挂起函数：Kotlin中的异步编程利器

文章概要

在本文中，我们将介绍Kotlin中的一种特殊的函数类型：挂起函数。挂起函数是Kotlin协程库中的核心概念，它可以让我们以同步的方式编写异步的代码，从而简化复杂的并发逻辑。我们将探讨挂起函数的关键特性是挂起和恢复，以及它是如何在底层实现的。我们还将深入理解suspend关键字的含义，以及它是如何影响函数类型和函数转换的。最后，我们将讲解挂起函数和协程之间的关系，以及为什么挂起函数需要在协程或者其他挂起函数中执行的原因。

挂起函数的最佳场景

在传统的异步编程中，我们通常需要使用回调函数来处理异步操作的结果。例如，如果我们想要从网络上获取一些数据，然后对数据进行处理，我们可能需要写出类似这样的代码：

// 一个普通的回调函数
fun getData1(callback: (String) -> Unit) {
    // 模拟一个耗时的网络请求
    Thread.sleep(1000)
    // 返回一个字符串数据
    callback("Hello")
}

// 另一个普通的回调函数
fun getData2(callback: (String) -> Unit) {
    // 模拟一个耗时的网络请求
    Thread.sleep(1000)
    // 返回一个字符串数据
    callback("World")
}

// 还有一个普通的回调函数
fun getData3(param1: String, param2: String, callback: (String) -> Unit) {
    // 模拟一个耗时的网络请求，需要两个参数
    Thread.sleep(1000)
    // 返回一个字符串数据，是两个参数的拼接
    callback("$param1 $param2")
}

// 使用回调函数来获取数据并处理
getData1 { data1 ->
    getData2 { data2 ->
        getData3(data1, data2) { data3 ->
            // 对数据进行处理
            println("Data: $data3")
        }
    }
}

这种方式虽然可以实现异步编程的目的，但是也有一些缺点：

• 回调函数会导致代码嵌套层次过多，难以阅读和维护。
• 回调函数会破坏代码的顺序执行逻辑，难以跟踪和调试。
• 回调函数会导致异常处理变得复杂和混乱。

为了解决这些问题，Kotlin提供了一种更优雅和简洁的方式：挂起函数。挂起函数可以让我们使用同步的方式编写异步的代码，从而消除回调地狱的问题。例如，上面的代码可以用挂起函数来重写：

// 一个挂起函数
suspend fun getData1(): String {
    // 模拟一个耗时的网络请求
    delay(1000)
    // 返回一个字符串数据
    return "Hello"
}

// 另一个挂起函数
suspend fun getData2(): String {
    // 模拟一个耗时的网络请求
    delay(1000)
    // 返回一个字符串数据
    return "World"
}

// 还有一个挂起函数
suspend fun getData3(param1: String, param2: String): String {
    // 模拟一个耗时的网络请求，需要两个参数
    delay(1000)
    // 返回一个字符串数据，是两个参数的拼接
    return "$param1 $param2"
}

// 使用挂起函数来获取数据并处理
val data1 = getData1()
val data2 = getData2()
val data3 = getData3(data1, data2)
// 对数据进行处理
println("Data: $data3")

这种方式有以下优点：

• 挂起函数可以让代码保持顺序执行逻辑，易于阅读和维护。
• 挂起函数可以让代码使用同步风格的异常处理机制，易于跟踪和调试。
• 挂起函数可以让代码更加简洁和优雅。

那么，挂起函数是如何实现这些优点的呢？接下来，我们将探讨挂起函数的机制和原理。

挂起函数的机制

挂起函数的关键特性是挂起和恢复。这两个概念可以用一个简单的比喻来理解：挂起函数就像是一本书，当我们遇到一个有趣的段落时，我们会挂起阅读，并去做其他事情。当我们有空闲时，我们会恢复阅读，并继续看下去。这样，我们就可以在不同的时间点阅读同一本书，而不会忘记之前的内容。

挂起函数的机制也类似于这个比喻。当一个挂起函数遇到一个耗时或者异步的操作时，它会挂起自己，并释放当前线程。当这个操作完成后，它会恢复自己，并继续执行剩余的代码。这样，就可以实现在一行代码中实现线程切换的效果。

例如，在下面的例子中，我们定义了一个挂起函数getData()，它会模拟一个耗时的网络请求，并返回一个字符串数据。我们还定义了一个普通函数main()，它会创建一个协程，并在其中调用getData()并打印结果：

// 一个挂起函数
suspend fun getData(): String {
    // 模拟一个耗时的网络请求
    delay(1000)
    // 返回一个字符串数据
    return "Hello"
}

// 一个普通函数
fun main() {
    // 使用runBlocking构建器来创建一个协程
    runBlocking {
        // 在协程中调用挂起函数
        val data = getData()
        // 对数据进行处理
        println("Data: $data")
    }
}

当我们运行这段代码时，会发生以下事情：

• main()函数会创建一个协程，并在其中调用getData()。
• getData()函数会执行到delay(1000)这一行，并将自己挂起。此时，当前线程（主线程）被释放，可以执行其他任务。
• 当延迟结束后，getData()函数会被恢复，并返回"Hello"这个字符串数据。
• main()函数会继续执行，并打印出"Data: Hello"这个结果。

从上面的例子可以看出，挂起函数可以让我们在不阻塞线程或者使用回调函数的情况下，实现异步编程的效果。那么，挂起函数是如何实现挂起和恢复的呢？其实，挂起函数的底层是基于状态机和Continuation的。状态机是一种可以在不同状态之间转换的机制，Continuation是一种可以表示剩余代码的接口。我们将在下面的两节中详细介绍这两个概念。

深入理解suspend关键字

要定义一个挂起函数，我们需要在函数前面加上suspend关键字。这个关键字有以下含义：

• 它表示这个函数是一个挂起函数，可以在协程或者其他挂起函数中调用。
• 它表示这个函数可以被挂起和恢复，即它可以在执行过程中暂停和继续。
• 它表示这个函数的类型是一个特殊的函数类型，即挂起函数类型。

挂起函数类型是一种特殊的函数类型，它与普通的函数类型有以下区别：

• 挂起函数类型可以接受和返回任何类型的值，包括Unit和Nothing。
• 挂起函数类型可以被赋值给普通的函数类型变量，但是反过来不行。
• 挂起函数类型可以被用作高阶函数的参数或者返回值，但是必须在协程或者其他挂起函数中调用。

例如，下面的代码展示了一些挂起函数类型的用法：

// 一个挂起函数
suspend fun foo(): Int {
    // ...
}

// 一个普通的函数
fun bar() {
    // ...
}

// 一个高阶函数
fun baz(f: suspend () -> Int) {
    // ...
}

// 一个协程
launch {
    // 可以把挂起函数赋值给普通的函数变量
    val f1: () -> Int = ::foo
    // 可以把普通的函数赋值给挂起函数变量
    val f2: suspend () -> Unit = ::bar
    // 可以把挂起函数作为高阶函数的参数或者返回值
    baz(::foo)
    baz { foo() }
}

那么，为什么suspend关键字会导致函数类型的改变呢？其实，这是因为Kotlin编译器会对挂起函数进行一种特殊的转换，即CPS转换。CPS转换是一种将普通的控制流转换为Continuation Passing Style（CPS）的技术。CPS是一种编程风格，它要求每个函数都接受一个Continuation参数，并通过它来传递剩余的代码。我们将在下一节中详细介绍Continuation接口。

为了理解CPS转换，我们可以看一下上面例子中的getData()函数在编译后的Java代码：

// 一个挂起函数
public static final Object getData(@NotNull Continuation $completion) {
    // 创建一个状态机对象，用于记录和恢复状态
    int $label = $completion.getLabel();
    if ($label != 0) {
        if ($label == 1) {
            // 恢复状态
            Object result = $completion.getResult();
            // 检查异常
            Exception exception = (Exception)result;
            if (exception != null) {
                throw exception;
            }
            // 返回结果
            return result;
        } else {
            throw new IllegalStateException("call to 'resume' before 'invoke' with coroutine");
        }
    }
    
    // 设置标签为1，表示下次恢复时跳转到这里
    $completion.setLabel(1);
    // 调用delay(1000)方法，并传递Continuation参数
    Object result = DelayKt.delay(1000L, $completion);
    // 检查是否挂起
    if (result == IntrinsicsKt.getCOROUTINE_SUSPENDED()) {
        // 如果挂起，返回COROUTINE_SUSPENDED标志
        return result;
    }
    
    // 如果没有挂起，返回"Hello"字符串数据
    return "Hello";
}

从上面的代码可以看出，Kotlin编译器会对挂起函数做以下处理：

• 在参数列表中添加一个Continuation参数，用于表示剩余代码。
• 在函数体中创建一个状态机对象，用于记录和恢复状态。
• 在遇到耗时或者异步操作时，调用该操作的方法，并传递Continuation参数。
• 在返回结果之前，检查是否挂起，如果挂起，返回COROUTINE\_SUSPENDED标志，如果没有挂起，返回正常结果。

这样，就实现了挂起和恢复的机制。当一个挂起函数被调用时，它会执行到第一个耗时或者异步操作，并将自己挂起。当这个操作完成后，它会被恢复，并继续执行剩余的代码。这个过程可以重复多次，直到整个函数执行完毕。

Continuation接口的作用

Continuation接口是Kotlin协程库中定义的一个接口，它有以下定义：

interface Continuation<in T> {
    val context: CoroutineContext
    fun resumeWith(result: Result<T>)
}

这个接口有两个成员：

• context属性：表示这个Continuation所属的协程上下文，包括协程的作用域、调度器、异常处理器等信息。
• resumeWith方法：表示这个Continuation所代表的剩余代码，它接受一个Result参数，表示上一个操作的结果。

Continuation接口的作用是让我们可以在挂起函数中表示和传递剩余代码。当一个挂起函数被挂起时，它会创建一个Continuation对象，并将剩余代码作为resumeWith方法的参数。然后，它会将这个Continuation对象传递给耗时或者异步操作的方法，并挂起自己。当这个操作完成后，这个方法会调用这个Continuation对象的resumeWith方法，并传递结果。这样，剩余代码就会被执行。

例如，在上面的例子中，当getData()遇到delay(1000)时，它会创建一个Continuation对象，并将println("Data: $data")作为resumeWith方法的参数。然后，它会将这个Continuation对象传递给delay(1000)方法，并挂起自己。当延迟结束后，delay(1000)方法会调用这个Continuation对象的resumeWith方法，并传递"Hello"作为Result参数。这样，println("Data: data")就会被执行。

挂起函数和协程之间的关系

挂起函数和协程之间有着密切的关系。

Kotlin提供了一套协程库，它可以让我们以简单和统一的方式使用协程。这套协程库的核心就是挂起函数。挂起函数可以让我们在协程中执行异步操作，而不需要使用回调函数或者其他复杂的机制。挂起函数还可以让我们在协程之间切换执行，而不需要手动管理线程或者状态。

要使用挂起函数，我们需要在协程或者其他挂起函数中调用它们。这是因为挂起函数需要一个Continuation参数来表示剩余代码，而这个参数是由协程库在运行时提供的。如果我们在非协程或者非挂起函数中调用挂起函数，编译器会报错，提示我们缺少Continuation参数。

要创建一个协程，我们可以使用一些协程构建器，例如launch、async、runBlocking等。这些构建器都会返回一个CoroutineScope对象，它表示一个协程的作用域。在这个作用域中，我们可以调用挂起函数，并使用一些扩展函数来管理协程的生命周期、异常处理、取消等。

挂起函数和协程之间最重要的关系是挂起恢复能力。这个能力指的是当一个挂起函数被挂起时，它可以在不同的协程中被恢复，并继续执行剩余代码。这个能力让我们可以在多个线程之间切换执行异步操作，而不需要手动管理线程或者状态。

例如，在下面的例子中，我们定义了一个挂起函数getData()，它会模拟一个耗时的网络请求，并返回一个字符串数据。我们还定义了两个普通函数main1()和main2()，它们分别会在不同的线程中创建一个协程，并在其中调用getData()并打印结果：

// 一个挂起函数
suspend fun getData(): String {
    // 模拟一个耗时的网络请求
    delay(1000)
    // 返回一个字符串数据
    return "Hello"
}

// 一个普通函数
fun main1() {
    // 使用runBlocking构建器来创建一个协程，并指定主线程作为调度器
    runBlocking(Dispatchers.Main) {
        // 在主线程中调用挂起函数
        val data = getData()
        // 对数据进行处理
        println("Data: $data from ${Thread.currentThread().name}")
    }
}

// 另一个普通函数
fun main2() {
    // 使用runBlocking构建器来创建一个协程，并指定IO线程作为调度器
    runBlocking(Dispatchers.IO) {
        // 在IO线程中调用挂起函数
        val data = getData()
        // 对数据进行处理
        println("Data: $data from ${Thread.currentThread().name}")
    }
}

当我们运行这两个函数时，会发生以下事情：

• main1()函数会在主线程中创建一个协程，并在其中调用getData()。
• getData()函数会执行到delay(1000)这一行，并将自己挂起。此时，主线程被释放，可以执行其他任务。
• main2()函数会在IO线程中创建一个协程，并在其中调用getData()。
• getData()函数会执行到delay(1000)这一行，并将自己挂起。此时，IO线程被释放，可以执行其他任务。
• 当延迟结束后，getData()函数会被恢复，并返回"Hello"这个字符串数据。注意，这里的恢复可能发生在不同的线程中，取决于哪个协程先完成延迟。
• main1()函数和main2()函数会继续执行，并打印出类似于下面的结果：

Data: Hello from DefaultDispatcher-worker-1
Data: Hello from main

从上面的例子可以看出，挂起函数可以在不同的协程中被挂起和恢复，并继续执行剩余代码。这个过程可以重复多次，直到整个函数执行完毕。这个能力让我们可以在多个线程之间切换执行异步操作，而不需要手动管理线程或者状态。

总之，挂起函数和协程是相互依赖的概念。挂起函数是协程库的核心，它可以让我们在协程中执行异步操作。协程是挂起函数的载体，它可以让我们在多个线程之间切换执行挂起函数。

文章总结

本文介绍了Kotlin中的一种特殊的函数类型：挂起函数。挂起函数是Kotlin协程库中的核心概念，它可以让我们以同步的方式编写异步的代码，从而简化复杂的并发逻辑。我们探讨了挂起函数的关键特性是挂起和恢复，以及它是如何在底层实现的。我们还深入理解了suspend关键字的含义，以及它是如何影响函数类型和函数转换的。最后，我们讲解了挂起函数和协程之间的关系，以及为什么挂起函数需要在协程或者其他挂起函数中执行的原因。

挂起函数是Kotlin中的异步编程利器，它可以让我们编写更加简洁、优雅、可读、可维护、可调试、可异常处理的代码。。