剛剛，阿里開源 iOS 協程開發框架 coobjc！
剛剛，阿里巴巴正式對外開源了基于 Apache 2.0 協議的協程開發框架 coobjc，開發者們可以在 Github 上自主下載。
coobjc是為iOS平臺打造的開源協程開發框架，支持Objective-C和Swift，同時提供了cokit庫為Foundation和UIKit中的部分API提供了協程化支持，本文將為大家詳細介紹coobjc的設計理念及核心優勢。
開源地址
https://github.com/alibaba/coobjc
iOS異步編程問題
從2008年***個iOS版本發布至今的11年時間里，iOS的異步編程方式發展緩慢。
基于 Block 的異步編程回調是目前 iOS 使用最廣泛的異步編程方式，iOS 系統提供的 GCD 庫讓異步開發變得很簡單方便，但是基于這種編程方式的缺點也有很多，主要有以下幾點：
- 容易進入"嵌套地獄"
- 錯誤處理復雜和冗長
- 容易忘記調用 completion handler
- 條件執行變得很困難
- 從互相獨立的調用中組合返回結果變得極其困難
- 在錯誤的線程中繼續執行(如子線程操作UI)
- 難以定位原因的多線程崩潰(手淘中多線程crash已占比60%以上)
- 鎖和信號量濫用帶來的卡頓、卡死
針對多線程以及尤其引發的各種崩潰和性能問題，我們制定了很多編程規范、進行了各種新人培訓，嘗試降低問題發生的概率，但是問題依然很嚴峻，多線程引發的問題占比并沒有明顯的下降，異步編程本來就是很復雜的事情，單靠規范和培訓是難以從根本上解決問題的，需要有更加好的編程方式來解決。
解決方案
上述問題在很多系統和語言開發中都可能會碰到，解決問題的標準方式就是使用協程，C#、Kotlin、Python、Javascript 等熱門語言均支持協程極其相關語法，使用這些語言的開發者可以很方便的使用協程及相關功能進行異步編程。
2017 年的 C++ 標準開始支持協程，Swift5 中也包含了協程相關的標準，從現在的發展趨勢看基于協程的全新的異步編程方式，是我們解決現有異步編程問題的有效的方式，但是蘋果基本已經不會升級 Objective-C 了，因此使用Objective-C的開發者是無法使用官方的協程能力的，而*** Swift 的發布和推廣也還需要時日，為了讓廣大iOS開發者能快速享受到協程帶來的編程方式上的改變，手機淘寶架構團隊基于長期對系統底層庫和匯編的研究，通過匯編和C語言實現了支持 Objective-C 和 Swift 協程的***解決方案 —— coobjc。
核心能力
- 提供了類似C#和Javascript語言中的Async/Await編程方式支持，在協程中通過調用await方法即可同步得到異步方法的執行結果，非常適合IO、網絡等異步耗時調用的同步順序執行改造。
- 提供了類似Kotlin中的Generator功能，用于懶計算生成序列化數據，非常適合多線程可中斷的序列化數據生成和訪問。
- 提供了Actor Model的實現，基于Actor Model，開發者可以開發出更加線程安全的模塊，避免由于直接函數調用引發的各種多線程崩潰問題。
- 提供了元組的支持，通過元組Objective-C開發者可以享受到類似Python語言中多值返回的好處。
內置系統擴展庫
- 提供了對NSArray、NSDictionary等容器庫的協程化擴展，用于解決序列化和反序列化過程中的異步調用問題。
- 提供了對NSData、NSString、UIImage等數據對象的協程化擴展，用于解決讀寫IO過程中的異步調用問題。
- 提供了對NSURLConnection和NSURLSession的協程化擴展，用于解決網絡異步請求過程中的異步調用問題。
- 提供了對NSKeyedArchieve、NSJSONSerialization等解析庫的擴展，用于解決解析過程中的異步調用問題。
coobjc設計
- ***層是協程內核，包含了棧切換的管理、協程調度器的實現、協程間通信channel的實現等。
- 中間層是基于協程的操作符的包裝，目前支持async/await、Generator、Actor等編程模型。
- 最上層是對系統庫的協程化擴展，目前基本上覆蓋了Foundation和UIKit的所有IO和耗時方法。
核心實現原理
協程的核心思想是控制調用棧的主動讓出和恢復。一般的協程實現都會提供兩個重要的操作：
- Yield：是讓出cpu的意思，它會中斷當前的執行，回到上一次Resume的地方。
- Resume：繼續協程的運行。執行Resume后，回到上一次協程Yield的地方。
我們基于線程的代碼執行時候，是沒法做出暫停操作的，我們現在要做的事情就是要代碼執行能夠暫停，還能夠再恢復。 基本上代碼執行都是一種基于調用棧的模型，所以如果我們能把當前調用棧上的狀態都保存下來，然后再能從緩存中恢復，那我們就能夠實現yield和 resume。
實現這樣操作有幾種方法呢?
- ***種：利用glibc 的 ucontext組件(云風的庫)。
- 第二種：使用匯編代碼來切換上下文(實現c協程)，原理同ucontext。
- 第三種：利用C語言語法switch-case的奇淫技巧來實現(Protothreads)。
- 第四種：利用了 C 語言的 setjmp 和 longjmp。
- 第五種：利用編譯器支持語法糖。
上述第三種和第四種只是能過做到跳轉，但是沒法保存調用棧上的狀態，看起來基本上不能算是實現了協程，只能算做做demo，第五種除非官方支持，否則自行改寫編譯器通用性很差。而***種方案的 ucontext 在iOS上是廢棄了的，不能使用。那么我們使用的是第二種方案，自己用匯編模擬一下 ucontext。
模擬ucontext的核心是通過getContext和setContext實現保存和恢復調用棧。需要熟悉不同CPU架構下的調用約定(Calling Convention). 匯編實現就是要針對不同cpu實現一套，我們目前實現了 armv7、arm64、i386、x86_64，支持iPhone真機和模擬器。
Show me the code
說了這么多，還是看看代碼吧，我們從一個簡單的網絡請求加載圖片功能來看看coobjc到底是如何使用的。
下面是最普通的網絡請求的寫法：
下面是使用coobjc庫協程化改造后的代碼：
原本需要20行的代碼，通過coobjc協程化改造后，減少了一半，整個代碼邏輯和可讀性都更加好，這就是coobjc強大的能力，能把原本很復雜的異步代碼，通過協程化改造，轉變成邏輯簡潔的順序調用。
coobjc還有很多其他強大的能力，本文對于coobjc的實際使用就不過多介紹了，感興趣的朋友可以去官方github倉庫自行下載查看。
性能提升
我們在iPhone7 iOS11.4.1的設備上使用協程和傳統多線程方式分別模擬高并發讀取數據的場景，下面是兩種方式得到的壓測數據。
- 測試機器：iPhone7 iOS11.4.1
- 數據文件大小：20M
- 協程最多使用線程數：4
- 數據測試結果(統計的是所有并發訪問結束的總耗時)：
從上面的表格我們可以看到使用在并發量很小的場景，由于多線程可以完全使用設備的計算核心，因此coobjc總耗時要比傳統多線程略高，但是由于整體耗時都很小，因此差異并不明顯，但是隨著并發量的增大，coobjc的優勢開始逐漸體現出來，當并發量超過1000以后，傳統多線程開始出現線程分配異常，而導致很多并發任務并沒有執行，因此在上表中顯示的是大于20秒，實際是任務已經無法正常執行了，但是coobjc仍然可以正常運行。
我們在手機淘寶這種超級App中嘗試了協程化改造，針對部分性能差的頁面，我們發現在滑動過程中存在很多主線程IO調用、數據解析，導致幀率下降嚴重，通過引入coobjc，在不改變原有業務代碼的基礎上，通過全局hook部分IO、數據解析方法，即可讓原來在主線程中同步執行的IO方法異步執行，并且不影響原有的業務邏輯，通過測試驗證，這樣的改造在低端機(iPhone6及以下的機器)上的幀率有20%左右的提升。
優勢
簡明
- 概念少：只有很少的幾個操作符，相比響應式幾十個操作符，簡直不能再簡單了。
- 原理簡單：協程的實現原理很簡單，整個協程庫只有幾千行代碼。
易用
- 使用簡單：它的使用方式比GCD還要簡單，接口很少。
- 改造方便：現有代碼只需要進行很少的改動就可以協程化，同時我們針對系統庫提供了大量協程化接口。
清晰
- 同步寫異步邏輯：同步順序方式寫代碼是人類最容易接受的方式，這可以極大的減少出錯的概率。
- 可讀性高：使用協程方式編寫的代碼比block嵌套寫出來的代碼可讀性要高很多。
性能
- 調度性能更快：協程本身不需要進行內核級線程的切換，調度性能快，即使創建上萬個協程也毫無壓力。
- 減少卡頓卡死: 協程的使用以幫助開發減少鎖、信號量的濫用，通過封裝會引起阻塞的IO等協程接口，可以從根源上減少卡頓、卡死，提升應用整體的性能。
總結
程序是寫來給人讀的，只會偶爾讓機器執行一下。——Abelson and Sussman
基于協程實現的編程范式能夠幫助開發者編寫出更加優美、健壯、可讀性更強的代碼。
協程可以幫助我們在編寫并發代碼的過程中減少線程和鎖的使用，提升應用的性能和穩定性。
【本文為51CTO專欄作者“阿里巴巴官方技術”原創稿件，轉載請聯系原作者】
