异步编程：future、async、await

本代码实验室将教您如何使用 future 以及 async 和 await 关键字编写异步代码。通过嵌入式 DartPad 编辑器，您可以通过运行示例代码和完成练习来测试您的知识。

为了充分利用本代码实验室，您应该具备以下内容

• 基本 Dart 语法 知识。
• 使用其他语言编写异步代码的一些经验。

本代码实验室涵盖以下内容

• 如何以及何时使用 async 和 await 关键字。
• 使用 async 和 await 如何影响执行顺序。
• 如何使用 async 函数中的 try-catch 表达式处理异步调用的错误。

完成本代码实验室的估计时间：40-60 分钟。

本代码实验室中的练习包含部分完成的代码片段。您可以使用 DartPad 通过完成代码并单击运行按钮来测试您的知识。不要编辑 main 函数或其下方的测试代码。

如果您需要帮助，请在每个练习后展开提示或解决方案下拉菜单。

异步操作让您的程序在等待另一个操作完成时完成工作。以下是一些常见的异步操作

• 通过网络获取数据。
• 写入数据库。
• 从文件中读取数据。

此类异步计算通常将结果作为 Future 提供，或者如果结果包含多个部分，则作为 Stream 提供。这些计算将异步引入程序中。为了适应这种初始异步，其他纯 Dart 函数也需要变为异步。

若要与这些异步结果交互，可以使用 async 和 await 关键字。大多数异步函数只是异步 Dart 函数，它们可能在底层依赖于固有的异步计算。

以下示例显示了错误使用异步函数 (fetchUserOrder()) 的方法。稍后，你将使用 async 和 await 修复此示例。在运行此示例之前，请尝试找出问题所在——你认为输出会是什么？

// This example shows how *not* to write asynchronous Dart code.

String createOrderMessage() {
  var order = fetchUserOrder();
  return 'Your order is: $order';
}

Future<String> fetchUserOrder() =>
    // Imagine that this function is more complex and slow.
    Future.delayed(
      const Duration(seconds: 2),
      () => 'Large Latte',
    );

void main() {
  print(createOrderMessage());
}

以下是该示例无法打印 fetchUserOrder() 最终生成的值的原因

• fetchUserOrder() 是一个异步函数，它在延迟后提供一个描述用户订单的字符串：“Large Latte”。
• 若要获取用户的订单，createOrderMessage() 应调用 fetchUserOrder() 并等待其完成。由于 createOrderMessage() 不会等待 fetchUserOrder() 完成，因此 createOrderMessage() 无法获取 fetchUserOrder() 最终提供的字符串值。
• 相反，createOrderMessage() 获取待完成挂起工作的表示形式：一个未完成的 future。你将在下一部分中了解有关 future 的更多信息。
• 由于 createOrderMessage() 无法获取描述用户订单的值，因此该示例无法将“Large Latte”打印到控制台，而是打印“Your order is: Instance of '_Future<String>'”。

在下一部分中，你将了解 future 以及如何使用 future（使用 async 和 await），以便能够编写必要的代码，使 fetchUserOrder() 将所需值（“Large Latte”）打印到控制台。

future（小写“f”）是 Future（大写“F”）类的实例。future 表示异步操作的结果，可以有两种状态：未完成或已完成。

当你调用异步函数时，它会返回一个未完成的 future。该 future 正在等待函数的异步操作完成或引发错误。

如果异步操作成功，则 future 将完成并带有值。否则，它将完成并带有错误。

类型为 Future<T> 的 future 使用类型为 T 的值完成。例如，类型为 Future<String> 的 future 产生字符串值。如果 future 不产生可用值，则 future 的类型为 Future<void>。

如果函数执行的异步操作因任何原因失败，则 future 使用错误完成。

在以下示例中，fetchUserOrder() 返回在打印到控制台后完成的 future。因为它不返回可用值，所以 fetchUserOrder() 的类型为 Future<void>。在运行示例之前，请尝试预测哪一个会先打印：“Large Latte”还是“Fetching user order...”。

Future<void> fetchUserOrder() {
  // Imagine that this function is fetching user info from another service or database.
  return Future.delayed(const Duration(seconds: 2), () => print('Large Latte'));
}

void main() {
  fetchUserOrder();
  print('Fetching user order...');
}

在前一个示例中，即使 fetchUserOrder() 在第 8 行的 print() 调用之前执行，控制台也会在 fetchUserOrder()（“Large Latte”）的输出之前显示第 8 行（“Fetching user order...”）的输出。这是因为 fetchUserOrder() 在打印“Large Latte”之前延迟了。

运行以下示例，了解 future 如何使用错误完成。稍后，您将学习如何处理错误。

Future<void> fetchUserOrder() {
  // Imagine that this function is fetching user info but encounters a bug.
  return Future.delayed(
    const Duration(seconds: 2),
    () => throw Exception('Logout failed: user ID is invalid'),
  );
}

void main() {
  fetchUserOrder();
  print('Fetching user order...');
}

在此示例中，fetchUserOrder() 使用错误完成，表明用户 ID 无效。

您已经了解了 future 及其完成方式，但如何使用异步函数的结果？在下一部分中，您将学习如何使用 async 和 await 关键字获取结果。

async 和 await 关键字提供了一种声明方式来定义异步函数并使用其结果。在使用 async 和 await 时记住这两个基本准则

• 要定义异步函数，请在函数主体前添加 async
• await 关键字仅在 async 函数中起作用。

以下是一个将 main() 从同步函数转换为异步函数的示例。

首先，在函数体前添加 async 关键字

void main() async { ··· }

如果函数已声明返回类型，则将类型更新为 Future<T>，其中 T 是函数返回的值的类型。如果函数未显式返回一个值，则返回类型为 Future<void>

Future<void> main() async { ··· }

现在您已拥有一个 async 函数，您可以使用 await 关键字来等待 future 完成

print(await createOrderMessage());

如下两个示例所示，async 和 await 关键字导致异步代码看起来非常像同步代码。唯一的区别在异步示例中突出显示，如果您的窗口足够宽，则在同步示例的右侧。

String createOrderMessage() {
  var order = fetchUserOrder();
  return 'Your order is: $order';
}

Future<String> fetchUserOrder() =>
    // Imagine that this function is
    // more complex and slow.
    Future.delayed(
      const Duration(seconds: 2),
      () => 'Large Latte',
    );

void main() {
  print('Fetching user order...');
  print(createOrderMessage());
}

Fetching user order...
Your order is: Instance of '_Future<String>'

Future<String> createOrderMessage() async {
  var order = await fetchUserOrder();
  return 'Your order is: $order';
}

Future<String> fetchUserOrder() =>
    // Imagine that this function is
    // more complex and slow.
    Future.delayed(
      const Duration(seconds: 2),
      () => 'Large Latte',
    );

Future<void> main() async {
  print('Fetching user order...');
  print(await createOrderMessage());
}

Fetching user order...
Your order is: Large Latte

异步示例有三种不同之处

• createOrderMessage() 的返回类型从 String 更改为 Future<String>。
• async 关键字出现在 createOrderMessage() 和 main() 的函数体之前。
• await 关键字出现在调用异步函数 fetchUserOrder() 和 createOrderMessage() 之前。

async 函数在第一个 await 关键字之前同步运行。这意味着在 async 函数体中，第一个 await 关键字之前的所有同步代码立即执行。

运行以下示例以查看执行如何在 async 函数体中进行。您认为输出会是什么？

Future<void> printOrderMessage() async {
  print('Awaiting user order...');
  var order = await fetchUserOrder();
  print('Your order is: $order');
}

Future<String> fetchUserOrder() {
  // Imagine that this function is more complex and slow.
  return Future.delayed(const Duration(seconds: 4), () => 'Large Latte');
}

void main() async {
  countSeconds(4);
  await printOrderMessage();
}

// You can ignore this function - it's here to visualize delay time in this example.
void countSeconds(int s) {
  for (var i = 1; i <= s; i++) {
    Future.delayed(Duration(seconds: i), () => print(i));
  }
}

在运行前一个示例中的代码后，尝试反转第 2 行和第 3 行

var order = await fetchUserOrder();
print('Awaiting user order...');

请注意，现在 print('Awaiting user order') 出现在 printOrderMessage() 中的第一个 await 关键字之后，输出时间发生了变化。

以下练习是一个失败的单元测试，其中包含部分完成的代码片段。你的任务是通过编写代码使测试通过来完成练习。你不需要实现 main()。

要模拟异步操作，请调用以下为你提供的函数

向 reportUserRole() 函数添加代码，使其执行以下操作

• 返回一个 future，其中包含以下字符串："User role: <user role>"
  • 注意：你必须使用 fetchRole() 返回的实际值；复制和粘贴示例返回值不会使测试通过。
  • 示例返回值："User role: tester"
• 通过调用提供的函数 fetchRole() 获取用户角色。

实现一个 async 函数 reportLogins()，使其执行以下操作

• 返回字符串 "Total number of logins: <# of logins>"。
  • 注意：你必须使用 fetchLoginAmount() 返回的实际值；复制和粘贴示例返回值不会使测试通过。
  • 示例返回值来自 reportLogins()："Total number of logins: 57"
• 通过调用提供的函数 fetchLoginAmount() 获取登录次数。

// Part 1
// Call the provided async function fetchRole()
// to return the user role.
Future<String> reportUserRole() async {
  // TODO: Implement the reportUserRole function here.
}

// Part 2
// TODO: Implement the reportUserRole function here.
// Call the provided async function fetchLoginAmount()
// to return the number of times that the user has logged in.
reportLogins() {}

// The following functions those provided to you to simulate
// asynchronous operations that could take a while.

Future<String> fetchRole() => Future.delayed(_halfSecond, () => _role);
Future<int> fetchLoginAmount() => Future.delayed(_halfSecond, () => _logins);

// The following code is used to test and provide feedback on your solution.
// There is no need to read or modify it.

void main() async {
  print('Testing...');
  List<String> messages = [];
  const passed = 'PASSED';
  const testFailedMessage = 'Test failed for the function:';
  const typoMessage = 'Test failed! Check for typos in your return value';
  try {
    messages
      ..add(_makeReadable(
          testLabel: 'Part 1',
          testResult: await _asyncEquals(
            expected: 'User role: administrator',
            actual: await reportUserRole(),
            typoKeyword: _role,
          ),
          readableErrors: {
            typoMessage: typoMessage,
            'null':
                'Test failed! Did you forget to implement or return from reportUserRole?',
            'User role: Instance of \'Future<String>\'':
                '$testFailedMessage reportUserRole. Did you use the await keyword?',
            'User role: Instance of \'_Future<String>\'':
                '$testFailedMessage reportUserRole. Did you use the await keyword?',
            'User role:':
                '$testFailedMessage reportUserRole. Did you return a user role?',
            'User role: ':
                '$testFailedMessage reportUserRole. Did you return a user role?',
            'User role: tester':
                '$testFailedMessage reportUserRole. Did you invoke fetchRole to fetch the user\'s role?',
          }))
      ..add(_makeReadable(
          testLabel: 'Part 2',
          testResult: await _asyncEquals(
            expected: 'Total number of logins: 42',
            actual: await reportLogins(),
            typoKeyword: _logins.toString(),
          ),
          readableErrors: {
            typoMessage: typoMessage,
            'null':
                'Test failed! Did you forget to implement or return from reportLogins?',
            'Total number of logins: Instance of \'Future<int>\'':
                '$testFailedMessage reportLogins. Did you use the await keyword?',
            'Total number of logins: Instance of \'_Future<int>\'':
                '$testFailedMessage reportLogins. Did you use the await keyword?',
            'Total number of logins: ':
                '$testFailedMessage reportLogins. Did you return the number of logins?',
            'Total number of logins:':
                '$testFailedMessage reportLogins. Did you return the number of logins?',
            'Total number of logins: 57':
                '$testFailedMessage reportLogins. Did you invoke fetchLoginAmount to fetch the number of user logins?',
          }))
      ..removeWhere((m) => m.contains(passed))
      ..toList();

    if (messages.isEmpty) {
      print('Success. All tests passed!');
    } else {
      messages.forEach(print);
    }
  } on UnimplementedError {
    print(
        'Test failed! Did you forget to implement or return from reportUserRole?');
  } catch (e) {
    print('Tried to run solution, but received an exception: $e');
  }
}

const _role = 'administrator';
const _logins = 42;
const _halfSecond = Duration(milliseconds: 500);

// Test helpers.
String _makeReadable({
  required String testResult,
  required Map<String, String> readableErrors,
  required String testLabel,
}) {
  if (readableErrors.containsKey(testResult)) {
    var readable = readableErrors[testResult];
    return '$testLabel $readable';
  } else {
    return '$testLabel $testResult';
  }
}

// Assertions used in tests.
Future<String> _asyncEquals({
  required String expected,
  required dynamic actual,
  required String typoKeyword,
}) async {
  var strActual = actual is String ? actual : actual.toString();
  try {
    if (expected == actual) {
      return 'PASSED';
    } else if (strActual.contains(typoKeyword)) {
      return 'Test failed! Check for typos in your return value';
    } else {
      return strActual;
    }
  } catch (e) {
    return e.toString();
  }
}

Future<String> reportUserRole() async {  final username = await fetchRole();  return 'User role: $username'; }  Future<String> reportLogins() async {  final logins = await fetchLoginAmount();  return 'Total number of logins: $logins'; }

要处理async函数中的错误，请使用try-catch

try {
  print('Awaiting user order...');
  var order = await fetchUserOrder();
} catch (err) {
  print('Caught error: $err');
}

在async函数中，你可以编写try-catch子句，就像在同步代码中编写一样。

运行以下示例，了解如何处理异步函数中的错误。你认为输出会是什么？

Future<void> printOrderMessage() async {
  try {
    print('Awaiting user order...');
    var order = await fetchUserOrder();
    print(order);
  } catch (err) {
    print('Caught error: $err');
  }
}

Future<String> fetchUserOrder() {
  // Imagine that this function is more complex.
  var str = Future.delayed(
      const Duration(seconds: 4),
      () => throw 'Cannot locate user order');
  return str;
}

void main() async {
  await printOrderMessage();
}

以下练习提供了使用上一节中描述的方法处理异步代码错误的实践。为了模拟异步操作，你的代码将调用以下函数，该函数已为你提供

使用async和await实现一个异步changeUsername()函数，该函数执行以下操作

• 调用提供的异步函数fetchNewUsername()并返回其结果。
  • changeUsername()的示例返回值："jane_smith_92"
• 捕获发生的任何错误并返回错误的字符串值。
  • 你可以使用toString()方法将异常和错误都字符串化。

// TODO: Implement changeUsername here.
changeUsername() {}

// The following function is provided to you to simulate
// an asynchronous operation that could take a while and
// potentially throw an exception.

Future<String> fetchNewUsername() =>
    Future.delayed(const Duration(milliseconds: 500), () => throw UserError());

class UserError implements Exception {
  @override
  String toString() => 'New username is invalid';
}

// The following code is used to test and provide feedback on your solution.
// There is no need to read or modify it.

void main() async {
  final List<String> messages = [];
  const typoMessage = 'Test failed! Check for typos in your return value';

  print('Testing...');
  try {
    messages
      ..add(_makeReadable(
          testLabel: '',
          testResult: await _asyncDidCatchException(changeUsername),
          readableErrors: {
            typoMessage: typoMessage,
            _noCatch:
                'Did you remember to call fetchNewUsername within a try/catch block?',
          }))
      ..add(_makeReadable(
          testLabel: '',
          testResult: await _asyncErrorEquals(changeUsername),
          readableErrors: {
            typoMessage: typoMessage,
            _noCatch:
                'Did you remember to call fetchNewUsername within a try/catch block?',
          }))
      ..removeWhere((m) => m.contains(_passed))
      ..toList();

    if (messages.isEmpty) {
      print('Success. All tests passed!');
    } else {
      messages.forEach(print);
    }
  } catch (e) {
    print('Tried to run solution, but received an exception: $e');
  }
}

// Test helpers.
String _makeReadable({
  required String testResult,
  required Map<String, String> readableErrors,
  required String testLabel,
}) {
  if (readableErrors.containsKey(testResult)) {
    final readable = readableErrors[testResult];
    return '$testLabel $readable';
  } else {
    return '$testLabel $testResult';
  }
}

Future<String> _asyncErrorEquals(Function fn) async {
  final result = await fn();
  if (result == UserError().toString()) {
    return _passed;
  } else {
    return 'Test failed! Did you stringify and return the caught error?';
  }
}

Future<String> _asyncDidCatchException(Function fn) async {
  var caught = true;
  try {
    await fn();
  } on UserError catch (_) {
    caught = false;
  }

  if (caught == false) {
    return _noCatch;
  } else {
    return _passed;
  }
}

const _passed = 'PASSED';
const _noCatch = 'NO_CATCH';

Future<String> changeUsername() async {  try {  return await fetchNewUsername();  } catch (err) {  return err.toString();  } }

是时候在最后一个练习中练习你学到的知识了。为了模拟异步操作，本练习提供了异步函数fetchUsername()和logoutUser()

编写以下内容

• 编写一个函数 addHello()，它采用单个 String 参数。
• addHello() 返回其 String 参数，前面加上 'Hello '。
  示例：addHello('Jon') 返回 'Hello Jon'。

• 编写一个函数 greetUser()，它不采用任何参数。
• 为了获取用户名，greetUser() 调用提供的异步函数 fetchUsername()。
• greetUser() 通过调用 addHello() 为用户创建问候语，将用户名传递给它，并返回结果。
  示例：如果 fetchUsername() 返回 'Jenny'，则 greetUser() 返回 'Hello Jenny'。

• 编写一个函数 sayGoodbye()，它执行以下操作
  • 不采用任何参数。
  • 捕获任何错误。
  • 调用提供的异步函数 logoutUser()。
• 如果 logoutUser() 失败，sayGoodbye() 返回任何您喜欢的字符串。
• 如果 logoutUser() 成功，sayGoodbye() 返回字符串 '<result> Thanks, see you next time'，其中 <result> 是通过调用 logoutUser() 返回的字符串值。

// Part 1
addHello(String user) {}

// Part 2
// Call the provided async function fetchUsername()
// to return the username.
greetUser() {}

// Part 3
// Call the provided async function logoutUser()
// to log out the user.
sayGoodbye() {}

// The following functions are provided to you to use in your solutions.

Future<String> fetchUsername() => Future.delayed(_halfSecond, () => 'Jean');

Future<String> logoutUser() => Future.delayed(_halfSecond, _failOnce);

// The following code is used to test and provide feedback on your solution.
// There is no need to read or modify it.

void main() async {
  const didNotImplement =
      'Test failed! Did you forget to implement or return from';

  final List<String> messages = [];

  print('Testing...');
  try {
    messages
      ..add(_makeReadable(
          testLabel: 'Part 1',
          testResult: await _asyncEquals(
              expected: 'Hello Jerry',
              actual: addHello('Jerry'),
              typoKeyword: 'Jerry'),
          readableErrors: {
            _typoMessage: _typoMessage,
            'null': '$didNotImplement addHello?',
            'Hello Instance of \'Future<String>\'':
                'Looks like you forgot to use the \'await\' keyword!',
            'Hello Instance of \'_Future<String>\'':
                'Looks like you forgot to use the \'await\' keyword!',
          }))
      ..add(_makeReadable(
          testLabel: 'Part 2',
          testResult: await _asyncEquals(
              expected: 'Hello Jean',
              actual: await greetUser(),
              typoKeyword: 'Jean'),
          readableErrors: {
            _typoMessage: _typoMessage,
            'null': '$didNotImplement greetUser?',
            'HelloJean':
                'Looks like you forgot the space between \'Hello\' and \'Jean\'',
            'Hello Instance of \'Future<String>\'':
                'Looks like you forgot to use the \'await\' keyword!',
            'Hello Instance of \'_Future<String>\'':
                'Looks like you forgot to use the \'await\' keyword!',
            '{Closure: (String) => dynamic from Function \'addHello\': static.(await fetchUsername())}':
                'Did you place the \'\$\' character correctly?',
            '{Closure \'addHello\'(await fetchUsername())}':
                'Did you place the \'\$\' character correctly?',
          }))
      ..add(_makeReadable(
          testLabel: 'Part 3',
          testResult: await _asyncDidCatchException(sayGoodbye),
          readableErrors: {
            _typoMessage:
                '$_typoMessage. Did you add the text \'Thanks, see you next time\'?',
            'null': '$didNotImplement sayGoodbye?',
            _noCatch:
                'Did you remember to call logoutUser within a try/catch block?',
            'Instance of \'Future<String>\' Thanks, see you next time':
                'Did you remember to use the \'await\' keyword in the sayGoodbye function?',
            'Instance of \'_Future<String>\' Thanks, see you next time':
                'Did you remember to use the \'await\' keyword in the sayGoodbye function?',
          }))
      ..add(_makeReadable(
          testLabel: 'Part 3',
          testResult: await _asyncEquals(
              expected: 'Success! Thanks, see you next time',
              actual: await sayGoodbye(),
              typoKeyword: 'Success'),
          readableErrors: {
            _typoMessage:
                '$_typoMessage. Did you add the text \'Thanks, see you next time\'?',
            'null': '$didNotImplement sayGoodbye?',
            _noCatch:
                'Did you remember to call logoutUser within a try/catch block?',
            'Instance of \'Future<String>\' Thanks, see you next time':
                'Did you remember to use the \'await\' keyword in the sayGoodbye function?',
            'Instance of \'_Future<String>\' Thanks, see you next time':
                'Did you remember to use the \'await\' keyword in the sayGoodbye function?',
            'Instance of \'_Exception\'':
                'CAUGHT Did you remember to return a string?',
          }))
      ..removeWhere((m) => m.contains(_passed))
      ..toList();

    if (messages.isEmpty) {
      print('Success. All tests passed!');
    } else {
      messages.forEach(print);
    }
  } catch (e) {
    print('Tried to run solution, but received an exception: $e');
  }
}

// Test helpers.
String _makeReadable({
  required String testResult,
  required Map<String, String> readableErrors,
  required String testLabel,
}) {
  String? readable;
  if (readableErrors.containsKey(testResult)) {
    readable = readableErrors[testResult];
    return '$testLabel $readable';
  } else if ((testResult != _passed) && (testResult.length < 18)) {
    readable = _typoMessage;
    return '$testLabel $readable';
  } else {
    return '$testLabel $testResult';
  }
}

Future<String> _asyncEquals({
  required String expected,
  required dynamic actual,
  required String typoKeyword,
}) async {
  final strActual = actual is String ? actual : actual.toString();
  try {
    if (expected == actual) {
      return _passed;
    } else if (strActual.contains(typoKeyword)) {
      return _typoMessage;
    } else {
      return strActual;
    }
  } catch (e) {
    return e.toString();
  }
}

Future<String> _asyncDidCatchException(Function fn) async {
  var caught = true;
  try {
    await fn();
  } on Exception catch (_) {
    caught = false;
  }

  if (caught == true) {
    return _passed;
  } else {
    return _noCatch;
  }
}

const _typoMessage = 'Test failed! Check for typos in your return value';
const _passed = 'PASSED';
const _noCatch = 'NO_CATCH';
const _halfSecond = Duration(milliseconds: 500);

String _failOnce() {
  if (_logoutSucceeds) {
    return 'Success!';
  } else {
    _logoutSucceeds = true;
    throw Exception('Logout failed');
  }
}

bool _logoutSucceeds = false;

String addHello(String user) => 'Hello $user';

Future<String> greetUser() async {
  final username = await fetchUsername();
  return addHello(username);
}

Future<String> sayGoodbye() async {
  try {
    final result = await logoutUser();
    return '$result Thanks, see you next time';
  } catch (e) {
    return 'Failed to logout user: $e';
  }
}

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