Day04-Dart-基础语法三：异步

概述

• Dart的异步模型
• Dart的异步操作(Future以及async、await)
• Dart的异步补充

一、Dart的异步模型

• 1.1、Dart是单线程的

• 1.1.1、程序中的耗时操作开发中的耗时操作：

• 在开发中，我们经常会遇到一些耗时的操作需要完成，比如网络请求、文件读取等等；
• 如果我们的主线程一直在等待这些耗时的操作完成，那么就会进行阻塞，无法响应其它事件，比如用户的点击；显然，我们不能这么干！！

• 如何处理耗时的操作呢？针对如何处理耗时的操作，不同的语言有不同的处理方式。
  

• 处理方式一： 多线程，比如Java、C++，我们普遍的做法是开启一个新的线程（Thread），在新的线程中完成这些异步的操作，再通过线程间通信的方式，将拿到的数据传递给主线程。
• 处理方式二： 单线程+事件循环，比如JavaScript、Dart都是基于单线程加事件循环来完成耗时操作的处理。不过单线程如何能进行耗时的操作呢？

• 1.1.2. 单线程的异步操作我之前碰到很多开发者都对单线程的异步操作充满了问号？？？其实它们并不冲突：

• 因为我们的一个应用程序大部分时间都是处于空闲的状态的，并不是无限制的在和用户进行交互。
• 比如等待用户点击、网络请求数据的返回、文件读写的IO操作，这些等待的行为并不会阻塞我们的线程；
• 这是因为类似于网络请求、文件读写的 IO，我们都可以基于非阻塞调用；

• 阻塞式调用和非阻塞式调用
  如果想搞懂这个点，我们需要知道操作系统中的阻塞式调用和非阻塞式调用的概念。
  

• 阻塞和非阻塞关注的是 程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。
• 阻塞式调用： 调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到调用结果之后才会继续执行。
• 非阻塞式调用： 调用执行之后，当前线程不会停止执行，只需要过一段时间来检查一下有没有结果返回即可。

• 1.2、Dart 事件循环

• 1.2.1、什么是事件循环?单线程模型中主要就是在维护着一个事件循环（Event Loop）。事件循环是什么呢？

• 事实上事件循环并不复杂，它就是将需要处理的一系列事件（包括点击事件、IO事件、网络事件）放在一个事件队列（Event Queue）中。
• 不断的从事件队列（Event Queue）中取出事件，并执行其对应需要执行的代码块，直到事件队列清空位置。

• 我们来写一个事件循环的伪代码：

// 这里我使用数组模拟队列, 先进先出的原则
List eventQueue = []; 
var event;
// 事件循环从启动的一刻，永远在执行
while (true) {
    if (eventQueue.length > 0) {
       // 取出一个事件
       event = eventQueue.removeAt(0);
       // 执行该事件
       event();000000000000000000000000000000000
    }
}

• 当我们有一些事件时，比如点击事件、IO事件、网络事件时，它们就会被加入到eventLoop中，当发现事件队列不为空时发现，就会取出事件，并且执行。

• 齿轮就是我们的事件循环，它会从队列中一次取出事件来执行。
  
• 1.2.2、事件循环代码模拟这里我们来看一段伪代码，理解点击事件和网络请求的事件是如何被执行的：这是一段Flutter代码，很多东西大家可能不是特别理解，但是耐心阅读你会读懂我们在做什么。一个按钮 RaisedButton，当发生点击时执行 onPressed 函数。onPressed 函数中，我们发送了一个网络请求，请求成功后会执行then中的回调函数。

RaisedButton(
    child: Text('Click me'),
    onPressed: () {
       final myFuture = http.get('https://example.com');
       myFuture.then((response) {
           if (response.statusCode == 200) {
               print('Success!');
           }
       });
    },
)

• 这些代码是如何放在事件循环中执行呢？

• 1、当用户发生点击的时候，onPressed回调函数被放入事件循环中执行，执行的过程中发送了一个网络请求。
• 2、网络请求发出去后，该事件循环不会被阻塞，而是发现要执行的onPressed函数已经结束，会将它丢弃掉。
• 3、网络请求成功后，会执行then中传入的回调函数，这也是一个事件，该事件被放入到事件循环中执行，执行完毕后，事件循环将其丢弃。

• 尽管 onPressed 和 then 中的回调有一些差异，但是它们对于事件循环来说，都是告诉它：我有一段代码需要执行，快点帮我完成。

二、Dart的异步操作

Dart中的异步操作主要使用Future以及async、await。

如果你之前有过前端的ES6、ES7编程经验，那么完全可以将Future理解成Promise，async、await和ES7中基本一致。

但是如果没有前端开发经验，Future以及async、await如何理解呢？

• 2.1、认识 Future

• 2.1.1、同步 的网络请求
  我们先来看一个例子吧：在这个例子中，我使用getNetworkData来模拟了一个网络请求；该网络请求需要3秒钟的时间，之后返回数据；

main(List<String> args) {
    print('开始请求');
    String result = getNetworkData();
    print('$result');
    print('结束请求');
}
String getNetworkData() {
    sleep(Duration(seconds: 3));
    return "我是请求到的数据";
}

• 这段代码会运行怎么的结果：getNetworkData会阻塞main函数的执行

开始请求
// 等待 3 秒
我是请求到的数据
结束请求

• 显然，上面的代码不是我们想要的执行效果，因为网络请求阻塞了main 函数，那么意味着其后所有的代码都无法正常的继续执行。
• 2.1.2、异步的网络请求
  我们来对我们上面的代码进行改进，和刚才的代码唯一的区别在于我使用了Future对象来将耗时的操作放在了其中传入的函数中；代码如下：

import 'dart:io';
main(List<String> args) {
    print('开始请求');
    var future = getNetworkData();
    future.then((String value) {
       print("结果：$value");
    }).catchError((error) {
       print('$error');
    }).whenComplete(() {
       print('代码执行完成');
    });
    print('结束请求');
}
// 模拟一个网络请求
Future<String> getNetworkData() {
    return Future<String>(() {
        // 将耗时操作包裹到 Future的函数回调中
        // 1>、只要有返回结果，那么就执行 Future对应的回调(Promise-resolve)
        // 2>、如果没有结果返回(有错误信息)，需要在 Future 会调中跑出一个异常(Promise-reject)
        sleep(Duration(seconds: 3));
        throw Exception("我是错误信息");
        // return "我是请求到的数据";  
    });
}

提示：

• 1、请求错误抛出异常：throw Exception("我是错误信息");
• 2、代码执行完：whenComplete

• 2.1.3. Future 使用补充

• Future 的链式调用：可以在 then 中继续返回值，会在下一个链式的then调用回调函数中拿到返回的结果，实例代码如下

import 'dart:io';
main(List<String> args) {
   print('start');
   Future(() {
     sleep(Duration(seconds: 3));
     throw Exception("第一次异常");
     // return '第1次网络请求的结果';
   }).then((result) {
     print('$result');
     sleep(Duration(seconds: 3));
     return '第2次网络请求的结果';
   }).then((result) {
     print('$result');
     sleep(Duration(seconds: 3));
     return '第3次网络请求的结果';
   }).then((result) {
     print('$result');
   }).catchError((error){
     print(error);
   });
   print('end');
}

• 打印结果如下：

start
end
第1次的结果
第2次的结果
第3次的结果

• Future 其他API

• Future.value(value)，直接获取一个完成的Future，该Future会直接调用then的回调函数

main(List<String> args) {
   print('Main Start');
   Future.value('内容').then((value) {
      print(value);
   });
   print('Main End');
}

• 打印结果如下：

Main Start
Main End
内容

疑惑：为什么立即执行，但是哈哈哈是在最后打印的呢？

这是因为Future中的then会作为新的任务会加入到事件队列中（Event Queue），加入之后你肯定需要排队执行了

• Future.error(object)：直接获取一个完成的Future，但是是一个发生异常的Future，该Future会直接调用catchError的回调函数

main(List<String> args) {
   print("main function start");
   Future.error(Exception("错误信息")).catchError((error) {
       print(error);
   });
   print("main function end");
}

• 打印结果如下：

main function start
main function end
Exception: 错误信息

• Future.delayed(时间, 回调函数)：在延迟一定时间时执行回调函数，执行完回调函数后会执行 then 的回调；

main(List<String> args) {
  print("main function start");
  Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {
      return "3秒后的信息";
  }).then((value) {
      print(value);
  });
  print("main function end");
}

• 2.2、await、async

• 2.2.1、理论概念理解如果你已经完全搞懂了Future，那么学习await、async应该没有什么难度。await、async是什么呢？

• 它们是Dart中的关键字（你这不是废话吗？废话也还是要强调的，万一你用它做变量名呢。）
• 它们可以让我们用 同步的代码格式，去实现异步的调用过程。
• 并且，通常一个async的函数会返回一个Future（别着急，马上就看到代码了）。

• 我们已经知道，Future可以做到不阻塞我们的线程，让线程继续执行，并且在完成某个操作时改变自己的状态，并且回调then或者errorCatch回调。
  如何生成一个Future呢？
  

• 1、通过我们前面学习的Future构造函数，或者后面学习的Future其他API都可以。
• 2、还有一种就是通过async的函数。

• 2.2.2、案例代码演练我们来对之前的Future异步处理代码进行改造，改成await、async的形式。我们知道，如果直接这样写代码，代码是不能正常执行的：

• 因为 Future.delayed 返回的是一个Future对象，我们不能把它看成同步的返回数据："network data"去使用
  
• 也就是我们不能把这个异步的代码当做同步一样去使用！

main(List<String> args) {
   print("main function start");
   print(getNetworkData());
   print("main function end");
}
String getNetworkData() {
   var result = Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {
      return "network data";
   }).then((value) {
      print('结果是：$value');
   });
   print("哈哈");
   return  "请求到的数据：$result";
}

• 打印结果如下

main function start
哈哈
请求到的数据：Instance of 'Future<String>'
main function end
结果是：network data

• 现在我使用 await 修改下面这句代码：1、你会发现，我在Future.delayed函数前加了一个await。2、一旦有了这个关键字，那么这个操作就会等待Future.delayed的执行完毕，并且等待它的结果。

Future<String> getNetworkData() async {
    var result = await Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {
         return "network data";
    }).then((value) {
         print('结果是：$value');
    });
    print("哈哈");
    return  "请求到的数据：$result";
}

• 提示:
• 1、await关键字必须存在于async函数中。
• 2、使用async标记的函数，必须返回一个Future对象。
• 3、我们现在可以像同步代码一样去使用Future异步返回的结果；等待拿到结果之后和其他数据进行拼接，然后一起返回；返回的时候并不需要包装一个Future，直接返回即可，但是返回值会默认被包装在一个Future中；

三、Dart的异步补充

• 3.1、任务执行顺序

• 3.1.1、认识微任务队列在前面学习学习中，我们知道Dart中有一个事件循环（Event Loop）来执行我们的代码，里面存在一个事件队列（Event Queue），事件循环不断从事件队列中取出事件执行。但是如果我们严格来划分的话，在Dart中还存在另一个队列：微任务队列（Microtask Queue）。

• 微任务队列的优先级要高于事件队列；
• 也就是说事件循环都是优先执行微任务队列中的任务，再执行 事件队列 中的任务；

• 那么在Flutter开发中，哪些是放在事件队列，哪些是放在微任务队列呢？
  

• 所有的外部事件任务都在事件队列中，如IO、计时器、点击、以及绘制事件等；
• 而微任务通常来源于Dart内部，并且微任务非常少。这是因为如果微任务非常多，就会造成事件队列排不上队，会阻塞任务队列的执行（比如用户点击没有反应的情况）；

• 说道这里，你可能已经有点凌乱了，在Dart的单线程中，代码到底是怎样执行的呢？
  

• 1、Dart的入口是main函数，所以main函数中的代码会优先执行；
• 2、main函数执行完后，会启动一个事件循环（Event Loop）就会启动，启动后开始执行队列中的任务；
• 3、首先，会按照先进先出的顺序，执行 微任务队列（Microtask Queue）中的所有任务；
• 4、其次，会按照先进先出的顺序，执行 事件队列（Event Queue）中的所有任务；

• 3.1.2、如何创建微任务在开发中，我们可以通过dart中async下的scheduleMicrotask来创建一个微任务：

import "dart:async";
main(List<String> args) {
    scheduleMicrotask(() {
       print("Hello Microtask");
    });
}

• 在开发中，如果我们有一个任务不希望它放在Event Queue中依次排队，那么就可以创建一个微任务了。Future的代码是加入到事件队列还是微任务队列呢？Future中通常有两个函数执行体：

• Future构造函数传入的函数体
• then的函数体（catchError等同看待）

• 那么它们是加入到什么队列中的呢？
  

• Future构造函数传入的函数体放在事件队列中
  
• then的函数体要分成三种情况：
  
• 情况一：Future没有执行完成（有任务需要执行），那么then会直接被添加到Future的函数执行体后；
  
• 情况二：如果Future执行完后就then，该then的函数体被放到如微任务队列，当前Future执行完后执行微任务队列；
  
• 情况三：如果Future是链式调用，意味着then未执行完，下一个then不会执行；

// future_1加入到eventqueue中，紧随其后then_1被加入到eventqueue中
Future(() => print("future_1")).then((_) => print("then_1"));
// Future没有函数执行体，then_2被加入到microtaskqueue中
Future(() => null).then((_) => print("then_2"));
// future_3、then_3_a、then_3_b依次加入到eventqueue中
Future(() => print("future_3")).then((_) => print("then_3_a")).then((_) => print("then_3_b"));

• 3.1.3. 代码执行顺序

import "dart:async";
main(List<String> args) {
  print("main start");
  Future(() => print("task1"));
  final future = Future(() => null);
  Future(() => print("task2")).then((_) {
      print("task3");
      scheduleMicrotask(() => print('task4'));
  }).then((_) => print("task5"));
  future.then((_) => print("task6"));
  scheduleMicrotask(() => print('task7'));
  Future(() => print('task8')).then((_) => Future(() => print('task9'))).then((_) => print('task10'));
  print("main end");
}

• 代码执行的结果是：

main start
main end
task7
task1
task6
task2
task3
task5
task4
task8
task9
task10

• 代码分析：

• 1、main函数先执行，所以main start和main end先执行，没有任何问题；
• 2、main函数执行过程中，会将一些任务分别加入到EventQueue和MicrotaskQueue中；
• 3、task7通过scheduleMicrotask函数调用，所以它被最早加入到MicrotaskQueue，会被先执行；
• 4、然后开始执行EventQueue，task1被添加到EventQueue中被执行；
• 5、通过final future = Future(() => null);创建的future的then被添加到微任务中，微任务直接被优先执行，所以会执行task6；
• 6、一次在EventQueue中添加task2、task3、task5被执行；
• 7、task3的打印执行完后，调用scheduleMicrotask，那么在执行完这次的EventQueue后会执行，所以在task5后执行task4（注意：scheduleMicrotask的调用是作为task3的一部分代码，所以task4是要在task5之后执行的）
• 8、task8、task9、task10一次添加到EventQueue被执行；

• 事实上，上面的代码执行顺序有可能出现在面试中，我们开发中通常不会出现这种复杂的嵌套，并且需要完全搞清楚它的执行顺序；
  但是，了解上面的代码执行顺序，会让你对EventQueue和microtaskQueue有更加深刻的理解。

• 3.2. 多核CPU的利用

• 3.2.1. Isolate 的理解在Dart中，有一个Isolate的概念，它是什么呢？

• 我们已经知道Dart是单线程的，这个线程有自己可以访问的内存空间以及需要运行的事件循环；
• 我们可以将这个空间系统称之为是一个Isolate；
• 比如Flutter中就有一个Root Isolate，负责运行Flutter的代码，比如UI渲染、用户交互等等；

• 在 Isolate 中，资源隔离做得非常好，每个 Isolate 都有自己的 Event Loop 与 Queue，
  

• Isolate 之间不共享任何资源，只能依靠消息机制通信，因此也就没有资源抢占问题。

• 但是，如果只有一个Isolate，那么意味着我们只能永远利用一个线程，这对于多核CPU来说，是一种资源的浪费。
  如果在开发中，我们有非常多耗时的计算，完全可以自己创建Isolate，在独立的Isolate中完成想要的计算操作。
  如何创建Isolate呢？我们通过Isolate.spawn就可以创建了：如下

import "dart:isolate";
main(List<String> args) {
   Isolate.spawn(foo, "Hello Isolate");
}
void foo(info) {
   print("新的isolate：$info");
}

提示：Isolate.spawn(foo, "Hello Isolate");第一个参数是函数名，第二个是参数

• 3.2.2. Isolate通信机制
  但是在真实开发中，我们不会只是简单的开启一个新的Isolate，而不关心它的运行结果：
  
• 我们需要新的Isolate进行计算，并且将计算结果告知Main Isolate（也就是默认开启的Isolate）；
  
• Isolate 通过发送管道（SendPort）实现消息通信机制；
  
• 我们可以在启动并发Isolate时将Main Isolate的发送管道作为参数传递给它；
  
• 并发在执行完毕时，可以利用这个管道给Main Isolate发送消息；

import "dart:isolate";
main(List<String> args) async {
   // 1.创建管道
   ReceivePort receivePort= ReceivePort();
   // 2.创建新的Isolate
   Isolate isolate = await Isolate.spawn<SendPort>(foo, receivePort.sendPort);
   // 3.监听管道消息
   receivePort.listen((data) {
      print('Data：$data');
      // 不再使用时，我们会关闭管道
      receivePort.close();
      // 需要将isolate杀死
      isolate?.kill(priority: Isolate.immediate);
   });
}
void foo(SendPort sendPort) {
   sendPort.send("Hello World");
}

• 但是我们上面的通信变成了单向通信，如果需要双向通信呢？

• 事实上双向通信的代码会比较麻烦；
• Flutter提供了支持并发计算的 compute 函数，它内部封装了 Isolate 的创建和双向通信；
• 利用它我们可以充分利用多核心CPU，并且使用起来也非常简单；

• 注意：下面的代码不是dart的API，而是Flutter的API，所以只有在Flutter项目中才能运行

main(List<String> args) async {
   int result = await compute(powerNum, 5);
   print(result);
}
int powerNum(int num) {
    return num * num;
}

提示：compute(powerNum, 5); 传入的 函数 必须是全局的方法