Dart速来系列6,进阶:异步。把线程、Isolate、microtask、Event Queue简单说明白。

一、简简单单,清清爽爽的版本

先别扯什么单线程之类的玩意,先简单用起来,就像游泳,先不怕水,再来说什么动作要如何风骚,如何像一条鱼一只青蛙一样咻咻咻地游来游去。

一句话,Dart啊,异步啊,Future,async,await,冲!


什么是 Future?

在 Dart 中,异步编程是通过使用 Future 对象和 async、await 关键词实现的。

Future?async?await?是啥咧?

Future: 在 Dart 中,Future 对象表示一个尚未完成,但将来会完成的计算。它是异步编程的核心组件之一。

async: async 是一个修饰词,用于声明一个函数是异步的。你可以在函数定义前加上 async 关键字来创建一个异步函数。这个函数会返回一个 Future 对象,这个 Future 对象的结果就是这个函数的返回值。

await: await 关键字用于等待一个 Future 对象完成。它会暂停当前的异步函数,直到 Future 对象完成。然后它会返回 Future 对象的结果。你只能在异步函数中使用 await 关键字。


嗯,Future 是尚未完成但是即将完成的,async让函数变成异步函数并且会返回一个Future对象,await就是在等待Future完成

那说起来,也就是一句话的事情嘛,接下来,上代码!!!

// 定义了一个异步函数 fetchUserOrder,这个函数返回 Future<String> 对象
// Future 是 Dart 中用来处理异步操作的对象,它代表一个将来可能会有的值
Future<String> fetchUserOrder() async {
  // 使用 await 关键字,等待一个耗时的操作完成
  // 这里我们模拟了一个网络请求,使用 Future.delayed 来创建一个耗时 2 秒的 Future 对象
  await Future.delayed(Duration(seconds: 2));

  // 网络请求完成后,返回结果 '大猪肘子'
  // 因为我们在函数定义中使用了 async 关键字,所以这个函数的返回值会被自动包装成一个 Future 对象
  return '大猪肘子';
}

// 主函数,这是 Dart 程序的入口点
main() async {
  // 打印一条消息,告知用户我们正在请求订单
  print('正在请求订单...');

  // 使用 await 关键字,等待 fetchUserOrder 函数的结果
  // fetchUserOrder 函数返回一个 Future 对象,所以我们需要使用 await 关键字等待这个 Future 完成
  // 当 Future 完成后,它的结果会被赋值给 order 变量
  var order = await fetchUserOrder();

  // 打印一条消息,显示我们获取到的订单
  print('你的订单:$order');
}




想象一下,你正在做饭,但你需要等待土豆煮熟。这个煮土豆的过程可以看作是一个 Future 对象。你不需要一直盯着锅,而是可以去做其他事情(比如切蔬菜)。当土豆煮熟了(Future 对象完成了),你就可以把它们加到你的菜里。

在 Dart 中,你可以通过 .then 方法来处理 Future 完成后的结果。还是煮土豆的例子,当土豆煮熟了,你就可以把它们加到你的菜里。这就是 .then 方法的作用。

async/await 是 Dart 用来简化异步编程的一种语法糖。它们让异步代码看起来更像同步代码,使得代码更易读,更易理解。

回到煮土豆的例子,假设你需要等土豆煮熟后才能继续做其他事情。在不使用 async/await 的情况下,你需要使用 .then 方法,然后在回调函数中执行后续的操作。这种写法可能会导致代码嵌套过深,难以理解。而 async/await 可以让你写出看起来更像同步代码的异步代码,让代码更加清晰易读。

开发常见例子

在开发 app 时非常常见的场景:从网络获取数据并显示在 UI 上。下面是一个简单的 Dart 示例,展示了如何异步获取数据,并在数据获取成功后更新 UI。

import 'dart:async';
import 'dart:convert';
import 'package:http/http.dart' as http;

// 定义一个异步函数,用来从网络获取数据
Future<Map<String, dynamic>> fetchData() async {
  final response = await http.get('https://api.example.com/data');
  if (response.statusCode == 200) {
    // 如果服务器返回了一个 OK 响应,那么解析 JSON
    return jsonDecode(response.body);
  } else {
    // 如果服务器没有返回一个 OK 响应,那么抛出一个异常
    throw Exception('Failed to load data');
  }
}

// 定义一个函数,用来显示数据
void displayData(Map<String, dynamic> data) {
  print('Data: $data');
}

void main() async {
  print('开始获取数据...');
  try {
    // 使用 await 关键字,等待 fetchData 函数的结果
    var data = await fetchData();
    // 显示获取到的数据
    displayData(data);
  } catch (e) {
    // 如果在获取数据的过程中发生了错误,那么捕获错误并处理
    print('获取数据失败: $e');
  }
}


深入版

开始装逼啦,开始深入啊,开始折腾自己啦。

其实也不算真的什么深入,只是掰扯掰扯。

Dart的单线程的?算是,但是也不是!什么是事件循环EvenLoop、事件队列EventQueue

重点,重点,重点
重点,重点,重点
重点,重点,重点
重点,重点,重点

通常情况下,我们认为Dart是单线程。

但其实,Dart 的运行环境可以被看作是 "单线程" 和 "多线程" 的结合。这可能初听起来有些混淆,但让我们一步一步来解释。

Dart 语言本身是单线程的,它采用了事件循环模型(event loop)来处理异步操作,这种模型也被很多其他语言和框架(如 JavaScript、Node.js 等)采用。

在 Dart 中,所有的代码(无论是同步还是异步)都在一个被称为 event loop 的单线程中执行。event loop 是一个持续运行的进程,它监听并处理来自事件队列(event queue)的事件。这些事件包括 UI 更新、I/O 操作、计时器和各种其他类型的异步操作。

举个例子,假设我们有一个需要从网络获取数据的异步操作,我们会这样写:

Future<String> fetchData() async {
  await Future.delayed(Duration(seconds: 2)); // 模拟网络请求
  return '获取到的数据';
}

在这个函数中,Future.delayed 会创建一个将在 2 秒后完成的 Future 对象。当这个 Future 对象完成时,它的结果会被放入事件队列中。然后,在 event loop 的下一次迭代中,这个结果会被处理,并传递给下一步的操作。

因此,虽然 Dart 是单线程的,但是它可以通过 event loop 模型有效地处理异步操作,并实现非阻塞的 I/O

但是,对于 CPU 密集型操作,单线程可能会成为瓶颈。在这种情况下,Dart 提供了 Isolate.

Dart 的执行模型确实是基于单线程的,这指的是在一个事件循环中,任务是一个接一个串行执行的,这就是所谓的单线程模型。然而,Dart 还提供了一个叫做 Isolate 的特性,使得它在一定程度上能够实现类似多线程的功能。

一个 Isolate 可以被看作是一个独立的 Dart 执行环境,它拥有自己的内存堆和事件循环。每个 Isolate 都在其自己的线程上运行,这使得多个 Isolate 可以在不同的处理器核心上并行执行。

但是,Isolate 之间不能共享内存,这和许多传统的多线程环境不同,其中线程可以访问同一块内存空间。在 Dart 中,如果你想在两个 Isolate 之间传递数据,你必须通过消息传递的方式来完成,这意味着数据需要被序列化和反序列化。

这种模型在处理 CPU 密集型任务时特别有用,比如大量的数学计算、图像处理等,因为它允许这些任务在多核处理器上并行执行,从而提高应用的整体性能。

下面是一个简单的 Isolate 使用示例:


import 'dart:isolate';

// 这个函数将在新的 Isolate 中运行
void printMessage(String message) {
  print('从新的 Isolate 中获取到的消息: $message');
}

void main() async {
  // 创建一个 ReceivePort 来接收消息
  final receivePort = ReceivePort();

  // 创建一个新的 Isolate,并给它传递一个 SendPort 来让它可以返回消息
  await Isolate.spawn(printMessage, receivePort.sendPort);

  // 等待新的 Isolate 返回的消息
  final message = await receivePort.first;

  print(message);
}


在这个示例中,我们创建了一个新的 Isolate,并在其中运行了 printMessage 函数。这个新的 Isolate 有自己的内存和事件循环,它可以并行于主 Isolate 执行。

mindmap
      Dart
          非cpu密集型(轻)
            默认单个Isolate
                event loop
                    event queue
                    
                
          cpu密集型
               默认单个Isolate
                event loop
                    event queue
               其他Isolate (0或者多个)
                event loop
                    event queue
    

总结一下:

  • 当你运行一个 Dart 程序时,它就是在一个默认的 Isolate 中执行的。我们通常把这个默认的 Isolate 称为 "主 Isolate"。(真正单线程)

  • 事件循环(Event Loop)和事件队列(Event Queue)是异步编程中的两个关键概念。

  • 每个 Isolate(包括主 Isolate)都有自己的事件循环(Event Loop)和事件队列(Event Queue)。

  • 在主 Isolate 中,所有的 Dart 代码(包括同步和异步代码)都在同一个线程(也就是主线程)中执行。主 Isolate 的事件循环负责处理所有的事件和任务。 如果你的程序只包含简单的计算和 I/O 操作,可能不需要创建额外的 Isolate。然而,如果你的程序需要进行 CPU 密集型计算,或者你想要利用多核 CPU 的并行处理能力,那么你可能需要创建额外的 Isolate。 (当我们创建了Isolate,就相有点类似多线程了)

  • 每个 Isolate 都有自己的内存空间,这意味着不同的 Isolate 之间不能共享内存。Isolate 之间的通信必须通过消息传递进行(序列化和反序列化),这使得并发编程变得更加安全,因为你不需要担心多线程编程中常见的问题,如数据竞争和死锁。

graph TD
Dart --> 主Isolate  --> 事件循环EvenLoop和事件队列EventQueue
Dart --> 其他Isolate可能为0可能多个   --> 0个或多个事件循环EvenLoop和事件队列EventQueue

isolate,event loop,event queue,和 microtask 的关系

图 事件循环EvenLoop、事件队列EventQueue

很经典的图,但是,emm

csdn.png

首先,每个 Isolate(包括主 Isolate)都有自己的事件循环(Event Loop)和事件队列(Event Queue)。此外,每个 Isolate 也都有自己的微任务队列(Microtask Queue)。

事件循环是一个持续运行的过程,它的任务是从事件队列或微任务队列中取出任务并执行它们。

事件队列Event Queue和微任务队列microtask的区别

现在,让我们来看看事件队列Event Queue和微任务队列microtask的区别:

  • 事件队列Event Queue包含的是外部事件(如 I/O、绘制、定时器、鼠标点击、键盘事件等)和由 Future 对象表示的异步任务。
  • 微任务队列microtask则包含的是由 scheduleMicrotask 函数排定的任务和 Future.then(或 Future.catchError)注册的回调。

事件循环按照以下步骤执行任务:

    1. 首先,事件循环会查看微任务队列。如果微任务队列中有任务,事件循环会执行所有微任务队列中的任务,直到微任务队列被清空。
    1. 然后,事件循环会查看事件队列。如果事件队列中有任务,事件循环会取出一个任务并执行它。注意这里只是执行一个任务,而不是所有任务。
    1. 事件循环会再次回到微任务队列,看看是否有新的微任务被添加进来。如果有,它会再次执行所有微任务。
    1. 这个过程会一直持续下去,事件循环会在微任务队列和事件队列之间切换,始终保证微任务队列被先执行且执行完全。

微任务队列牛逼,优先~!

看到这里,再去看图,会特别有感觉。

所以,总的来说,Isolate、事件循环、事件队列和微任务队列一起构成了 Dart 的并发模型。每个 Isolate 都有自己的这套机制,它们都在自己的内存空间和线程上独立运行。

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