Kotlin协程实现原理:CoroutineScope&Job

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今天我们来聊聊Kotlin的协程Coroutine。

如果你还没有接触过协程，推荐你先阅读这篇入门级文章What? 你还不知道Kotlin Coroutine?

如果你已经接触过协程，但对协程的原理存在疑惑，那么在阅读本篇文章之前推荐你先阅读下面的文章，这样能让你更全面更顺畅的理解这篇文章。

Kotlin协程实现原理:Suspend&CoroutineContext

如果你已经接触过协程，相信你都有过以下几个疑问：

协程到底是个什么东西？
协程的suspend有什么作用，工作原理是怎样的？
协程中的一些关键名称(例如：Job、Coroutine、Dispatcher、CoroutineContext与CoroutineScope)它们之间到底是怎么样的关系？
协程的所谓非阻塞式挂起与恢复又是什么？
协程的内部实现原理是怎么样的？
...

接下来的一些文章试着来分析一下这些疑问，也欢迎大家一起加入来讨论。

CoroutineScope

CoroutineScope是什么？如果你觉得陌生，那么GlobalScope、lifecycleScope与viewModelScope相信就很熟悉了吧(当然这个是针对于Android开发者)。它们都实现了CoroutineScope接口。

public interface CoroutineScope {
    /**
     * The context of this scope.
     * Context is encapsulated by the scope and used for implementation of coroutine builders that are extensions on the scope.
     * Accessing this property in general code is not recommended for any purposes except accessing the [Job] instance for advanced usages.
     *
     * By convention, should contain an instance of a [job][Job] to enforce structured concurrency.
     */
    public val coroutineContext: CoroutineContext
}

CoroutineScope中只包含一个待实现的变量CoroutineContext，至于CoroutineContext之前的文章已经分析了它的内部结构，这里就不再累赘了。

通过它的结构，我们可以认为它是提供CoroutineContext的容器，保证CoroutineContext能在整个协程运行中传递下去，约束CoroutineContext的作用边界。

例如，在Android中使用协程来请求数据，当接口还没有请求完成时Activity就已经退出了，这时如果不停止正在运行的协程将会造成不可预期的后果。所以在Activity中我们都推荐使用lifecycleScope来启动协程，lifecycleScope可以让协程具有与Activity一样的生命周期意识。

下面是lifecycleScope源码：

val LifecycleOwner.lifecycleScope: LifecycleCoroutineScope
    get() = lifecycle.coroutineScope
    
val Lifecycle.coroutineScope: LifecycleCoroutineScope
    get() {
        while (true) {
            val existing = mInternalScopeRef.get() as LifecycleCoroutineScopeImpl?
            if (existing != null) {
                return existing
            }
            val newScope = LifecycleCoroutineScopeImpl(
                this,
                SupervisorJob() + Dispatchers.Main.immediate
            )
            if (mInternalScopeRef.compareAndSet(null, newScope)) {
                newScope.register()
                return newScope
            }
        }
    }

它创建了一个LifecycleCoroutineScopeImpl实例，它实现了CoroutineScope接口，同时传入SupervisorJob() + Dispatchers.Main作为它的CoroutineContext。

我们再来看它的register()方法

internal class LifecycleCoroutineScopeImpl(
    override val lifecycle: Lifecycle,
    override val coroutineContext: CoroutineContext
) : LifecycleCoroutineScope(), LifecycleEventObserver {
    init {
        // in case we are initialized on a non-main thread, make a best effort check before
        // we return the scope. This is not sync but if developer is launching on a non-main
        // dispatcher, they cannot be 100% sure anyways.
        if (lifecycle.currentState == Lifecycle.State.DESTROYED) {
            coroutineContext.cancel()
        }
    }
 
    fun register() {
        // TODO use Main.Immediate once it is graduated out of experimental.
        launch(Dispatchers.Main) {
            if (lifecycle.currentState >= Lifecycle.State.INITIALIZED) {
                lifecycle.addObserver(this@LifecycleCoroutineScopeImpl)
            } else {
                coroutineContext.cancel()
            }
        }
    }
 
    override fun onStateChanged(source: LifecycleOwner, event: Lifecycle.Event) {
        if (lifecycle.currentState <= Lifecycle.State.DESTROYED) {
            lifecycle.removeObserver(this)
            coroutineContext.cancel()
        }
    }

在register方法中通过经典的launch来创建一个协程，而launch使用到的CoroutineContext就是CoroutineSope中的CoroutineContext。然后在协程中结合Jetpack的Lifecycle特性来监听Activiyt的生命周期。

如果对Lifecycle的使用与特性还不是很了解的，推荐阅读这篇入门级文章Android Architecture Components Part3:Lifecycle

意思就是说在Activity销毁的时候会调用下面的方法取消协程的运行。

coroutineContext.cancel()

这里就使用到了CoroutineContext，经过上篇文章的分析我们很容易知道CoroutineContext自身是没有cancel方法的，所以这个cancel方法是CoroutineContext的扩展方法。

public fun CoroutineContext.cancel(): Unit {
    this[Job]?.cancel()
}

所以真正的逻辑是从CoroutineContex集合中取出Key为Job的实例，这个对应的就是上面创建LifecycleCoroutineScopeImpl实例时传入的SupervisorJob，它是CoroutineContext的其中一个子类。

这时再来看lifecycleScope相关的一些方法

lifecycleScope.launchWhenCreated {  }
lifecycleScope.launchWhenStarted {  }
lifecycleScope.launchWhenResumed {  }

这些方法的内部逻辑就很明显了，也就是通过Lifecycle来追踪Activity的生命周期，从而约束协程运行的时机。

我们也可以不使用lifecycleScope，自己实现一个CoroutineScope，让它在Activity达到同样的效果。

 class MyActivity : AppCompatActivity(), CoroutineScope {
     lateinit var job: Job
     override val coroutineContext: CoroutineContext
         get() = Dispatchers.Main + job

     override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
         super.onCreate(savedInstanceState)
         job = Job()
     }
 
     override fun onDestroy() {
         super.onDestroy()
         job.cancel() // Cancel job on activity destroy. After destroy all children jobs will be cancelled automatically
     }
 
     /*
      * Note how coroutine builders are scoped: if activity is destroyed or any of the launched coroutines
      * in this method throws an exception, then all nested coroutines are cancelled.
      */
     fun loadDataFromUI() = launch { // <- extension on current activity, launched in the main thread
        val ioData = async(Dispatchers.IO) { // <- extension on launch scope, launched in IO dispatcher
            // blocking I/O operation
        }
        // do something else concurrently with I/O
        val data = ioData.await() // wait for result of I/O
        draw(data) // can draw in the main thread
     }
 }

上面的实现也能够保证当前Activiyt中的协程在Activity销毁的时候终止协程的运行。

到这里CoroutineScope的作用就呼之欲出了，它就是用来约束协程的边界，能够很好的提供对应的协程取消功能，保证协程的运行范围。

当然这又引申出另外一个话题

Job是什么？

Job

基本上每启动一个协程就会产生对应的Job，例如

lifecycleScope.launch {
}

launch返回的就是一个Job，它可以用来管理协程，一个Job中可以关联多个子Job，同时它也提供了通过外部传入parent的实现

public fun Job(parent: Job? = null): Job = JobImpl(parent)

这个很好理解，当传入parent时，此时的Job将会作为parent的子Job。

既然Job是来管理协程的，那么它提供了六种状态来表示协程的运行状态。

New: 创建
Active: 运行
Completing: 已经完成等待自身的子协程
Completed: 完成
Cancelling: 正在进行取消或者失败
Cancelled: 取消或失败

这六种状态Job对外暴露了三种状态，它们随时可以通过Job来获取

public val isActive: Boolean
public val isCompleted: Boolean
public val isCancelled: Boolean

所以如果你需要自己来手动管理协程，可以通过下面的方式来判断当前协程是否在运行。

while (job.isActive) {
// 协程运行中            
}

一般来说，协程创建的时候就处在Active状态，但也有特例。

例如我们通过launch启动协程的时候可以传递一个start参数

public fun CoroutineScope.launch(
    context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
    start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
    block: suspend CoroutineScope.() -> Unit
): Job {
 ...
}

如果这个start传递的是CoroutineStart.LAZY，那么它将处于New状态。可以通过调用start或者join来唤起协程进入Active状态。

下面我们来看一张简图，就能很清晰的了解Job中的六个状态间的转化过程。

                                        wait children
  +-----+ start  +--------+ complete   +-------------+  finish  +-----------+
  | New | -----> | Active | ---------> | Completing  | -------> | Completed |
  +-----+        +--------+            +-------------+          +-----------+
                   |  cancel / fail       |
                   |     +----------------+
                   |     |
                   V     V
               +------------+                           finish  +-----------+
               | Cancelling | --------------------------------> | Cancelled |
               +------------+                                   +-----------+

上面已经提及到一个Job可以有多个子Job，所以一个Job的完成都必须等待它内部所有的子Job完成；对应的cancel也是一样的。

默认情况下，如果内部的子Job发生异常，那么它对应的parent Job与它相关连的其它子Job都将取消运行。俗称连锁反应。

我们也可以改变这种默认机制，Kotlin提供了SupervisorJob来改变这种机制。这种情况还是很常见的，例如用协程请求两个接口，但并不想因为其中一个接口失败导致另外的接口也不请求，这时就可以使用SupervisorJob来改变协程的这种默认机制。

使用很简单，在我们创建CoroutineContext的时候加入SupervisorJob即可。例如在上面提到过的lifecycleScope，内部就使用到了SupervisorJob

val newScope = LifecycleCoroutineScopeImpl(
    this,
    SupervisorJob() + Dispatchers.Main
)

你也可以尝试运行下面的这个例子，然后将它的SupervisorJob替换成别的CoroutineContext再来看下效果。

fun main() = runBlocking {
    val supervisor = SupervisorJob()
    with(CoroutineScope(coroutineContext + supervisor)) {
        // 启动第一个子作业——这个示例将会忽略它的异常（不要在实践中这么做！）
        val firstChild = launch(CoroutineExceptionHandler { _, _ ->  }) {
            println("The first child is failing")
            throw AssertionError("The first child is cancelled")
        }
        // 启动第二个子作业
        val secondChild = launch {
            firstChild.join()
            // 取消了第一个子作业且没有传播给第二个子作业
            println("The first child is cancelled: ${firstChild.isCancelled}, but the second one is still active")
            try {
                delay(Long.MAX_VALUE)
            } finally {
                // 但是取消了监督的传播
                println("The second child is cancelled because the supervisor was cancelled")
            }
        }
        // 等待直到第一个子作业失败且执行完成
        firstChild.join()
        println("Cancelling the supervisor")
        supervisor.cancel()
        secondChild.join()
    }
}

如果有些任务你并不想被手动取消，可以使用NonCancellable作为任务的CoroutineContext

如果需要Job获取协程的返回结果，可以通过Deferred来实现，它是Job的一个子类，所以也拥有Job所用功能。同时额外提供await方法来等待协程结果的返回。

Deferred可以通过CoroutineScope.async创建。

最后我们再来介绍下Job的几个方法，start与cancel就不多说了，分别是启动与取消。

invokeOnCompletion

这个方法是Job的回调通知，当Job执行完后会调用这个方法

public fun invokeOnCompletion(handler: CompletionHandler): DisposableHandle
 
public typealias CompletionHandler = (cause: Throwable?) -> Unit

这个cause有三种情况分别为：

is null: 协程正常执行完毕
is CancellationException: 协程正常取消，并非异常导致的取消
Otherwise: 协程发生异常

同时它的返回值DisposableHandle可以用来取消回调的监听。

join

public suspend fun join()

注意这是一个suspend函数，所以它只能在suspend或者coroutine中进行调用。

它的作用是暂停当前运行的协程任务，立刻执行自身Job的协程任务，直到自身执行完毕之后才恢复之前的协程任务继续执行。

本篇文章主要介绍了CoroutineScope的作用与Job的相关状态演化与运用。希望对学习协程的伙伴们能够有所帮助，敬请期待后续的协程分析。

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