Dart 中的并发

此页面包含有关 Dart 中并发编程工作原理的概念概述。它从高级别解释了事件循环、异步语言特性和隔离区。有关在 Dart 中使用并发的更多实用代码示例，请阅读 异步支持 页面和 隔离区 页面。

Dart 中的并发编程指的是异步 API（如 Future 和 Stream）以及隔离区，后者允许您将进程移动到单独的核心。

所有 Dart 代码都在隔离区中运行，从默认的主隔离区开始，并根据需要扩展到您显式创建的任何后续隔离区。当您生成一个新的隔离区时，它拥有自己的隔离内存和自己的事件循环。事件循环是 Dart 中异步和并发编程成为可能的关键。

Dart 的运行时模型基于事件循环。事件循环负责执行程序代码、收集和处理事件等。

当您的应用程序运行时，所有事件都会添加到一个称为事件队列的队列中。事件可以是任何内容，例如重绘 UI 的请求、用户点击和按键、磁盘的 I/O 等。由于您的应用程序无法预测事件发生的顺序，因此事件循环按事件入队的顺序逐个处理事件。

事件循环的工作方式类似于以下代码

while (eventQueue.waitForEvent()) {
  eventQueue.processNextEvent();
}

此示例事件循环是同步的，并在单个线程上运行。但是，大多数 Dart 应用程序需要同时执行多项操作。例如，客户端应用程序可能需要执行 HTTP 请求，同时还要监听用户点击按钮。为了处理这种情况，Dart 提供了许多异步 API，例如 Future、Stream 和 async-await。这些 API 是围绕此事件循环构建的。

例如，考虑发出网络请求

http.get('https://example.com').then((response) {
  if (response.statusCode == 200) {
    print('Success!');
  }  
}

当此代码到达事件循环时，它会立即调用第一个子句 http.get 并返回一个 Future。它还会告诉事件循环在 HTTP 请求解析之前保留 then() 子句中的回调。发生这种情况时，它应该执行该回调，并将请求的结果作为参数传递。

此相同模型通常是事件循环如何处理 Dart 中所有其他异步事件的方式，例如 Stream 对象。

本节总结了 Dart 中不同类型和语法的异步编程。如果您已经熟悉 Future、Stream 和 async-await，则可以跳至 隔离区部分。

Future 表示异步操作的结果，该操作最终将完成并返回一个值或错误。

在此示例代码中，Future<String> 的返回类型表示最终提供 String 值（或错误）的承诺。

Future<String> _readFileAsync(String filename) {
  final file = File(filename);

  // .readAsString() returns a Future.
  // .then() registers a callback to be executed when `readAsString` resolves.
  return file.readAsString().then((contents) {
    return contents.trim();
  });
}

async 和 await 关键字提供了一种声明式方式来定义异步函数并使用其结果。

以下是一些在等待文件 I/O 时阻塞的同步代码示例

const String filename = 'with_keys.json';

void main() {
  // Read some data.
  final fileData = _readFileSync();
  final jsonData = jsonDecode(fileData);

  // Use that data.
  print('Number of JSON keys: ${jsonData.length}');
}

String _readFileSync() {
  final file = File(filename);
  final contents = file.readAsStringSync();
  return contents.trim();
}

以下是类似的代码，但进行了更改（突出显示）以使其异步

const String filename = 'with_keys.json';

void main() async {
  // Read some data.
  final fileData = await _readFileAsync();
  final jsonData = jsonDecode(fileData);

  // Use that data.
  print('Number of JSON keys: ${jsonData.length}');
}

Future<String> _readFileAsync() async {
  final file = File(filename);
  final contents = await file.readAsString();
  return contents.trim();
}

main() 函数在 _readFileAsync() 前面使用了 await 关键字，以允许其他 Dart 代码（例如事件处理程序）在执行本机代码（文件 I/O）时使用 CPU。使用 await 还会将 _readFileAsync() 返回的 Future<String> 转换为 String。因此，contents 变量具有隐式类型 String。

如下图所示，Dart 代码在 readAsString() 执行非 Dart 代码时暂停，无论是 Dart 运行时还是操作系统。一旦 readAsString() 返回一个值，Dart 代码执行就会恢复。

Dart 还支持流形式的异步代码。流提供未来的值，并随时间推移重复提供。承诺随时间推移提供一系列 int 值的类型为 Stream<int>。

在以下示例中，使用 Stream.periodic 创建的流每秒重复发出一个新的 int 值。

Stream<int> stream = Stream.periodic(const Duration(seconds: 1), (i) => i * i);

Await-for 是一种 for 循环，它在提供新值时执行循环的每个后续迭代。换句话说，它用于“遍历”流。在此示例中，当提供的作为参数的流发出新值时，将从函数 sumStream 发出一个新值。yield 关键字用于返回流值的函数中，而不是 return。

Stream<int> sumStream(Stream<int> stream) async* {
  var sum = 0;
  await for (final value in stream) {
    yield sum += value;
  }
}

如果您想了解有关使用 async、await、Stream 和 Future 的更多信息，请查看 异步编程教程。

除了 异步 API 之外，Dart 还通过隔离区支持并发。大多数现代设备都具有多核 CPU。为了利用多个核心，开发人员有时会使用并发运行的共享内存线程。但是，共享状态并发 容易出错 并且可能导致代码复杂。

所有 Dart 代码都在隔离区内运行，而不是线程。使用隔离区，您的 Dart 代码可以同时执行多个独立的任务，如果可用，则可以使用其他处理器核心。隔离区类似于线程或进程，但每个隔离区都有自己的内存和一个运行事件循环的单个线程。

每个隔离区都有自己的全局字段，确保一个隔离区中的任何状态都无法从其他隔离区访问。隔离区只能通过消息传递相互通信。隔离区之间没有共享状态意味着 Dart 中不会出现诸如互斥体或锁和数据竞争之类的并发复杂性。也就是说，隔离区并不能完全防止数据竞争。有关此并发模型的更多信息，请阅读有关Actor 模型的内容。

在大多数情况下，您根本不需要考虑隔离区。默认情况下，Dart 程序在主隔离区中运行。它是程序开始运行和执行的线程，如下图所示

即使是单隔离区程序也可以顺利执行。在继续执行下一行代码之前，这些应用程序使用async-await等待异步操作完成。一个表现良好的应用程序启动速度很快，尽快进入事件循环。然后，应用程序会及时响应每个排队的事件，并在必要时使用异步操作。

如下图所示，每个隔离区都通过运行一些 Dart 代码（例如main()函数）来启动。此 Dart 代码可能会注册一些事件监听器——例如，响应用户输入或文件 I/O。当隔离区的初始函数返回时，如果需要处理事件，则隔离区会保留。处理完事件后，隔离区退出。

在客户端应用程序中，主隔离区的事件队列可能包含重绘请求以及点击和其他 UI 事件的通知。例如，下图显示了一个重绘事件，然后是一个点击事件，然后是两个重绘事件。事件循环按照先进先出顺序从队列中获取事件。

事件处理在main()退出后在主隔离区上发生。在下图中，main()退出后，主隔离区处理第一个重绘事件。之后，主隔离区处理点击事件，然后是重绘事件。

如果同步操作花费了过多的处理时间，应用程序可能会变得无响应。在下图中，点击处理代码花费的时间过长，因此后续事件处理得太晚。应用程序可能会出现冻结现象，并且它执行的任何动画都可能变得卡顿。

在客户端应用程序中，同步操作时间过长的结果通常是UI 动画卡顿（不流畅）。更糟糕的是，UI 可能会完全无响应。

如果您的应用程序的 UI 由于耗时的计算而变得无响应——例如解析大型 JSON 文件——请考虑将该计算卸载到工作隔离区，通常称为后台工作线程。一个常见的案例（如下图所示）是生成一个简单的 worker 隔离区，它执行计算然后退出。worker 隔离区在退出时通过消息返回其结果。

worker 隔离区可以执行 I/O（例如读取和写入文件），设置计时器等等。它拥有自己的内存，并且不与主隔离区共享任何状态。worker 隔离区可以阻塞而不会影响其他隔离区。

根据用例，有两种方法可以在 Dart 中使用隔离区

• 使用Isolate.run()在单独的线程上执行单个计算。
• 使用Isolate.spawn()创建将在一段时间内处理多个消息的隔离区，或后台工作线程。有关使用长期存在的隔离区的更多信息，请阅读隔离区页面。

在大多数情况下，Isolate.run 是在后台运行进程的推荐 API。

静态Isolate.run()方法需要一个参数：一个将在新生成的隔离区上运行的回调函数。

int slowFib(int n) => n <= 1 ? 1 : slowFib(n - 1) + slowFib(n - 2);

// Compute without blocking current isolate.
void fib40() async {
  var result = await Isolate.run(() => slowFib(40));
  print('Fib(40) = $result');
}

当一个隔离区调用Isolate.spawn()时，这两个隔离区具有相同的可执行代码并且位于同一个隔离区组中。隔离区组可以启用诸如代码共享之类的性能优化；新的隔离区会立即运行隔离区组拥有的代码。此外，Isolate.exit()仅在隔离区位于同一个隔离区组中时才有效。

在某些特殊情况下，您可能需要使用Isolate.spawnUri()，它使用指定 URI 处的代码副本设置新的隔离区。但是，spawnUri()比spawn()慢得多，并且新的隔离区不在其生成者的隔离区组中。另一个性能影响是，当隔离区位于不同的组中时，消息传递速度会变慢。

如果您是从具有多线程的语言转向 Dart，那么期望隔离区表现得像线程是合理的，但事实并非如此。每个隔离区都有自己的状态，确保一个隔离区中的任何状态都无法从其他隔离区访问。因此，隔离区受其对自身内存的访问限制。

例如，如果您有一个带有全局可变变量的应用程序，则该变量将在您生成的隔离区中成为一个单独的变量。如果您在生成的隔离区中修改该变量，它将在主隔离区中保持不变。这就是隔离区的工作方式，在考虑使用隔离区时务必牢记这一点。

通过SendPort发送的消息可以是几乎任何类型的 Dart 对象，但有一些例外

• 具有本机资源的对象，例如Socket。
• ReceivePort
• DynamicLibrary
• Finalizable
• Finalizer
• NativeFinalizer
• Pointer
• UserTag
• 用@pragma('vm:isolate-unsendable')标记的类的实例

除了这些例外情况外，任何对象都可以发送。查看SendPort.send文档以了解更多信息。

请注意，Isolate.spawn()和Isolate.exit()对SendPort对象进行了抽象，因此它们也受到相同的限制。

可以并行运行的隔离区数量是有限制的。此限制不影响 Dart 中通过消息在隔离区之间进行的标准异步通信。您可以拥有数百个隔离区并发运行并取得进展。隔离区以循环方式在 CPU 上调度，并且经常彼此让步。

隔离区只能在纯 Dart 之外同步通信，使用 C 代码通过FFI来实现。如果隔离区的数量超过限制，则尝试通过 FFI 调用中的同步阻塞在隔离区之间进行同步通信可能会导致死锁，除非采取特殊措施。限制没有硬编码到特定的数字，它是根据 Dart 应用程序可用的 Dart VM 堆大小计算得出的。

为了避免这种情况，执行同步阻塞的 C 代码需要在执行阻塞操作之前离开当前隔离区，并在从 FFI 调用返回到 Dart 之前重新进入它。阅读有关Dart_EnterIsolate和Dart_ExitIsolate以了解更多信息。

所有 Dart 应用程序都可以使用async-await、Future和Stream进行非阻塞、交错的计算。Dart Web 平台不支持隔离区。Dart Web 应用程序可以使用Web Worker在后台线程中运行脚本，类似于隔离区。不过，Web Worker 的功能和能力与隔离区有所不同。

例如，当 Web Worker 在线程之间发送数据时，它们会来回复制数据。但是，数据复制可能非常慢，尤其是在消息较大的情况下。隔离区也执行相同的操作，但也提供可以更有效地传输保存消息的内存的 API。

创建 Web Worker 和隔离区的方式也不同。您只能通过声明单独的程序入口点并单独编译它来创建 Web Worker。启动 Web Worker 类似于使用Isolate.spawnUri启动隔离区。您还可以使用Isolate.spawn启动隔离区，这需要更少的资源，因为它重用了与生成隔离区相同的某些代码和数据。Web Worker 没有等效的 API。

• 如果您正在使用许多隔离区，请考虑 Flutter 中的IsolateNameServer，或package:isolate_name_server，它为非 Flutter Dart 应用程序提供了类似的功能。
• 阅读有关Actor 模型的更多信息，Dart 的隔离区就是基于此模型的。
• 有关Isolate API 的其他文档
  • Isolate.exit()
  • Isolate.spawn()
  • ReceivePort
  • SendPort

除非另有说明，否则本网站上的文档反映了 Dart 3.5.3。页面最后更新于 2024-11-08。 查看源代码 或 报告问题。