这是一份写给 Android工程师 的协程指南，希望在平静的2023，给大家带来一些本质或者别样的理解。
引言
在 Android 的开发世界中，关于 异步任务 的处理一直不是件简单事。
面对复杂的业务逻辑，比如多次的异步操作，我们常常会经历回调嵌套的情况，对于开发者而言，无疑苦不堪言。😟
当 Kotlin协程 出现之后，上述问题可以说真正意义上得到了好的解法。其良好的可读性及api设计，使得无论是新手还是老手，都能快速享受到协程带来的舒适体验。
但越是使用顺手的组件，背后也往往隐藏着更复杂的设计。
故此，在本篇，我们将由浅入深，系统且全面的聊聊 Kotlin协程 的思想及相关问题，从而帮助大家更好的理解。
本篇没有难度定位、更多的是作为一个 Kotlin 使用者的基本技术铺垫。
ps: 在B站也有视频版本，结合观看，体验更佳，Android Kotlin 协程分享。
写在开始
大概在三年前，那时的我实习期间刚学会 Kotlin ,意气风发，协程Api 调用的也是炉火纯青，对外自称api调用渣渣工程师。
那时候的客户端还没这么饱和，也不像现在这样稳定。
那个时期，曾探寻过几次 Kotlin协程 的设计思想，比如看霍老师、扔物线视频、相关博客等。
但看完后处于一种，懂了，又似乎不是很懂的状态，就一直迷迷糊糊着。
记得后来去面试，有人问我，协程到底是什么？
我回答： 一个在 Kotlin 上以 同步方式写异步代码 的线程框架，底层是使用了 线程池+状态机 的概念，诸如此类，巴拉巴拉。
面试官： 那它到底和线程池有啥区别，我为啥不直接用线程池呢？
我心想：上面不是已经回答了吗，同步方式，爽啊！… 但奈何遭到了一顿白眼。
事后回想，他可能想问的是更深层，多角度的解释，但显然我只停留在使用层次，以及借着别人的几句碎片经验，冠冕堂皇、看似Easy。
直到现在为止，我仍然没有认真去看过协程的底层实现，真是何其的尴尬，再次想起，仍觉不安。
随着近几年对协程的使用以及一些cv经验，相关的api理解也逐渐像那么回事，也有些对Kt代码背后实现进行同步转换的经验。
故此，这篇文章也是对自己三年来的一份答卷。
当然网上对于协程的解析也有很多，无论是从原理或是顶层抽象概括，其中更是不乏优秀的文章与作者。
本文会尽量在这两者中间找到一个合适的折中点，并增加一些特别思考，即不缺深度，又能使初学者对于协程能够有较清晰明了的认知。
好了，让我们开始吧！ 🏃🏻
基础铺垫
在开始之前，我们先对基础做一些铺垫，从而便于更好的理解 Kotlin协程 。
线程
我们知道，线程是 cpu调度 的最小单元，每个cpu所能启动的线程数量往往也是有限的。
在常见的业务开发中，尽管大多数时候我们都是基于单线程，或者最多开启子线程去请求网络，与多线程的 [多] 似乎关系不大。但其实这也属于多线程的一种，不过是少任务的情况。但就算这样，线程在执行时的切换，也是存在这一些小成本，比如从主线程切到子线程去执行异步计算，完成后再从子线程切到主线程去执行UI操作，而这个切换的过程在学术上又被称之为 [上下文切换]。
协程
在维基百科中，是这样解释的：
协程是计算机程序的一类组件，推广了协作式多任务的子例程，允许执行被挂起与被恢复。相对子例程而言，协程更为一般和灵活，但在实践中使用没有子例程那样广泛。协程更适合于用来实现彼此熟悉的程序组件，如协作式多任务、异常处理、事件循环、迭代器、无限列表和管道。
上面这些词似乎拆开都懂，但连在一起就不懂了。
说的通俗一点就是，协程指的是一种特殊的函数，它可以在执行到某个位置时 暂停 ，并 保存 当前的执行状态，然后 让出 CPU控制权，使得其他代码可以继续执行。当CPU再次调用这个函数时，它会从上次暂停的位置继续执行，而不是从头开始执行。从而使得程序在执行 长时间任务 时更加高效和灵活。
协作式与抢占式
这两个概念通常用于描述操作系统中多任务的处理方式。
- 协作式指的是 多个任务共享CPU时间 ，并且在没有主动释放CPU的情况下，任务不会被强制中断。相应的，在协作式多任务处理中，任务需要自己决定何时放弃CPU，否则将影响其他任务的执行。
- 抢占式指的是操作系统可以在没有任务主动放弃CPU的情况下，强制中断 当前任务，以便其他任务可以获得执行。这也就意味着，抢占式多任务通常是需要硬件支持，以便操作系统可以在必要时强制中断任务。
如果将上述概念带入到协程与线程中，当一个线程执行时，它会一直运行，直到被操作系统强制中断或者自己放弃CPU；而协程的协作式则需要协程之间互相配合协作，以便让其他协程也可以获得执行机会，通常情况下，这种协作关系是由应用层(开发者)自行控制。也就意味着相比线程，协程的切换与创建开销比较小，因为其并不需要多次的上下文切换，或者说，线程是真实的操作系统内核线程的隐射，而协程只是在应用层调度，故协程的切换与创建开销比较小。
协程与线程的区别
- 线程是操作系统调度的基本单位，一个进程可以拥有多个线程，每个线程独立运行，但它们共享进程的资源。线程切换的开销较大，且线程间的通信需要通过共享内存或消息传递等方式实现，容易出现资源竞争、死锁等问题。
- 协程是用户空间下的轻量级线程，也称为“微线程”。它不依赖操作系统的调度，而是由用户自己控制协程的执行。协程之间的切换只需要保存和恢复少量的状态，开销较小。协程通信和数据共享的方式比线程更加灵活，通常使用消息传递或共享状态的方式实现。
- 简单来说，协程是一种更加高效、灵活的并发处理方式，但需要用户 自己控制执行流程和协程间的通信 ，而线程则由操作系统负责调度，具有更高的并发度和更强的隔离性，但开销较大。在不同的场景下，可以根据需要选择使用不同的并发处理方式。
那Kotlin协程呢？
在上面，我们说了 线程 与 协程 ，但这个协程指的是 广义协程 这个概念，而不是 Kotlin协程 ，那如果回到 Kotlin协程 呢？
相信不少同学在学习 Kotlin协程 的时候，常常会看到很多人(包括官网)会将线程与协程拉在一起比较，或者经常也能看见一些实验，比如同时启动10w个线程与10w个协程，然后从结果上看两者差距巨大，线程看起来性能巨差，协程又无比的优秀。
此时就会有同学喊，你上个线程池与协程试试啊！用线程试谈什么公平(很有道理)😂。
ps: 如果你真的使用了线程池并且使用了schedule代替Thread.sleep()，会发现，线程比协程显然要更快。当然，这也并不难理解。
那协程到底是什么呢？它和线程池的区别呢？或者说协程的职责呢？
这里我们用 Android官方 的一句话来概括：
协程是一种并发设计模式，您可以在 Android 平台上使用它来 简化 异步执行的代码。协程是我们在 Android 上进行异步编程的推荐解决方案。
简单明了，协程就是用于 Android 上进行 异步编程 的推荐解决方案，或者说其就是一个 异步框架 ，仅此而已，别无其他🙅🏻♂️。
那有些同学可能要问了，异步框架多了，为什么要使用协程呢？
因为协程的设计更加先进，比如我们可以同步代码写出类似异步回调的逻辑。这一点，也是Kotlin协程在Android平台最大的特点，即 简化异步代码。
相应的，Kotlin协程 具有以下特点：
- 轻量：您可以在单个线程上运行多个协程，因为协程支持挂起，不会使正在运行协程的线程阻塞。挂起比阻塞节省内存，且支持多个并行操作。
- 内存泄漏更少：使用结构化并发机制在一个作用域内执行多项操作。
- 内置取消支持：取消操作会自动在运行中的整个协程层次结构内传播。
- Jetpack 集成：许多 Jetpack 库都包含提供全面协程支持的扩展。某些库还提供自己的协程作用域，可供您用于结构化并发。
上述特点来自Android官网-Android上的Kotlin协程。
协程进展
注：如非特别标注，本文接下来的协程皆指Kotlin协程。
本小节，我们将看一下Kotlin协程的发展史，从而为大家解释kotlin协程的背景。
在 Kotlin1.6 之前，协程的版本通常与 kotlin 版本作为对应，但是 1.6 之后，协程的大版本就没有怎么更新了(目前最新是1.7.0-beta)，反而是 Kotlin 版本目前最新已经 1.8.10 。
基本示例
在开始之前，我们还是用一个最基本的示例看一下协程与往常回调写法的区别，在哪里。
比如，我们现在有这样一个场景，需要请求网络，获取数据，然后显示到UI中。
回调写法
fun main() {
thread(name="t1") {
val message = getMessage()
val handler = Handler(Looper.getMainLooper())
handler.post {
showMessage(message)
}
}
}
fun getMessage(): String {
Thread.sleep(1000)
return "123"
}
如上所示，创建了一个线程t1，并在其中调用了 getMessage() 方法，该方法我们使用 Thread.sleep() 模拟网络请求，然后返回一个String数据, 最后使用 handler 将当前要执行的任务发送到主线程去执行从而实现线程切换。
协程写法
fun main() {
val coroutineScope = CoroutineScope(Dispatchers.Main)
coroutineScope.launch {
val message = getMessages()
showMessage(message)
}
}
suspend fun getMessages(): String {
return withContext(Dispatchers.IO) {
delay(1000)
"123"
}
}
如上所示，创建了一个协程作用域，并启动了一个新的子协程c1，该协程内部调用了 getMessages() 方法，用于获得一个 String类型 的消息。然后调用 showMessage() 方法，显示刚才获取的消息。在相应的 getMessages() 方法上，我们增加了 suspend 标记，并在内部使用withContext(Dispatcher.IO) 将当前上下文环境切换到IO协程中，用于延迟等待(假设网络请求)，最终返回该结果。
在不谈性能的背景下，上述这两种方式，无疑是协程的代码更加直观简洁，毕竟同步的写法去写异步，这没什么可比性，当然我们也允许部分的性能损失。
挂起与恢复
站在初学者的视角，当聊到挂起与恢复，开发者到底想了解什么？
什么是挂起恢复？挂起是挂起什么？挂起线程吗？还是挂起一个函数？恢复又是具体指什么？又是如何做到恢复的呢？
基础概念
在标准的解释中，如下所示：
在协程中，当我们的代码执行到某个位置时，可以使用特定的关键字来暂停函数的执行，同时保存函数的执行状态，这个过程叫做 [挂起]，挂起操作会将控制器交还给调用方，调用方可以继续执行其他任务。
当再次调用被挂起的函数时，它会从上一次暂停的位置开始继续执行，这个过程称为 [恢复]。在恢复操作之后，被挂起的函数会继续执行之前保存的状态，从而可以在不重新计算的情况下继续执行之前的逻辑。
如果切换到 Kotlin 的世界中中，这个特定的关键字就是 suspend 。但并不是说加了这个关键字就一定会挂起，suspend 只是作为一个标记，用于告诉编译器，该函数可能会挂起并暂停执行(即该函数可能会执行耗时操作，并且好事期间会暂停执行并等待耗时操作完成，同时需要将控制权返回给调用方)，但至于要不要挂起及保存函数当前的执行状态，最终还是要取决于函数内部是否满足条件。
如下所示，我们用一个示例Gif(出处已找不到)来表示：
那用程序员的语言该怎么理解呢？我们用一段代码举例：
coroutineScope.launch(Dispatchers.Main) {
val message = getNetMessages()
showMessage(message)
}
suspend fun getNetMessages(): String {
return withContext(Dispatchers.IO) {
delay(1000)
"123"
}
}
- 当我们的程序运行到
coroutineScope.launch(Dispatchers.Main) 时，此时会创建一个新协程，并将这个协程放入默认的协程调度器(即Main调度器)，同时当前新创建的协程也会成为 coroutineScope 的子协程。
- 当执行到
getNetMssage() 方法时，此时遇到了 withContext(Dispatchers.IO) ，此时会切换当前协程的上下文到IO调度器(可以理解将当前协程放入IO线程池中执行)，此时协程将被挂起，然后我们当前 withContext() 被挂起的状态会通知给外部的调用者，并将当前的状态保存到协程的上下文中，直到IO操作完成。
- 当遇到
delay(1000) 时，此时再次挂起(这里不是切换线程，而是使用了协程的调度算法)，并保存当前的函数状态；
- 当
delay(1000) 结束后，再次恢复到先前所在的IO调度器，并开始返回 “123”；
- 当上述逻辑执行完成后，此时
withContext() 会将协程的调度器再次切换到之前开始时的调度器(这里是Main)，并恢复之前的函数状态;
- 此时我们获得了
getNetMssage() 的返回值，继续执行 showMessage() 。
挂起函数
在上面我们聊到了 Kotlin 的挂起函数，与相关的 挂起 与 恢复 。那 suspend 标志到底做了什么呢？
本小节，我们将就这个问题，从字节码层，展开分析。
我们先看一下 suspend 方法是如何被编译器识别的？如下代码所示：
不难发现，我们带有suspend的函数最终会被转变为一个带 Continutaion 参数，并且返回值为Object(可null)的函数。
上述示例中，原函数没带返回值，你也可以使用带返回值的原函数，结果也是与上述一致。
1. Continucation 是什么？为什么要携带它呢？
在前文中，我们已经提及，suspend 只是一个标志，它的目的是告诉编译器可能会挂起，类似与我们开发中常使用的注解一样，但又比注解更加强大，suspend 标志是编译器级别，而注解是应用级别。从原理上来看，那最终的代码运行时应该怎么记住这些状态呢，或者怎么知道这个方法和其他方法不一样？故此，kotlin编译器 会对带有 suspend 的方法在最终的字节码生成上进行额外更改，这个过程又被称作 CPS转换 (下面会再解释)，如下所示：
suspend fun xx()
->
Object xx(Continucation c)
在字节码中，我们原有的函数方法参数中会再增加一个 Continucation ，而 Continuation 就相当于一个参数传递的纽带(或者你也可以理解其就是一个 CallBack )，负责保存函数的执行状态、执行 挂起与恢复 操作，具体如下：
public interface Continuation<in T> {
public val context: CoroutineContext
public fun resumeWith(result: Result<T>)
}
context 参数类似于 Android 开发中的 context 一样，其代表了当前的配置，对使用协程的同学而言，context就相当于当前协程所运行的环境与参数 ，而 resumeWith() 则是负责对我们函数方法进行挂起与恢复(这块我们先这样理解即可)。
1 什么是CPS转换？
CPS（Continuation Passing Style）转换是一种将函数转换为回调函数的编程技术。在 CPS 转换中，一个函数不会像通常那样直接返回结果，而是接受一个额外的回调函数作为参数，用于接收函数的结果。这个回调函数本身也可能接受一个回调函数，形成一个连续的回调链。这种方式可以避免阻塞线程，提高代码的并发性能。
比如，协程通过 CPS 转换来实现异步编程。具体来说，协程在被挂起时，会将当前的执行状态保存到一个回调函数（即挂起函数的 Continuation）中，然后将控制权交回给调用方。当协程准备好恢复时，它会从回调函数中取回执行状态，继续执行。这种方式可以使得异步代码的逻辑更加清晰和易于维护。
2. 为什么还要增一个 Object 类型返回值呢？
这块的直接解释比较麻烦，但是我们可以先思考一下，代码运行时，该怎么知道该方法真的被挂起呢？难道是增加了suspend就要被挂起吗？
故此，还是需要一个返回值，用于确定，该挂起函数是否真的被挂起。
在IDE中，对于使用了suspend的方法而言，如果内部没有其他挂起函数，那么编译器就会提示我们移除suspend标记，如下所示：
3. 为什么返回值类型是Object？
对于挂起函数而言，在协程，是否真的被挂起，通过函数返回值来确定，但相应的，如果我们有挂起函数需要具备返回类型呢？那如果该函数没有挂起呢？如下示例所示：
对于挂起函数而言，返回值有可能是 COROUTINE_SUSPENDED、Unit.INSTANCE 或者最终返回我们方法需要的返回类型结果，所以采用 Object 作为返回值以适应所有结果。
深入探索
在上面，我们看到了 suspend 在底层的转换细节，那回到挂起函数本质上，它到底是怎么做到 **挂起 ** 与 恢复 的呢？
故此，本小节，我们将就着这个问题，从字节码层次，展开分析，力求流程完整明了，不过相对而言可能有点繁琐。
如下代码所示：
fun main() = runBlocking {
val isSuccess = copyFileTo(File("old.mp4"), File("new.mp4"))
println("---copy:$isSuccess")
}
suspend fun copyFileTo(oldFile: File, newFile: File): Boolean {
val isCopySuccess = withContext(Dispatchers.IO) {
try {
oldFile.copyTo(newFile)
true
} catch (e: Exception) {
false
}
}
return isCopySuccess
}
这是一段用于将文件复制到指定文件的示例代码，具体伪字节码如下：
上述的步骤实在是难读，思路整理起来比较绕圈，不过还是建议开发者多理解几遍。
上述的步骤如下：
当左侧 main() 方法开始执行时，因为示例中使用的 runBlocking()，其需要传递一个函数式接口对象,通常我们会以 lambda表达式 的形式去实例化这个函数对象，然后在其中写入我们的业务代码。
所以根据最终的字节码对比，我们的lambda会被转化为如下的形式：
suspend CoroutineScope.() -> Unit
⚡️ ->
(Function2) (new Function2((Continuation) null){}
class xxx(Continucation) : Function2<CoroutineScope,Continucation,Any> {
fun invoke(Any,Continucation) : Any {}
}
接着当我们的函数被调用时，会触发 invoke() 方法,即我们的函数体开始执行，开始进入我们的业务代码中。因为 invoke() 需要返回一个Object(因为我们的函数体本身也是suspend),这时候，会先创建一个 Continuation 对象，用于执行协程体逻辑，然后去调用 invokeSuspend() 方法从而获得本次的执行结果。
这里为什么要再去创建一个 Continuation？不是在runBlocking()里已经利用lambda表达式实例化了函数对象了吗？
不知道是否会有同学有这个疑问，所以这里依然需要解释一遍。
我们知道，在 kotlin 中，lambda 是匿名内部类的一种实例化方式(简化)，所以这里只是给 runBlocking() 函数传递了所需要的方法参数。但是这个 lambda 内部的 invoke() 依然是挂起函数(因为增加过suspend)，所以这里的匿名内部类实际上也是实现了 Continuation(默认的只有Funcation1,2,3等等),为了便于底层调用 invoke() 时传递 Continuation ，否则后续挂起恢复流程就断了🔺。相应的，为了延续 invoke() 里的挂起函数流程，编译器在当前匿名类内部又创建了一个 anonymous constructor(无类型) 的内部类(实际上是继承自SuspendLambda)，从而在其 ivokeSuspend() 里执行当前挂起函数的状态机。
所以来说，大家可以理解我们传递的 lambda 相当于一个入口，但是其内部(即invoke)的触发方法，又是一个 挂起函数 ，这也就是为什么 invoke() 里需要创建 Continuation ，以及为什么 invoke() 方法参数里需要有 continuation 的原因，以及为什么字节码中会出现 new Function2((Continuation) null) ,Continuation 为null 的情况🤔，因为它压根没有 continuation 啊(不在挂起函数内部😂)。
这里的解释稍许有些啰嗦，但这对于理解全流程将非常有用，如果不是很理解，建议多读几遍。
在 invokeSuspend() 方法里，即正式进入了函数的状态机,这里的状态标记使用了一个 int 类型的 label 表示。
- 默认执行 case 0，因为我们接下来要进入
copyFileTo() 方法，而该方法也是一个挂起函数，所以执行该方法后会获得一个返回状态，用于判断该函数是否真的已经挂起。如果返回值是 COROUTINE_SUSPENDED，则证明该函数已经挂起，然后直接 return 当前函数的挂起状态(相当于告诉父callback,当前我内部已经在忙了，你可以先执行自己的事了，等我执行完再通知你)，否则继续执行当前剩余逻辑。
- 当
copyFileTo() 执行结束后，会再次触发当前 invokeSuspend(),因为我们在 case0 里已经更新了label为1，然后正常执行接下来的流程。
我们再去看一下 copyFileTo() 方法，我们在字节码中可以看到，其默认先创建了当前的 ContinuationImpl() ,并在初始化时将父 Continuation 也保存在其中，接着进入状态机开始执行逻辑，因为我们在该方法里有使用 withContext() 切换到IO调度器，所以这里也需要获取 withContext() 的挂起状态，如果成功挂起，则直接 return 当前状态，类似上述 invokeSuspend() 里的流程。
需要注意的，我们 withContext() 范围内，虽然经历了CPS转换，但因为不存在其他挂起函数，所以并不会再返回是否挂起，而是直到我们的逻辑执行结束 ，从而触发 withContext() 内部去调用 resumeWith()，从而恢复外部 copyFileTo() 的执行，重复此流程，从而恢复 runBlocking() 内部的继续执行，然后拿到我们的最终结果。
总结
关于Kotlin协程的挂起与恢复，从字节码去看，核心的 continuation 似乎有点像 callback 的嵌套，但相比 callback ，协程做的更加完善。比如当触发挂起函数调用时，会进入其内部对应的状态机，从而触发状态流转。并且为了避免了 callback 的 重复创建，而每一个挂起函数内部都会复用当前已创建好的 continuation。
比如说，对于挂起函数，编译器会对其进行 CPS转换 ，从而使其从：
supend fun test()
->
fun test:(Continuation):Any?
当我们在挂起函数中调用该函数时，编译器就会将当前的 continuation 也一并传入并获得当前函数的结果。在具体调用时，如果挂起函数内部真的挂起(函数返回值为 COROUTINE_SUSPENDED )，则将调用权交还给调用方，然后当前的状态+1。而当该挂起函数内部执行结束时，因为其持有着外部的 continuation ，所以会调用 continuation.resume() 恢复挂起的协程，即调用了 invokeSuspend() ,从而恢复执行先前的逻辑。
而我们常说的状态机，从根本上，其实就是构造了一个 switch 结构的label流转，每个 case 内部都可能又会再对应着一个类似的结构(如果存在挂起函数)。如果我们称其为分层，那每一层也都持有上层的对象，而当我们最底层的函数执行结束时，即开始触发恢复上层逻辑，此时状态回传，从而将子函数的结果返回出去。
协程的矛与盾
当我们在讨论协程时，首先要明确，我们是在说 Kotlin协程 ，下述论点也都是基于这个背景下开始。
相应的，我们也需要一个参照物，如果直接对比线程，未免有些太过于不公平，所以我们选用 线程池 与 协程 进行对比分析。
协程是线程框架吗？
在 Jvm 平台，因为 协程 底层离不开 Java线程模型 ，故最终的任务也是需要 线程池 最终去承载。所以从底层而言，我们可以通俗且大胆的认为协程就是一个线程框架，这没问题。
[但]，这显然不是很合适,或者说，这有点过于糙了！
在文章开始，我们已经提过了，Android官方对其的描述：
协程是一种并发设计模式，您可以在 Android 平台上使用它来简化异步执行的代码。
所以，如果我们从协程本质与设计思想去看待，显然其相比线程池具有更高层次的编程模型，故此时称其为 异步编程框架 也许更为合适。具体原因与分析有如下几点：
从编程模型而言
协程与线程池两者都是用于处理异步任务或者耗时任务的工具，但两者的编程模型完全不同。线程池或者其他线程框架，往往使用回调函数来处理任务，这种方式常常比较繁琐，业务复杂时，代码可读性较差；而协程则是异步任务同步写法，基于挂起恢复的理念，由程序员自己控制执行顺序，可读性高；
从异常的处理角度而言
在线程池中，处理异常时，我们可以通过 tryCach 业务代码，或者可以在创建线程池时，自定义 ThreadFactory , 然后使用 Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler() 设置一个默认异常处理方式。相应的，协程通过 异常处理机制 来捕获和处理异常，相对于线程池而言，更加先进。
从调度方式而言
线程池通过创建一个固定数量的线程池来执行并发任务。每个任务将在一个可用的线程上运行，任务执行结束后，线程将返回线程池以供以后使用，并且通过在队列中等待任务来保持活动状态。如果使用协程，它并不创建新的线程，在jvm平台，其是利用少量的线程来实现并发执行，支持在单线程中执行，并使用 挂起与恢复 机制来允许并发执行。
协程性能很高？
先给结论，通常情况，协程的性能与线程池相差不大，甚至大多数常见场景，协程性能其实是不如直接使用线程池。
同时启动10w线程和协程
在协程官网，我们大概都能看到这样一句话，同时启动10w和线程和协程等等。
我们举个例子来看看，如下所示：
| 同时启动10w线程 | 同时启动10w协程 |
|---|
 |  |
协程果然比线程快多了，那此时肯定就有同学说了，你拿协程欺负线程，咋不用线程池呢？
使用线程池替代线程
我们继续测试，这次改为线程池：
线程池就是快啊！⚡️
如果你这样想，证明你可能理解错了🙅🏻♂️，我们这里只是往线程池里添加了10w个任务，因为我们用例里核心线程数是10，所以，同一时刻，只有10个任务在被处理，所以剩下的任务都在队列中等待。即这里打印的耗时仅仅只是上述代码的耗时，而不是线程池执行任务的总耗时，相比之下协程可是真真实实把10w个都跑完了，所以这两者根本没法比较。
所以我们对上面的逻辑进行更改，如下所示：
总耗时…，没工夫等待了，不过我们可以大概算一下,总耗时16分钟多(10w/10*0.1/60)🤔。
为什么呢？明明底层都是线程池？
如果注意观察的话，线程的等待我们使用的是 sleep() ,而协程是 delay() ,两者的区别在于，前者是真真实实让我们的线程阻塞了指定时间，而后者则是语言级别，故差距很大。所以如果要做到相对公平，我们应该选用支持定时任务的线程池。
使用线程池模拟delay
为了保证相对公平，我们使用 ScheduledExecutorService ，并且将这个线程池转为协程的调度器。
结果如下：
| 添加10w个任务 | 启动10w个协程 |
|---|
 |  |
？？？为什么线程池更快呢？😟
因为协程底层，最终任务还是需要我们的线程池来承载，但协程还需要维护自己的微型线程，而这个模型又是语言级别的控制，所以当协程代码转为字节码之后，即需要更多的代码才能实现。相比之下，线程池就简单直接很多，故这也是为什么线程池会快一点的原因。
场景推荐
通常情况下，我们真正耗时的任务都是IO、网络 或者其他操作，所以此时协程的应用层的额外操作几乎并不影响大局。或者说面对复杂的异步场景是，此时性能也许并不是我们首先考虑，而如何更清晰的编码与封装实现，才是我们所更关心的。相应的，相比线程池，协程就很擅长这个处理异步任务。比如协程可以通过简化异步操作，也能在很大程度上，能避免我们不当的操作行为导致阻塞UI线程行为，从而提高应用性能。故在某个角度而言，协程的性能相比不恰当的使用线程池，是会更高。
所以如果我们的场景对性能有这极致要求，比如应用启动框架等，那么此时使用协程往往并不是最佳选择。但如果我们的场景是日常的业务开发，那么协程绝对是你的最佳选择。
协程的使用技巧
将协程设置为可取消
在协程中，取消属于协作操作，也就是说，当我们cancel掉某个job之后，相应的协程在挂起与恢复之前并不会立即取消(原因是协程的check时机是在我们状态机的每个步骤里)，即也就是说，如果你有某个阻塞操作，协程此时并不会被取消。
如下所示：
如上所示，我们会发现，当我们 cancel() 子协程后，我们的 readFile() 依然会正常执行。
要解释原理也非常简单：
因为 readFile() 并不是挂起函数，并且该方法内部也没有做协程 状态判断 。
在协程中，我们常用的函数 delay()、withContext()、ensureActive()、yield() 等都提供了检查功能。
我们改动一下上述示例，如下所示：
如上所示，我们在 readFile() 中增加了 yield() 方法，而当我们 cancel() 掉子协程时，当 Thread.sleep() 执行结束后，遇到 yield（）时，该方法就会判断当前协程作用域是否已经不在活跃，如果满足条件，则直接抛出 CancellationException 异常。
协程的同步问题？
因为 Kotlin协程 是运行在 Java线程模型 基础之上，所以相应的，也存在 同步 问题。
在多线程的情况下，操作执行的顺序是不可预测的。与编译器优化操作的顺序不同，线程无法保证以特定的顺序运行，而上下文切换的操作随时有可能发生。所以如果在访问一个未经处理的状态时，线程很有可能就会访问到过时的数据，丢失必要的更新，或者遇到 资源竞争 等情况。
所以，使用了协程并且涉及可变状态的类必须采取措施使其可控，比如保证协程中的代码所访问的数据是最新的。这样一来，不同的线程之间就不会互相干扰。
如下示例：
上述代码很简单，需要注意的是，为了防止 println() 先于我们的 repeat() 执行结束，我们使用measureTimeMillis()+coroutineScope() 进行嵌套，从而等待 coroutineScope() 内部所有子协程全部执行结束，才退出 measureTimeMillis() 。
不过从结果来看，不出意外的也存在同步问题，那该怎么解决？
按照Java开发中的习惯，我们可以使用 synchronized ，或者使用 AtomicInteger 管理sum。
常规方式解决
如下所示，我们选用 synchronized 来解决：
如上所示，我们使用了 synchronized 对象锁来解决同步问题。
注意：这里我们锁的是 this@coroutineScope ，而不是 this ，前者代表着我们循环外的作用域对象，而直接使用this则代表了当前协程的作用域对象，并不存在竞争关系。
使用Mutex解决
除去传统的解决方式之外，Kotlin 中还增加了额外的辅助类去解决协程同步问题，其使用起来也更加简单，即 Mutex(互斥锁) ，这也是协程中解决同步问题的推荐方式。
如下示例：
我们创建了一个 Mutex 对象，并使用其 加锁方法 withLock() ，从而避免多协程下的同步问题。相应的，Mutex 也提供了 lock() 与 unLock() 从而控制对共享资源的访问(withLock()是这两者的封装)。
从原理上而言，Mutex 是通过 一个 AtomicInteger 类型的状态记录锁的状态(是否被占用)，并使用一个 ConcurrentLinkedQueue 类型的队列来持有 等待持有锁 的协程，从而解决多个协程并发下的同步问题。
相比传统的 synchronized 阻塞线程，Mutex 内部使用了 CAS机制，并且支持协程的挂起恢复，其可扩展性，其都更具有优势；并且在协程的挂起函数中使用 synchronized，也可能会影响协程的正常调度和执行。故无论是上手难度及可读性，Mutex 无疑是更适合协程开发者的。
Mutex是性能的最佳选择吗？
在过往，我们提到 synchronized 都会觉得，它会直接阻塞线程，大家都会不约而同的推荐CAS作为更好的替代。但其实 synchronized 在jdk1.6 之后，已经增加了各种优化，比如增加了各种锁去减缓直接加锁所导致的上下文切换耗时。
所以，我们对比一下上述的耗时：
为什么 Mutex 的性能其实不如 synchronized 呢？
原因如下：
Mutex 在处理并发访问时会产生额外的开销，由于 Mutex 是一个互斥锁，它需要操作系统层面的支持来实现，包括支持挂起和恢复、上下文切换和内核态和用户态之间的切换等操作，这些操作都需要较大的系统开销和时间，导致 Mutex 的性能较差。
- 而
synchronized 采用了一种更加灵活的方式来实现锁的机制，它会检查锁状态，如果没有被持有，则可以立即获取锁。如果锁被持有，则选择等待，或者继续执行其他的任务。从具体的实现上来说，synchronized 底层由jvm保证，在运行过程中，可能会出现偏向锁、轻量级锁、重量级锁等。关于 synchronized 相关的问题，大家也可以去看看我这篇文章 浅析 synchronized 底层实现与锁相关。
最后，我们再看一下 Kotlin 在 Flow 中关于同步问题的解决方法：
嗯，所以Mutex还要不要用了？🤨
如果我们把视线向上提一级，就会理解，当我们在选用 Kotlin 协程的时候，就已经选择了为了使用方便去容忍牺牲一部分性能。再者说，如果你的业务真的对性能要求极致，那么协程本身其实并不是首选推荐的，此时你应该选用线程池去处理，从而得到性能的最大化，因为协程本身的微型机制就需要做更多的额外操作。
再将视角切回到同步问题的处理上，Mutex 是协程中的推荐解决同步问题的方式，而且支持挂起与恢复，这点是其他同步解决方式无法具备的；再者说，Mutex 的上手难度相比 synchronized 低了不少。而至于性能上的差距，对于我们的业务开发而言，几乎是不会感知到，所以在协程中，Kotlin团队建议我们使用Mutex。
协程的异常处理方式
关于协程的异常处理，其实一直都不是一个简单事，或者说，优雅的处理异常并没那么简单。
在传统的原生的异常处理中，我们处理异常无在乎是这两种：
- tryCatch()；
- Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler()；
后者常用于非主线程的保底，前者用于几乎任何位置。
因为协程底层也是使用的java线程模型，所以上述的方式，在协程的异常处理中，同样有效，如下所示：
上述的 runCatching() 是kotlin中对 tryCatch() 的一种封装。
使用CoroutineExceptionHandler
在协程中，官方建议我们使用 CoroutineExceptionHandler 去处理协程中异常，或者作为协程异常的保底手段，如下所示：
我们定义了一个 CoroutineExceptionHandler，并在初始化 CoroutineScope 时将其传入，从而我们这个协程作用域下的所有子协程发生异常时都将被这个 handler 所拦截。
这里使用了 SupervisorJob() 的原因是，协程的异常是会传递的，比如当一个子协程发生异常时，它会影响它的兄弟协程与它的父协程。而使用了 SupervisorJob() 则意味着，其子协程的异常都将由其自己处理，而不会向外扩散，影响其他协程。
还有一点需要注意的是， CoroutineExceptionHandler 只能用于初始化 CoroutineScope 本身的初始化或者其直接子协程(即scope.launch)，否则就算创建子协程时携带了 CoroutineExceptionHandler，也不会生效。
关于协程的异常处理，具体可以看我的这篇文章，里面有详细讲解：Kotlin | 关于协程异常处理，你想知道的都在这里。
常见高阶函数
在开发中，有一些高阶函数，对我们特别有用，这里就将其列出来，以便大家开发中进行使用：
如果你对上述的方法都非常了解，那不妨为自己鼓鼓掌。👏
总结
在本篇，我们着力于从全盘看起，理清 Kotlin协程 的方方面面。从 协程背景 到 挂起函数字节码实现，一瞥挂起与恢复的底层实现，从而体会其相应的设计魅力，并针对一些常见问题进行分析与解析，从而建立起协程彻底理解。文章中挂起函数部分的源码部分可能稍显繁琐，但依然建议大家多看几遍流程，从而更好理解。相应的细节问题，也都有详细注释。
最后，让我们再回到这个问题，协程到底是什么呢？
在JVM平台，Kotlin协程就是一个异步编程框架，它可以帮助我们简化异步代码，提升可读性，从而极大减少异步回调所带来的复杂逻辑。
从底层实现来看：
- kotlin协程基于 java线程模型 ，故底层依然是使用了 线程池 作为任务承载，但相比传统的线程模型，协程在其基础上搭建了一套基于语言级别的 ”微型“ 线程模型。并定义了挂起函数作为相应的子任务，其内部采用了状态机的思想，用于实现协程中的挂起与恢复。
- 在挂起与恢复的实现上，使用了
suspend 关键字标记的函数被称为挂起函数。其在字节码中，会经过 CPS转换 为一个带有 Continuation 参数，返回值为 Object 的方法。而 Continuation 正是用于保存我们的函数状态、步骤，从而实现挂起恢复，其内部也都包含着上一个 Continuation，正如 callback 的嵌套一样。
- 当我们的函数被挂起时，我们当前的函数内部会实例化一个 ContinuationImpl() ，其内部
invokeSuspend() 又维护着当前的函数逻辑，并使用一个 label 作为状态进行流转，如果我们的函数内部依然有其他挂起函数，此时也会将当前的 Continuation 对象传入子挂起函数内部，从而实现 Continuation 的传递，并更改当前的函数状态。而当我们最底层的方法执行结束后，此时就会再次触发父 ContinuationImpl 内部的 invokeSuspend() 方法，从而回到调用方的逻辑内部，从而完成挂起函数的恢复。以此类推，直到我们最开始的调用方法内；
从性能上去看：
- 协程的性能并不优于线程池或者其他异步框架，主要是其做了更多语言级别步骤，但通常情况下，与其他框架的性能几乎一致，因为相比IO的耗时，语言级别的损耗可以几乎忽略不计；
从设计模式去看：
- 协程使得开发者可以自行管理异步任务，而不同于线程的抢占式任务，并且写成还支持子协程的嵌套关闭、更简便的异常处理机制等，故相比其他异步框架，协程的理念更加先进；
参照
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