var result = await Future.delayed(Duration(seconds: 3),(){
return "network data";
});
return '请求到的数据' + result;
}
运行代码，依然报错
- 错误非常明显：使用async标记的函数，必须返回一个Future对象。
- 所以我们需要继续修改代码，将返回值写成一个Future。
继续修改代码如下：
Future<String> getNetworkData() async {
var result = await Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {
return "network data";
});
return "请求到的数据：" + result;
}
这段代码应该是我们理想当中执行的代码了
- 我们现在可以像同步代码一样去使用Future异步返回的结果；
- 等待拿到结果之后和其他数据进行拼接，然后一起返回；
- 返回的时候并不需要包装一个Future，直接返回即可，但是返回值会默认被包装在一个Future中；
三、Dart的异步补充
1、 任务执行顺序
认识微任务队列
在前面学习学习中，我们知道Dart中有一个事件循环（Event Loop）来执行我们的代码，里面存在一个事件队列（Event Queue），事件循环不断从事件队列中取出事件执行。
但是如果我们严格来划分的话，在Dart中还存在另一个队列：微任务队列（Microtask Queue）。
- 微任务队列的优先级要高于事件队列；
- 也就是说
事件循环都是优先执行微任务队列中的任务，再执行事件队列中的任务；
那么在Flutter开发中，哪些是放在事件队列，哪些是放在微任务队列呢？
- 所有的外部事件任务都在事件队列中，如IO、计时器、点击、以及绘制事件等；
- 而微任务通常来源于Dart内部，并且微任务非常少。这是因为如果微任务非常多，就会造成事件队列排不上队，会阻塞任务队列的执行（比如用户点击没有反应的情况）；
说道这里，你可能已经有点凌乱了，在Dart的单线程中，代码到底是怎样执行的呢？
- 1、Dart的入口是main函数，所以
main函数中的代码会优先执行； - 2、main函数执行完后，会启动一个事件循环（Event Loop）就会启动，启动后开始执行队列中的任务；
- 3、首先，会按照先进先出的顺序，执行
微任务队列（Microtask Queue）中的所有任务； - 4、其次，会按照先进先出的顺序，执行
事件队列（Event Queue）中的所有任务；
创建微任务
在开发中，我们可以通过dart中async下的scheduleMicrotask来创建一个微任务：
main(List<String> args) {
scheduleMicrotask(() {
print('Hello Microtask');
});
}
在开发中，如果我们有一个任务不希望它放在Event Queue中依次排队，那么就可以创建一个微任务了。
Future的代码是加入到事件队列还是微任务队列呢？
Future中通常有两个函数执行体：
- Future构造函数传入的函数体
- then的函数体（catchError等同看待）
那么它们是加入到什么队列中的呢？
- Future构造函数传入的函数体放在事件队列中
- then的函数体要分成三种情况：
- 情况一：Future没有执行完成（有任务需要执行），那么then会直接被添加到Future的函数执行体后；
- 情况二：如果Future执行完后就then，该then的函数体被放到如微任务队列，当前Future执行完后执行微任务队列；
- 情况三：如果Future是链式调用，意味着then未执行完，下一个then不会执行；
// future_1加入到eventqueue中，紧随其后then_1被加入到eventqueue中
Future(() => print("future_1")).then((_) => print("then_1"));
// Future没有函数执行体，then_2被加入到microtaskqueue中
Future(() => null).then((_) => print("then_2"));
// future_3、then_3_a、then_3_b依次加入到eventqueue中
Future(() => print("future_3")).then((_) => print("then_3_a")).then((_) => print("then_3_b"));
代码执行顺序案例
import "dart:async";
main(List<String> args) {
print("main start");
Future(() => print("task1"));
final future = Future(() => null);
Future(() => print("task2")).then((_) {
print("task3");
scheduleMicrotask(() => print('task4'));
}).then((_) => print("task5"));
future.then((_) => print("task6"));
scheduleMicrotask(() => print('task7'));
Future(() => print('task8'))
.then((_) => Future(() => print('task9')))
.then((_) => print('task10'));
print("main end");
}
main start
main end
task7
task1
task6
task2
task3
task5
task4
task8
task9
task10
代码分析：
- 1、main函数先执行，所以
main start和main end先执行，没有任何问题； - 2、main函数执行
过程中，会将一些任务分别加入到EventQueue和MicrotaskQueue中； - 3、task7通过
scheduleMicrotask函数调用，所以它被最早加入到MicrotaskQueue，会被先执行； - 4、然后开始执行
EventQueue，task1被添加到EventQueue中被执行； - 5、通过
final future = Future(() => null);创建的future的then被添加到微任务中，微任务直接被优先执行，所以会执行task6； - 6、一次在
EventQueue中添加task2、task3、task5被执行； - 7、task3的打印执行完后，调用
scheduleMicrotask，那么在执行完这次的EventQueue后会执行，所以在task5后执行task4（注意：scheduleMicrotask的调用是作为task3的一部分代码，所以task4是要在task5之后执行的） - 8、task8、task9、task10一次添加到
EventQueue被执行；
事实上，上面的代码执行顺序有可能出现在面试中，我们开发中通常不会出现这种复杂的嵌套，并且需要完全搞清楚它的执行顺序；
但是，了解上面的代码执行顺序，会让你对EventQueue和microtaskQueue有更加深刻的理解。
2、多核CPU的利用
Isolate的理解
在Dart中，有一个Isolate的概念，它是什么呢？
- 我们已经知道Dart是单线程的，这个线程有自己可以访问的内存空间以及需要运行的事件循环；
- 我们可以将这个空间系统称之为是一个Isolate；
- 比如Flutter中就有一个Root Isolate，负责运行Flutter的代码，比如UI渲染、用户交互等等；
在 Isolate 中，资源隔离做得非常好，每个 Isolate 都有自己的 Event Loop 与 Queue，
- Isolate 之间不共享任何资源，只能依靠消息机制通信，因此也就没有资源抢占问题。
但是，如果只有一个Isolate，那么意味着我们只能永远利用一个线程，这对于多核CPU来说，是一种资源的浪费。
如果在开发中，我们有非常多耗时的计算，完全可以自己创建Isolate，在独立的Isolate中完成想要的计算操作。
如何创建Isolate呢？
创建Isolate是比较简单的，我们通过Isolate.spawn就可以创建了：
import "dart:isolate";
main(List<String> args) {
Isolate.spawn(foo, "Hello Isolate");
}
void foo(info) {
print("新的isolate：$info");
}
Isolate通信机制
但是在真实开发中，我们不会只是简单的开启一个新的Isolate，而不关心它的运行结果：
- 我们需要新的Isolate进行计算，并且将计算结果告知Main Isolate（也就是默认开启的Isolate）；
- Isolate 通过发送管道（SendPort）实现消息通信机制；
- 我们可以在启动并发Isolate时将Main Isolate的发送管道作为参数传递给它；
- 并发在执行完毕时，可以利用这个管道给Main Isolate发送消息；
import "dart:isolate";
main(List<String> args) async {
// 1.创建管道
ReceivePort receivePort= ReceivePort();
// 2.创建新的Isolate
Isolate isolate = await Isolate.spawn<SendPort>(foo, receivePort.sendPort);
// 3.监听管道消息
receivePort.listen((data) {
print('Data：$data');
// 不再使用时，我们会关闭管道
receivePort.close();
// 需要将isolate杀死
isolate?.kill(priority: Isolate.immediate);
});
}
void foo(SendPort sendPort) {
sendPort.send("Hello World");
}
但是我们上面的通信变成了单向通信，如果需要双向通信呢？
- 事实上双向通信的代码会比较麻烦；
- Flutter提供了支持并发计算的
compute函数，它内部封装了Isolate的创建和双向通信； - 利用它我们可以充分利用多核心CPU，并且使用起来也非常简单；
注意：下面的代码不是dart的API，而是Flutter的API，所以只有在Flutter项目中才能运行
main(List<String> args) async {
int result = await compute(powerNum, 5);
print(result);
}
int powerNum(int num) {
return num * num;
}
