一、 本專(zhuān)欄圖示概念規(guī)范

本專(zhuān)欄是對(duì) 異步編程 的系統(tǒng)探索，會(huì)通過(guò)各個(gè)方面去認(rèn)知、思考 異步編程 的概念。期間會(huì)用到一些圖片進(jìn)行表達(dá)與示意，在一開(kāi)始先對(duì)圖中的元素和 基本概念 進(jìn)行規(guī)范和說(shuō)明。

1. 任務(wù)概念規(guī)范

任務(wù) : 完成一項(xiàng)需求的基本單位。

分發(fā)任務(wù): 觸發(fā)任務(wù)開(kāi)始的動(dòng)作。

任務(wù)結(jié)束: 任務(wù)完成的標(biāo)識(shí)。

任務(wù)生命期: 任務(wù)從開(kāi)始到完成的時(shí)間跨度。

如下所示，方塊 表示任務(wù)；當(dāng) 箭頭指向一個(gè)任務(wù)時(shí)，表示對(duì)該任務(wù)進(jìn)行分發(fā)；任何被分發(fā)的任務(wù)都會(huì)結(jié)束。在任務(wù)分發(fā)和結(jié)束之間，有一條虛線進(jìn)行連接，表示 任務(wù)生命期 。

2. 任務(wù)的狀態(tài)

未完成 : Uncompleted
成功完成 : Completed with Success
異常結(jié)束 : Completed with Error

一個(gè)任務(wù)生命期間有三種狀態(tài)，如下通過(guò)三種顏色表示。在 任務(wù)結(jié)束 之前，該任務(wù)都是 未完成 態(tài)，通過(guò) 淺藍(lán)色 表示；任何被分發(fā)的任務(wù)都是為了完成某項(xiàng)需求，任何任務(wù)都會(huì)結(jié)束，在結(jié)束時(shí)刻根據(jù)是否完成需求，可分為 成功完成 和 異常結(jié)束 兩種狀態(tài)，如下分別用 綠色 和 紅色 表示。

3. 時(shí)刻與時(shí)間線

機(jī)體 : 任務(wù)分發(fā)者或處理者。
時(shí)刻: 機(jī)體運(yùn)行中的某一瞬間。
時(shí)間線: 所有時(shí)刻構(gòu)成的連續(xù)有向軸線。

在一個(gè)機(jī)體運(yùn)行的過(guò)程中，時(shí)間線是絕對(duì)的，通過(guò) 紫色有向線段 表示時(shí)間的流逝的方向。時(shí)刻 是時(shí)間線上任意一點(diǎn) ，通過(guò) 黑點(diǎn) 表示。

4.同步與異步

同步 : 機(jī)體在時(shí)間線上，將任務(wù)按順序依次分發(fā)。

同步執(zhí)行任務(wù)時(shí)，前一個(gè)任務(wù)完成后，才會(huì)分發(fā)下一任務(wù)。意思是說(shuō): 任意時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)在生命期中。

異步: 機(jī)體在時(shí)間線上，在一個(gè)任務(wù)未完成時(shí)，分發(fā)另一任務(wù)。

也就是說(shuō)通過(guò)異步編程，允許某時(shí)刻有兩個(gè)及以上的任務(wù)在生命期中。如下所示，在 任務(wù)1 完成后，分發(fā) 任務(wù)2； 在 任務(wù)2 未結(jié)束的情況下，可以分發(fā) 任務(wù) 3 。此時(shí)對(duì)于任務(wù) 3 來(lái)說(shuō)，任務(wù) 2 就是異步執(zhí)行的。

二、理解單線程中的異步任務(wù)

上面對(duì)基本概念進(jìn)行了規(guī)范，看起來(lái)可能比較抽象，下面我們通過(guò)一個(gè)小場(chǎng)景來(lái)理解一下。媽媽早上出門(mén)散步，臨走前囑咐：

小捷，別睡了?？炱鸫玻驯蛔訒褚幌?，地掃一下。還有，沒(méi)開(kāi)水了，記得燒。

當(dāng)前場(chǎng)景下只有小捷 一個(gè)機(jī)體，需要完成的任務(wù)有四個(gè)：起床、曬被、拖地 、燒水 。

1. 任務(wù)的分配

當(dāng)機(jī)體有多個(gè)任務(wù)需要分發(fā)時(shí)，需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行分配。認(rèn)識(shí)任務(wù)之間的關(guān)系，是任務(wù)分配的第一步。只有理清關(guān)系，才能合理分配任務(wù)。分配過(guò)程中需要注意：

[1] 任務(wù)之間可能存在明確的先后順序，比如起床 需要在 曬被 之前。
[2] 任務(wù)之間先后順序也可能無(wú)所謂，比如先掃地還是先曬被，并沒(méi)有太大區(qū)別。
[3] 某類(lèi)任務(wù)只需要機(jī)體來(lái)分發(fā)，生命期中不需要機(jī)體處理，并且和后續(xù)的任務(wù)沒(méi)有什么關(guān)聯(lián)性，比如燒水任務(wù)。

像燒水這種任務(wù)，即耗時(shí)，又不需要機(jī)體在任務(wù)生命期中做什么事。如果這類(lèi)任務(wù)使用同步處理，那么任務(wù)期間機(jī)體能做的事只有 等待 。對(duì)于一個(gè)機(jī)體來(lái)說(shuō)，這種等待就會(huì)意味著阻塞，不能處理任何事。

結(jié)合日常生活，我們知道當(dāng)前場(chǎng)景之中，想要發(fā)揮機(jī)體最大的效力，最好的方式是起床之后，先分發(fā) 燒水任務(wù)，不需要等待燒水任務(wù)完成，就去執(zhí)行曬被、掃地任務(wù)。這樣的任務(wù)分配就是將 燒水 作為一個(gè)異步任務(wù)來(lái)執(zhí)行的。

但在如果在分配時(shí)，將燒水作為最后一個(gè)任務(wù)，那么異步執(zhí)行的價(jià)值就會(huì)消失。所以對(duì)任務(wù)的合理分配，對(duì)機(jī)體的處理效率是非常重要的。

2.異步任務(wù)特點(diǎn)

從上面可以看出，異步任務(wù) 有很明顯的特征，并不是任何任務(wù)都有必要異步執(zhí)行。特別是對(duì)于單一機(jī)體來(lái)說(shuō)，任務(wù)生命期間需要機(jī)體親自參與，是無(wú)法異步處理的。 比如一個(gè)人不能一邊曬被 ，一邊 掃地 。所以對(duì)于單線程來(lái)說(shuō)，像一些只需要 分發(fā)任務(wù)，任務(wù)的具體執(zhí)行邏輯由其他機(jī)體完成的任務(wù)，適合使用 異步 處理，來(lái)避免不必要的等待。

這種任務(wù)，在應(yīng)用程序中最常見(jiàn)的是網(wǎng)絡(luò) io和 磁盤(pán) io 的任務(wù)。比如，從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口中獲取數(shù)據(jù)，對(duì)于機(jī)體來(lái)說(shuō)，只需要分發(fā)任務(wù)來(lái)發(fā)送請(qǐng)求，就像燒水時(shí)只需要裝水按下啟動(dòng)鍵一樣。而服務(wù)器如何根據(jù)請(qǐng)求，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)返回響應(yīng)信息，數(shù)據(jù)如何在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)?，和分發(fā)任務(wù)的機(jī)體沒(méi)有關(guān)系。磁盤(pán)的訪問(wèn)也是一樣，分發(fā)讀寫(xiě)文件任務(wù)后，真正干活的是操作系統(tǒng)。

像這類(lèi)任務(wù)通過(guò)異步處理，可以避免在分發(fā)任務(wù)后，機(jī)體因等待任務(wù)的結(jié)束而阻塞。在等待其他機(jī)體處理的過(guò)程中，去分發(fā)其他任務(wù)，可以更好地分配時(shí)間。比如下面所示，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取 的任務(wù)分發(fā)后，需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把請(qǐng)求傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行處理，給出響應(yīng)結(jié)果。

整個(gè)任務(wù)處理的過(guò)程，并不需要機(jī)體參與，所以分發(fā) 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取 任務(wù)后，無(wú)需等待任務(wù)完成，接著分發(fā) 構(gòu)建加載中界面 的任務(wù)，來(lái)展示加載中的界面。從而給出用戶交互的反饋，而不是阻塞在那里等待網(wǎng)絡(luò)任務(wù)完成，這就是一個(gè)非常典型的異步任務(wù)使用場(chǎng)景。

3. 異步任務(wù)完成與回調(diào)

前面的介紹中可以看出，異步任務(wù)在分發(fā)之后，并不會(huì)等待任務(wù)完成，在任務(wù)生命期中，可以繼續(xù)分發(fā)其他任務(wù)。但任何任務(wù)都會(huì)結(jié)束，很多時(shí)候我們需要知道異步任務(wù)何時(shí)完成，以及任務(wù)的完成情況、任務(wù)返回的結(jié)果，以便該任務(wù)后續(xù)的處理。比如，在燒水完成之后，我們需要處理 沖水 的任務(wù)。

這就要涉及到一個(gè)對(duì)異步而言非常重要的概念:

回調(diào): 任務(wù)在生命期間向機(jī)體提供通知的方式。

比如 燒水 任務(wù)完成后，燒水壺 “叮” 的一聲通知任務(wù)完成；或者燒水期間發(fā)生故障，發(fā)出報(bào)警提示。這種在任務(wù)生命期間向機(jī)體發(fā)送通知的方式稱為回調(diào) 。在編程中，回調(diào)一般是通過(guò) 函數(shù)參數(shù) 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以習(xí)慣稱 回調(diào)函數(shù) 。 另外，函數(shù)可以傳遞數(shù)據(jù)，所以通過(guò)回調(diào)函數(shù)不僅可以知道任務(wù)結(jié)束的契機(jī)，還可以通過(guò)回調(diào)參數(shù)將任務(wù)的內(nèi)部數(shù)據(jù)暴露給機(jī)體。

比如在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，分發(fā) 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取 的任務(wù)，其目的是為了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口獲取數(shù)據(jù)。就像燒開(kāi)水任務(wù)完成之后，需要把 開(kāi)水 倒入瓶中一樣。我們也需要知道 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取 的任務(wù)完成的時(shí)機(jī)，將獲取的數(shù)據(jù) "倒入" 界面中進(jìn)行顯示。

從發(fā)送異步任務(wù)，到異步任務(wù)結(jié)束的回調(diào)觸發(fā)，就是一個(gè)異步任務(wù)完整的 生命期。

三、 Dart 語(yǔ)言中的異步

上面只是介紹了 異步模型 中的概念，這些概念是共通的，無(wú)論什么編程語(yǔ)言都一樣適用。就像現(xiàn)實(shí)中，無(wú)論使用哪國(guó)的語(yǔ)言表述，四則運(yùn)算的概念都不會(huì)有任何區(qū)別。只是在表述過(guò)程中，表現(xiàn)形式會(huì)在語(yǔ)言的語(yǔ)法上有所差異。

1.編程語(yǔ)言中與異步模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

每種語(yǔ)言的描述，都是對(duì)概念模型的具象化實(shí)現(xiàn)。這里既然是對(duì) Flutter 中異步編程的介紹，自然要說(shuō)一下 Dart 語(yǔ)言對(duì)異步模型的描述。

對(duì)于 任務(wù) 概念來(lái)說(shuō)，在編程中和 函數(shù) 有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系：函數(shù)體 可以實(shí)現(xiàn) 任務(wù)處理的具體邏輯，也可以觸發(fā) 任務(wù)分發(fā)的動(dòng)作 。但我并不認(rèn)為兩者是等價(jià)的， 任務(wù) 有著明確的 目的性 ，而 函數(shù) 是實(shí)現(xiàn)這種 目的 的手段。在編程活動(dòng)中，函數(shù) 作為 任務(wù) 在代碼中的邏輯體現(xiàn)，任務(wù) 應(yīng)先于 函數(shù) 存在。

如下代碼所示，在 main 函數(shù)中，觸發(fā) calculate 任務(wù)，計(jì)算 0 ~ count 累加值和計(jì)算耗時(shí)，并返回。其中 calculate 函數(shù)就是對(duì)該任務(wù)的代碼實(shí)現(xiàn)：

void main(){
  TaskResult result = calculate();
}
TaskResult calculate({int count = 10000000}){
  int startTime = DateTime.now().millisecondsSinceEpoch;
  int result = loopAdd(count);
  int cost = DateTime.now().millisecondsSinceEpoch-startTime;
  return TaskResult(
    cost:cost,
    data:result,
    taskName: "calculate"
  );
}
int loopAdd(int count) {
  int sum = 0;
  for (int i = 0; i <= count; i++) {
    sum+=i;
  }
  return sum;
}

這里 TaskResult 類(lèi)用于記錄任務(wù)完成的信息：

class TaskResult {
  final int cost;
  final String taskName;
  final dynamic data;
  TaskResult({
    required this.cost,
    required this.data,
    required this.taskName,
  });
  Map<String,dynamic> toJson()=>{
    "taskName":taskName,
    "cost":cost,
    "data": data
  };
}

2.Dart 編程中的異步任務(wù)

如下在計(jì)算之后，還有兩個(gè)任務(wù)：saveToFile 任務(wù)，將運(yùn)算結(jié)果保存到文件中；以及 render 任務(wù)將運(yùn)算結(jié)果渲染到界面上。

void main() {
  TaskResult result = cacaulate();
  saveToFile(result);
  render(result);
}

這里 render 任務(wù)暫時(shí)通過(guò)在控制臺(tái)打印顯示作為渲染，邏輯如下：

void render(TaskResult result) {
  print("結(jié)果渲染: ${result.toJson()}");
}

下面是將結(jié)果寫(xiě)入文件的任務(wù)實(shí)現(xiàn)邏輯。其中 File 對(duì)象的 writeAsString 是一個(gè)異步方法，可以將內(nèi)容寫(xiě)入到文件中。通過(guò) then 方法設(shè)置回調(diào)，監(jiān)聽(tīng)任務(wù)完成的時(shí)機(jī)。

void saveToFile(TaskResult result) {
  String filePath = path.join(Directory.current.path, "out.json");
  File file = File(filePath);
  String content = json.encode(result);
  file.writeAsString(content).then((File value){
    print("寫(xiě)入文件成功:!${value.path}");
  });
}

3.當(dāng)前任務(wù)分析

如下是這三個(gè)任務(wù)的執(zhí)行示意，在 saveToFile 中使用 writeAsString 方法將異步處理寫(xiě)入邏輯。

這樣就像在燒水任務(wù)分發(fā)后，可以執(zhí)行曬被一樣。saveToFile 任務(wù)分發(fā)之后，不需要等待文件寫(xiě)入完成，可以繼續(xù)執(zhí)行 render 方法。日志輸出如下：渲染任務(wù)的執(zhí)行并不會(huì)因?qū)懭胛募蝿?wù)而阻塞，這就是異步處理的價(jià)值。

四、異步模型的延伸

1. 單線程異步模型的局限性

本文主要介紹 異步模型 的概念，認(rèn)識(shí)異步的作用，以及 Dart 編程語(yǔ)言中異步方法的基本使用。至于代碼中更具體的異步使用方式，將在后期文章中結(jié)合詳細(xì)介紹。另外，一般情況下，Dart 是以 單線程 運(yùn)行的，所以本文中強(qiáng)調(diào)的是 單線程 下的異步模型。

仔細(xì)思考一下，可以看出，單線程中實(shí)現(xiàn)異步是有局限性的。比如說(shuō)需要解析一個(gè)很大的 json ，或者進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算等 耗時(shí)任務(wù)，這種必須由 本機(jī)體 處理的邏輯，而不是 等待結(jié)果 的場(chǎng)景，是無(wú)法在單線程中異步處理的。

就像是 掃地 和 曬被 任務(wù)，對(duì)于單一機(jī)體來(lái)說(shuō)，不可能同時(shí)參與到兩個(gè)任務(wù)之中。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中這兩個(gè)任務(wù)可類(lèi)比為 解析超大 json 和 顯示解析中界面 兩個(gè)任務(wù)。如果前者耗時(shí)三秒，由于單線程 中同步方法的阻塞，界面就會(huì)卡住三秒，這就是單線程異步模型的 局限性。

2. 多線程與異步的關(guān)系

上面問(wèn)題的本質(zhì)矛盾是：一個(gè)機(jī)體無(wú)法 同時(shí) 參與到兩件任務(wù) 具體執(zhí)行過(guò)程中。解決方案也非常簡(jiǎn)單，一個(gè)人搞不定，就搖人唄。多個(gè)機(jī)體參與任務(wù)分配的場(chǎng)景，就是 多線程 。 很多人都會(huì)討論 異步 和 多線程 的關(guān)系，其實(shí)很簡(jiǎn)單：兩個(gè)機(jī)體，一個(gè) 掃地，一個(gè) 曬被，同一時(shí)刻，存在兩個(gè)及以上的任務(wù)在生命期中，一定是異步的。毫無(wú)疑問(wèn)，多線程 是 異步模型 的一種實(shí)現(xiàn)方式。

3. Dart 中如何解決單線程異步模型的局限性

像 C++ 、Java 這些語(yǔ)言有 多線程 的支持，通過(guò) “搖人” 可以充分調(diào)度 CPU 核心，來(lái)處理一些計(jì)算密集型的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)在時(shí)間上的最合理分配。

絕大多數(shù)人可能覺(jué)得 Dart 是一個(gè)單線程的編程語(yǔ)言，其實(shí)不然?？赡苁呛芏嗳瞬](méi)有在 Flutter 端做過(guò)計(jì)算密集型的任務(wù)，沒(méi)有對(duì)多線程迫切的需要。畢竟 移動(dòng)/桌面客戶端 大多是網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)等 io 密集型 的任務(wù)，人手一個(gè)終端，沒(méi)有什么高并發(fā)的場(chǎng)景。不像后端那樣需要保證一個(gè)終端被百萬(wàn)人同時(shí)訪問(wèn)。

或者計(jì)算密集型的任務(wù)都有由平臺(tái)機(jī)體進(jìn)行處理，將結(jié)果通知給 Flutter 端。這導(dǎo)致 Dart 看起來(lái)更像是一個(gè) 任務(wù)分發(fā)者，發(fā)號(hào)施令的人，絕大多數(shù)時(shí)候并不需要親自參與任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中。而這正是單線程下的異步模型所擅長(zhǎng)的：借他人之力，監(jiān)聽(tīng)回調(diào)信息。

其實(shí)我們?cè)谌粘ｉ_(kāi)發(fā)中，使用的平臺(tái)相關(guān)的插件，其中的方法基本上都是異步的，本質(zhì)上就是這個(gè)原因。平臺(tái) 是個(gè)燒水壺，燒水任務(wù)只需要分發(fā) 和 監(jiān)聽(tīng)回調(diào)。至于水怎么燒開(kāi)，是 平臺(tái) 需要關(guān)心的，這和 網(wǎng)絡(luò) io 、磁盤(pán) io 是很類(lèi)似的，都是 請(qǐng)求 與 響應(yīng) 的模式。這種任務(wù)，由單線程的異步模型進(jìn)行處理，是最有效的，畢竟 “搖人” 還是要管飯的。

那如果非要在 Dart 中處理計(jì)算密集型的任務(wù)，該如何是好呢？不用擔(dān)心，Dart 的 isolate 機(jī)制可以完成這項(xiàng)需求。關(guān)于這點(diǎn)，在后面會(huì)進(jìn)行詳述。認(rèn)識(shí) 異步 是什么，是本文的核心，那本文就到這里，謝謝觀看 ~

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