1. 简介
Kotlin 协程通过挂起和恢复来处理异步编程任务。挂起函数的核心思想是能够暂停协程的执行并保存当前状态，稍后在合适的时候恢复执行，而不需要阻塞线程。Kotlin 编译器通过生成状态机来实现这一点。本文将详细解释 Kotlin 协程的挂起与恢复的实现原理，并提供相关代码示例。
2. 挂起与恢复的基本概念
2.1 协程的挂起
当协程遇到挂起点时（例如调用一个挂起函数），它会保存当前的执行状态并将控制权交还给调用者。协程的状态包括当前的执行位置、局部变量等。
2.2 协程的恢复
当挂起函数完成其任务后，协程会从保存的状态恢复执行。编译器通过将协程转换为状态机来实现这一过程。
3. 挂起函数与状态机
3.1 挂起函数
挂起函数是用 suspend 关键字标记的函数，可以在协程中调用，并且可以挂起协程的执行。例如：
kotlin
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suspend fun fetchData(): String {
delay(1000L) // 模拟网络请求
return "Data from network"
}
3.2 状态机的生成
编译器会将挂起函数转换为一个状态机。状态机会在每次挂起和恢复时记录和管理协程的执行状态。
4. 协程的状态机实现
4.1 状态机的基本结构
一个简单的挂起函数 fetchData 会被编译器转换为类似以下状态机的结构：
kotlin
复制代码
class FetchDataStateMachine(private val continuation: Continuation<String>) : Continuation<Unit> {
var label = 0
override val context: CoroutineContext
get() = continuation.context
override fun resumeWith(result: Result<Unit>) {
when (label) {
0 -> {
label = 1
// 模拟挂起点
delay(1000L, this) // 假设 delay 会调用 continuation.resumeWith()
}
1 -> {
continuation.resumeWith(Result.success("Data from network"))
}
}
}
}
4.2 挂起函数的实现
下面是 fetchData 挂起函数的状态机实现：
kotlin
复制代码
suspend fun fetchData(): String = suspendCoroutine { continuation ->
FetchDataStateMachine(continuation).resume(Unit)
}
class FetchDataStateMachine(private val continuation: Continuation<String>) : Continuation<Unit> {
var label = 0
override val context: CoroutineContext
get() = continuation.context
override fun resumeWith(result: Result<Unit>) {
when (label) {
0 -> {
label = 1
// 模拟挂起点
delay(1000L, this) // 假设 delay 会调用 continuation.resumeWith()
}
1 -> {
continuation.resumeWith(Result.success("Data from network"))
}
}
}
}
4.3 协程恢复的核心机制
1. 延续（Continuation）接口
协程中的每个挂起点都和一个Continuation接口的实例相关联，这个接口定义了恢复协程的方法：
interface Continuation<in T> {
val context: CoroutineContext
fun resumeWith(result: Result<T>)
}
resumeWith方法的作用是把协程从挂起状态中恢复，并且传递执行结果。Result<T>可以是成功的结果（Success(value)），也可以是失败的异常（Failure(exception)）
协程的恢复是由特定事件触发的，这些事件与挂起函数的具体实现有关.在执行 I/O 操作或者网络请求时，当操作完成，就会调用continuation.resume()：
suspend fun fetchUserData(): User = suspendCancellableCoroutine { cont ->
api.getUserAsync(
success = { user -> cont.resume(user) },
failure = { error -> cont.resumeWithException(error) } )
}
当调用continuation.resume(value)时：
- 会从
Continuation实例中获取之前保存的状态（包括局部变量、挂起点位置等）。 - 依据状态机的状态，跳转到对应的代码位置继续执行。
- 恢复局部变量的值，让协程能够从挂起的地方接着运行。
- 协程的恢复是通过调用
Continuation.resumeWith方法实现的。 - 恢复操作可以由多种事件触发，比如异步操作完成、定时器到期、通道接收数据等。
- 编译器生成的状态机负责记录和恢复协程的执行状态。
- 恢复过程是线程无关的，协程可以在不同的线程上恢复执行。
5. 详细代码示例
下面是一个完整的示例，展示了如何在 Kotlin 中实现一个带有多个挂起点的协程，并解析其工作原理。
5.1 示例代码
kotlin
复制代码
import kotlinx.coroutines.*
import kotlin.coroutines.*
suspend fun fetchData(): String {
println("Fetching data...")
delay(1000L) // 模拟网络请求
return "Data from network"
}
suspend fun processData(data: String): String {
println("Processing data...")
delay(1000L) // 模拟数据处理
return "Processed $data"
}
suspend fun displayData(data: String) {
println("Displaying data...")
delay(500L) // 模拟显示数据
println(data)
}
fun main() = runBlocking {
launch {
val data = fetchData()
val processedData = processData(data)
displayData(processedData)
}
}
5.2 编译器如何处理协程
编译器将上述代码转换为类似于以下的状态机：
kotlin
复制代码
class FetchProcessDisplayStateMachine(private val continuation: Continuation<Unit>) : Continuation<Unit> {
var label = 0
lateinit var data: String
lateinit var processedData: String
override val context: CoroutineContext
get() = continuation.context
override fun resumeWith(result: Result<Unit>) {
when (label) {
0 -> {
println("Fetching data...")
label = 1
delay(1000L, this) // 挂起点
}
1 -> {
data = "Data from network"
println("Processing data...")
label = 2
delay(1000L, this) // 挂起点
}
2 -> {
processedData = "Processed $data"
println("Displaying data...")
label = 3
delay(500L, this) // 挂起点
}
3 -> {
println(processedData)
continuation.resumeWith(Result.success(Unit))
}
}
}
}
5.3 使用状态机的挂起函数
kotlin
复制代码
suspend fun fetchProcessDisplay(): Unit = suspendCoroutine { continuation ->
FetchProcessDisplayStateMachine(continuation).resume(Unit)
}
6. 总结
Kotlin 协程的挂起与恢复是通过编译器生成的状态机来实现的。每次调用挂起函数时，协程会保存当前的执行状态并挂起执行，当恢复时，协程从保存的状态继续执行。这种机制使得协程能够在异步操作中暂停和恢复，而无需阻塞线程。通过理解这一原理，可以更好地掌握和使用 Kotlin 协程，提高异步编程的效率和代码可读性。
