聽大佬聊聊Kotlin中把碼仔玩死的：協(xié)程
前言
本文講的協(xié)程主要以kotlin為主，同時可能參考python,go，但是會盡量避免使用代碼，而是嘗試用通俗的語言來聊協(xié)程的發(fā)展歷程，盡量保證大家都能理解。
近些年，一些編程語言的新貴Go和Kotlin紛紛引入了協(xié)程這個語言特性，使得協(xié)程這個似乎十分陌生的概念開始頻繁進入大家的視野，為了便于理解，開發(fā)者們都把它當作線程的小弟來對待，即輕量級線程。可是真要細說起來，協(xié)程其實是很早就出現(xiàn)的一個編程概念，它的出現(xiàn)甚至是是早于線程的，但是就編程語言的江湖地位而言，協(xié)程是不如線程的，所以向線程低頭叫爸爸不奇怪。
看了我上面的介紹，大家一定很納悶，你說協(xié)程出現(xiàn)早，有資歷，那為啥幾十年的編程語言發(fā)展下來就就混成了這副咸魚樣?線程出現(xiàn)晚，但怎么就一棵星星之火點著了編程語言的草原。成為了編程語言中的重要概念呢??再者，協(xié)程幾十年的咸魚一條，到如今怎么突然有了夢想，翻身把歌唱的呢?
今天就和大家一起來梳理一下協(xié)程的整個發(fā)展歷程，希望能幫助大家更加理解協(xié)程。
協(xié)程的出現(xiàn)
咱們先來說說協(xié)程的歷史，以及它是怎么混的這么慘的，畢竟悲催的人生都需要一個解釋。
協(xié)程最早誕生于1958年，被應(yīng)用于匯編語言中(距今已有60多年了)，對它的完整定義發(fā)表于1963 年，協(xié)程是一種通過代碼執(zhí)行的恢復與暫停來實現(xiàn)協(xié)作式的多任務(wù)的程序組件。
而與此同時，線程的出現(xiàn)則要晚一些，伴隨著操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，線程大概在1967年被提出。線程作為由操作系統(tǒng)調(diào)度最小執(zhí)行組件，主要用于實現(xiàn)搶占式的多任務(wù)。
既然大家都搞多任務(wù)，按說誰也不能比誰強多少啊，況且協(xié)程還早生幾年，理論上通過自身努力發(fā)展，在編程語言中占據(jù)核心地位是極有可能的。
但是這協(xié)程的發(fā)展啊，一方面當然要靠自我奮斗，另一方面，也要考慮歷史進程。而上個世紀七八九十年代，是計算機瘋狂朝著小型化和個人化的方向演進的時代，計算機非常依賴操作系統(tǒng)來提供用戶交互和壓榨CPU的最大性能，而操作系統(tǒng)怎么來壓榨計算機性能的呢?靠多線程。操作系統(tǒng)跟隨個人計算機的普及之后，編程語言自然也開始依賴操作系統(tǒng)提供的接口來駕馭計算機了，線程成了幾乎所有編程語言跳不過的一個重要概念，并一直延續(xù)至今。
到這里你可能要問了，大家都是搞多任務(wù)的，為什么線程能提升cpu的資源利用率，協(xié)程不能呢?
當然有很多其他的原因能解釋，但最本質(zhì)的原因仍然是協(xié)程和線程是有顯著區(qū)別的兩個概念，到這里我們就要回過頭來聊聊什么叫協(xié)作式多任務(wù)，什么叫搶占式多任務(wù)?以及這兩種任務(wù)是否是同一種概念?
- 協(xié)作式多任務(wù)：
上圖是一個壽司生產(chǎn)的部分工序，我們可以把圖中的傳送轉(zhuǎn)盤和機器抓手可視作兩個任務(wù)，一起協(xié)作完成了食物的生產(chǎn)。這就是協(xié)作式多任務(wù)。協(xié)作式的多任務(wù)要求任務(wù)之間相互熟悉，才能實現(xiàn)協(xié)作。
- 搶占式多任務(wù)：
喂金魚的場景，一把飼料下去，所有金魚馬上圍上來一搶而空，這里每個金魚都相當于一個任務(wù)線程，這就是搶占式多任務(wù)。而搶占式多任務(wù)(線程)之間不需要了解和配合，只有競爭關(guān)系。
上面兩張圖，比較生動的展示了協(xié)作式多任務(wù)(協(xié)程)和搶占式多任務(wù)(多線程)之間的區(qū)別。我們能夠發(fā)現(xiàn)，協(xié)程更加適合那些相互熟悉的任務(wù)組件通過密切配合協(xié)作完成某些工作，協(xié)作式多任務(wù)里的“任務(wù)”是一種子程序(可稱為函數(shù))。搶占式多任務(wù)里的任務(wù)則是指能搶占資源的組件或代碼(其實就是線程)，這里的多任務(wù)也就是多線程。所以說，協(xié)程和線程本來是差異非常大的兩種概念，他們的能力是不同的，而線程的這種能力正好迎合了那個時代的需求。自我奮斗+歷史進程是線程成功的主要原因。
當然，在另一方面，也由于協(xié)程是基于編程語言層面的一種概念，它并沒有統(tǒng)一定義的接口，因此在不同的語言中實現(xiàn)后的效果是不同的，這也會對開發(fā)者造成極大的困擾，不利于它的推廣。而反觀線程，通過操作系統(tǒng)的統(tǒng)一接口，定義了大體相同的線程使用方式，保證了不同的編程語言都對線程的使用是大體一致。
講到這里，我們來總結(jié)下協(xié)程早期發(fā)展不順的原因：
- 協(xié)程沒有代表先進生產(chǎn)力的發(fā)展要求，先進文化的前進方向，和最廣大開發(fā)者的根本利益[手動狗頭]。
- 協(xié)程在不同編程語言中，它的實際表現(xiàn)有差異，非常不利于開發(fā)者的理解和使用。
以上兩點，就是協(xié)程幾十年以來一直不溫不火的原因。我們也看到，雖然看起來都在搞多任務(wù)，但是協(xié)程和線程實際是沒有太多交集的。
咸魚翻身
雖說協(xié)程這種協(xié)作式多任務(wù)的組件不能提高程序執(zhí)行的效率，似乎沒有太廣泛的應(yīng)用前景，但這協(xié)程吶，也不能隨意否定自己，因為不知道什么時候，你就突然被歷史進程給關(guān)照了。
還是從線程說起，雖然線程成為編程世界的重要概念，但是在多年的使用過程中開發(fā)者們也逐漸意識到了它的痛點：
- 線程之間(異步代碼)難以交互難度比較大，往往只能用callback，大量的callback會代碼難以閱讀和理解，最終讓項目變得難以維護。
簡單說就是在開發(fā)者端，線程之間如何更方便的交互。
而這里協(xié)程能做什么呢?
或許我再重新表達一下線程的痛點：在開發(fā)者端，線程之間如何更方便的協(xié)作。
回想一下，我們是怎么介紹協(xié)程的?協(xié)作式多任務(wù)對吧，還記得上圖中的轉(zhuǎn)盤和機器抓手的協(xié)作么?我們當時說這兩個任務(wù)更像是兩個函數(shù)的協(xié)作，但如果把轉(zhuǎn)盤和機器抓手視作兩個線程呢?借助編譯器，把線程封裝成一個個能暫停和恢復的函數(shù)，線程是不是就可以像協(xié)程設(shè)計的那樣協(xié)作呢?
我們還是從代碼層面來看看如今協(xié)程是如何被使用的吧。設(shè)計一個簡單的需求：社區(qū)內(nèi)用戶進行發(fā)帖時，需要先從后臺驗證發(fā)帖權(quán)限，請求兩個接口，那么可能我們需要嘗試開啟兩個線程先后來完成。
- 普通的callback代碼：
- fun tryPost(){
- // 先通過接口驗證權(quán)限 （實際開啟了一個線程，然后等待回調(diào)）
- findUserPermission(user,callback()){
- public void onSuccess(UserPermission response){
- // 回調(diào) 如果成功 ,檢查是否有權(quán)限
- if(response.hasPermission){
- // 如果有權(quán)限，則訪問發(fā)帖接口 （同樣開啟線程，等待回調(diào)）
- postContent(content,callback()){
- public void onSuccess(Result response){
- // handle successful response
- }
- public void onFail(){
- }
- }
- }else{
- // 如果無權(quán)限，則......
- }
- }
- public void onFail(){
- }
- }
- }
這是比較常見的做法，我們需要訪問兩次接口，而交互只能在callback中進行，但是其實代碼已經(jīng)很難看了，如果還有其他的邏輯的話，那代碼只會更加冗雜，難以維護。
那協(xié)程是怎么解決這種痛點的呢?我們看看(kotlin和python)協(xié)程的代碼如何實現(xiàn)這種需求：
- kotlin的協(xié)程代碼
- // 函數(shù)通過suspend關(guān)鍵字標識，可以被協(xié)程調(diào)用，具備暫停恢復的能力 ,實際上仍然使用了io線程來完成接口請求
- suspend fun tryfindUserPermission():PermissionResponse ｛
- return withContext(Dispatchers.IO){
- findUserPermission(user)
- }
- ｝
- // 函數(shù)通過suspend關(guān)鍵字標識，可以被協(xié)程調(diào)用
- suspend fun post():Result ｛
- return withContext(Dispatchers.IO) {
- postContent(content)
- }
- ｝
- fun tryPost(){
- //啟動一個協(xié)程
- launch{
- //代碼執(zhí)行到這一行，讓出cpu,進入暫停狀態(tài)，等待請求成功之后，會恢復執(zhí)行）
- var response = tryfindUserPermission() // 向后端訪問用戶權(quán)限
- if(response.hasPermission){
- // 有權(quán)限則開始發(fā)帖 （開啟線程，讓出cpu,暫停執(zhí)行，等待恢復）
- var response = post()
- // handle response if need
- }
- }
- }
可以看到，在kotlin中，協(xié)程通過把線程里的代碼封裝成一種能暫停/恢復的函數(shù)，讓多線程之間的交互就像普通的函數(shù)一樣簡單，不需要callback。
- python的協(xié)程代碼
- import asyncio
- // async 的關(guān)鍵字，表明這個函數(shù)可以被協(xié)程調(diào)用
- async def findUserPermission():
- // handle http request
- ...
- ...
- return response
- async def postContent():
- // handle http request
- ...
- ...
- return response
- async def main():
- // 嘗試獲取權(quán)限信息 同樣會讓出cpu,進入暫停狀態(tài)，等待恢復
- reponse = await findUserPermission()
- // 判斷有權(quán)限的情況下，進行發(fā)帖
- if response.hasPermission :
- res = await postContent()
- // handle response if need
- asyncio.run(main())
python通過協(xié)程處理這種問題本質(zhì)和kotlin是一致的。
相信大家也能看到，協(xié)程在不同的語言中的表現(xiàn)方式是有差異的
通過上面幾段偽代碼，我們能夠比較清楚看到，協(xié)程能非常明顯的簡化了線程之間協(xié)作復雜度，讓我們可以以編寫同步代碼的方式來編寫異步代碼，極大的簡化你的邏輯，讓你的代碼容易維護。
那么協(xié)程是如何做到的呢?
雖然不同的語言中，協(xié)程有所差異，但是原理都差不多，編程語言的編譯器通過一些關(guān)鍵字(kotlin中用suspend，python中用async等)來修飾函數(shù)，在編譯期間根據(jù)關(guān)鍵字生成一些線程相關(guān)的代碼來實現(xiàn)函數(shù)的暫停恢復的功能，從而實現(xiàn)把線程相關(guān)的代碼留在編譯期間產(chǎn)生，在開發(fā)層面就能提供像普通函數(shù)一般的協(xié)作方式。
因為解決了這個痛點，協(xié)程開始變得越來越受開發(fā)者歡迎。而協(xié)程通過編譯器的幫助把線程相關(guān)的代碼留在了編譯期間產(chǎn)生，開發(fā)者可以通過操作協(xié)程就可以達到使用線程的目的，所以現(xiàn)在大家認為協(xié)程是一種輕量級的線程。
對于多線程的協(xié)作，或者說異步代碼之間的協(xié)作并不是只有協(xié)程一家解決方案，在JS中，有promise，Java中有RxJava等等，他們都致力于解決異步編程的相關(guān)問題，希望能以編寫同步代碼的方式來寫異步代碼，目前來看，他們都做的很不錯。
總結(jié)
大家對于協(xié)程的理解有很多分歧，但是對我而言，協(xié)程其實得分兩個階段來理解：
- 在協(xié)程誕生之初，只是用來解決編程中的某些特殊問題的編程組件，它的多任務(wù)更像多個函數(shù)的組合協(xié)作執(zhí)行，那個時候，協(xié)程其實更像是一種具備暫停恢復的函數(shù)。但是這種功能似乎并不受歡迎，因此協(xié)程在很長一段時間內(nèi)都是比較小眾的。(此時協(xié)程和線程關(guān)系并不大)
- 如今它成為底層支持多線程的協(xié)作式多任務(wù)組件，很好的解決了線程協(xié)作的痛點，同時也逐漸變得越來越受歡迎，協(xié)程和線程的關(guān)系更加親密，它們似乎也變得更加相似。(如今你可以把協(xié)程視作一種輕量級線程)
而協(xié)程的發(fā)展歷程，其實也就是經(jīng)歷了這兩個階段。
