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异步IO是一种非阻塞的数据读写方法#xff0c;异步IO与同步IO相对。 当一个异步过程调用发出后#xff0c;调用者不能立刻得到结果。 实际的IO处理部件在完成操作后#xff0c;会通过状态、通知或回调机制来通知调用者。
在一个CPU密集型的应用中#xff0c…异步IO的概念
异步IO是一种非阻塞的数据读写方法异步IO与同步IO相对。 当一个异步过程调用发出后调用者不能立刻得到结果。 实际的IO处理部件在完成操作后会通过状态、通知或回调机制来通知调用者。
在一个CPU密集型的应用中有一些需要处理的数据可能放在磁盘上。预先知道这些数 据的位置所以预先发起异步IO读请求。等到真正需要用到这些数据的时候再等待异步IO完成后获取数据。这种方式使用了异步IO允许程序在等待IO操作完成的同时继续执行其他任务从而提高了系统的整体效率。
异步IO将比特分成小组进行传送小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组而接收方从不知道它们会在什么时候到达。
异步传输存在一个潜在的问题即接收方并不知道数据会在什么时候到达。在它检测到数据并做出响应之前第一个比特已经过去了。这就像有人出乎意料地从后面走上来跟你说话而你没来得及反应过来漏掉了最前面的几个词。因此每次异步传输的信息都以一个起始位开头它通知接收方数据已经到达了这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间在传输结束时一个停止位表示该次传输信息的终止。按照惯例空闲没有传送数据的线路实际携带着一个代表二进制1的信号异步传输的开始位使信号变成0其他的比特位使信号随传输的数据信息而变化。最后停止位使信号重新变回1该信号一直保持到下一个开始位到达。例如在键盘上数字“1”按照8比特位的扩展ASCII编码将发送“00110001”同时需要在8比特位的前面加一个起始位后面一个停止位。 Android 实现异步IO操作:
在Android开发中异步IO通常用于执行耗时的网络请求、文件读写等操作避免UI线程被长时间运行的IO耗时任务阻塞(避免阻塞UI线程,保持应用的响应性)。但是在使用异步IO时也需要注意线程安全和资源管理的问题确保不会出现内存泄漏或竞态条件等问题。 Android提供了多种机制来实现异步IO操作:使用AsyncTaskThreadHandlerThreadIntentServiceJobIntentServiceRxJava等机制实现异步IO操作.它们本质上都是对线程或线程池的封装该类可以将耗时的操作放在后台线程池来处理而不需要人为地另开线程来处理。 使用AsyncTask实现异步IO操作:
这是一个轻量级的异步类适合在后台执行简单的异步任务如网络请求或文件读写。它包含doInBackground方法在后台线程执行耗时操作onProgressUpdate在UI线程更新进度以及onPostExecute在任务完成后在UI线程执行后续操作。使用AsyncTask来实现异步IO的优点就是简单便捷各个过程都有明确的回调过程可控。
使用HandlerThread实现异步IO操作:
HandlerThread是一种在单独的线程中处理消息和Runnable对象的机制。通过使用Handler与HandlerThread结合可以在后台线程中处理耗时的操作并通过Handler将结果发送回UI线程进行更新。
使用IntentService实现异步IO操作:
IntentService是一种在后台执行异步任务的服务。它会在一个单独的工作线程中处理传入的Intent并自动处理线程间的通信。IntentService适用于执行不需要立即返回结果的长时间运行的操作。
使用JobIntentService实现异步IO操作:
在Android O及更高版本中建议使用JobIntentService作为IntentService的替代方案。它提供了更多的灵活性和更好的电池效率。
使用RxJava实现异步IO操作:
RxJava是一个在Java VM上使用可观察序列来组成异步和基于事件的程序的库。它提供了一种声明式的方式来处理异步数据流。 Handler 在Android中Handler本身并不直接实现异步IO操作。
可以在后台子线程中执行IO操作(耗时任务), 然后通过Handler将数据结果,发送传递 给UI主线程进行更新,从而间接地支持异步IO的实现。
例子:使用Handler结合Thread实现异步IO 1.我们首先初始化了一个Handler对象它绑定到主线程的Looper上这样我们就可以在主线程中执行Runnable对象。 2.然后我们创建并启动了一个新的Thread来执行耗时的IO操作。 3.在后台线程中我们调用performIOOperation()方法模拟了一个耗时的IO操作。 4.一旦IO操作完成我们使用Handler的post方法将一个Runnable对象发送回主线程。这个Runnable对象包含了更新UI或处理IO操作结果的逻辑。 5.最后在updateUIWithResult()方法中我们执行了必须在主线程中完成的UI更新操作。 public class AsyncIOActivity extends AppCompatActivity {private static final String TAG AsyncIOActivity;private Handler mainHandler;Overrideprotected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState);setContentView(R.layout.activity_async_io);// 初始化主线程的HandlermainHandler new Handler(Looper.getMainLooper());// 启动后台线程执行IO操作new Thread(new Runnable() {Overridepublic void run() {// 模拟耗时IO操作比如网络请求或文件读写final String result performIOOperation();// 使用Handler将结果发送回主线程mainHandler.post(new Runnable() {Overridepublic void run() {// 在主线程中更新UI或处理结果updateUIWithResult(result);}});}}).start();}private String performIOOperation() {// 在这里执行实际的IO操作例如网络请求或文件读写// 这个操作是耗时的因此应该在后台线程中执行// 模拟耗时操作try {Thread.sleep(2000); // 假设耗时2秒} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}return IO操作完成;}private void updateUIWithResult(String result) {// 在这里更新UI或处理从IO操作中获取的结果// 这个操作必须在主线程中执行因为Android不允许在非主线程中更新UILog.d(TAG, UI updated with result: result);// 例如textView.setText(result);}
} 在主线程也可以通过 Handler发消息给子线程,不过在子线程接收数据,需要轮训Handler,需要初始化Looper.prepare()和Looper.loop()。 public class LooperThreadActivity extends Activity {private Handler mHandler null;Overrideprotected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState);new MyThread().start();//发消息到目标子线程mHandler.obtainMessage(0).sendToTarget();}class MyThread extends Thread{Overridepublic void run() {super.run();//1.建立消息循环,初始化LooperLooper.prepare();mHandler new Handler(){Overridepublic void handleMessage(Message msg) {super.handleMessage(msg);int what msg.what;if(what 0){//}}};//启动消息循环Looper.loop();}}
}使用协程Coroutine实现异步IO操作
Kotlin 协程Coroutine是一种轻量级的线程它允许我们以同步的方式编写异步代码从而极大地简化了异步编程的复杂性。协程不是真正的线程它们是在单个线程上通过协作调度来执行的这避免了线程切换的开销提高了效率。下面将详细讲解 Kotlin 使用协程实现异步 IO 的原理和流程。
使用协程实现异步 IO 的原理
1.挂起函数Suspend Function
Kotlin 协程的核心是suspend挂起函数。这些suspend挂起函数可以在执行过程中暂停挂起等待某个异步任务(IO操作,网络请求)完成后再恢复执行。这使得协程能够在不阻塞主线程的情况下执行耗时的操作。 挂起函数Suspend Functions在 Kotlin 协程中扮演着至关重要的角色它们是实现异步 IO 的 关键。 挂起函数 原理: 挂起函数必须在一个协程上下文中执行通常是通过 launch、async 等协程构建器创建的。此外挂起函数只能被其他挂起函数或协程调用以确保正确的执行顺序和线程安全性。挂起函数通过非阻塞性和协作式调度的原理实现了在 Kotlin 协程中执行异步 IO 操作的高效流程。它们允许代码以同步的方式编写而实际上却是在底层执行异步操作从而简化了异步编程的复杂性。 ❶非阻塞性挂起函数允许协程在遇到耗时的操作时(IO 操作) 而不会阻塞当前(主)线程。这使得(主)线程可以继续执行其他任务从而提高了整体的并发性能。 ❷协作式调度协程不是由操作系统来调度的而是由用户代码或者库代码来显式地调度和挂起。挂起函数是这种协作式调度的关键部分。当这个挂起函数被调用执行时它会暂停当前协程的执行并释放当前(主)线程的控制权。当异步操作完成或条件满足时协程会恢复执行,恢复对当前(主)线程的控制权。 ❸轻量级由于挂起函数并不涉及线程的切换因此它们相比于传统的线程或回调机制更加轻量级。这减少了系统资源的消耗提高了程序的性能。 2.协程构建器Coroutine Builder
Kotlin 标准库提供了多个协程构建器如 launch、async 和 runBlocking 等。这些构建器用于创建协程并启动它们的执行。
3.调度器Dispatcher
协程的调度器决定了协程在哪个线程或线程池上执行任务。如果你要更新UI,就让调度器把协程调度到UI主线程Dispatchers.Main(或许默认就在UI主线程);如果你要做异步IO耗时任务,就让调度器把协程调度到IO子线程Dispatchers.IO。 Kotlin 提供了默认的调度器如 Dispatchers.Default用于计算密集型任务、Dispatchers.IO用于 IO 密集型任务和 Dispatchers.Main用于在 Android 的主线程上执行 UI 更新。
4.延续Continuation
协程的挂起和恢复是通过 Continuation 机制实现的。
当一个挂起函数被调用时它会将当前的执行状态保存到一个 Continuation 对象中并释放当前线程的控制权(不在当前线程里了)。
当异步操作完成时它会恢复该 Continuation从而使挂起函数继续执行,重新掌控当前线程的控制权(又回到当前线程里了)。
使用协程实现异步 IO 的流程
以下是一个使用 Kotlin 协程实现异步 IO 的典型流程
1.添加依赖 首先你需要在项目的 build.gradle 文件中添加 Kotlin 协程的依赖。
implementation org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-core:version
implementation org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-android:version // 对于 Android 项目
2.创建一个协程
使用协程构建器如 GlobalScope.launch 或 viewModelScope.launch 对于 Android ViewModel来创建协程。
//协程调度器调度到IO子线程
GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) {// 在这里执行异步 IO 操作
}
3.调用挂起函数:
在协程中你可以调用挂起函数来执行异步 IO 操作。这些挂起函数通常是异步 API 的封装它们使用协程的挂起和恢复机制来处理异步性。 使用挂起函数withContext, 指定一个不同的调度器(Dispatchers.IO )调度到IO子线程里,在代码块里执行异步IO操作。 释放对当前主线程的控制权(不在当前主线程里了)。 /**
使用挂起函数withContext, 指定一个不同的调度器(Dispatchers.IO )调度到IO子线程里,在代码块里执行异步IO操作
*/val result withContext(Dispatchers.IO) {// 执行网络请求或文件读写等异步操作// 返回操作结果
}
4.挂起协程
当挂起函数被调用时它会检查当前是否处于可以立即执行的状态。如果不能立即执行比如需要等待网络响应挂起函数就会暂停协程的执行并释放当前(主)线程的控制权。此时协程的状态会被保存以便稍后恢复。
5.执行异步 IO操作
挂起函数withContext内部会开始执行异步IO操作。这通常涉及到底层库或框架的异步 API比如使用 kotlinx.coroutines 提供的网络请求库。这些 API 在后台线程上执行实际的 IO 操作而不会阻塞主线程。
6.恢复协程
当异步操作完成比如网络请求返回了结果挂起函数withContext会接收到通知。此时它会检查之前挂起的协程是否还存活并尝试恢复该协程的执行。恢复过程包括重新获取对(主)线程的控制权并从上一次挂起的位置继续执行代码。 7.更新 UI 一旦协程恢复执行挂起函数withContext会返回异步IO操作的结果或异常。你可以在协程中处理这个结果比如更新 UI 或进行进一步的计算。 如果需要在 UI 线程上更新数据结果你可以使用 withContext(Dispatchers.Main)指定一个不同的调度器(Dispatchers.Main )调度到Main线程里(切换到UI主线程),在代码块里执行更新数据结果 。 //返回数据结果result
val resultwithContext(Dispatchers.Main) {// 更新 UI如设置文本、显示图像等
} 在协程中你可以使用 try-catch 块来处理可能出现的异常。
try {//返回数据结果result val result withContext(Dispatchers.IO) {// 更新 UI如设置文本、显示图像等// 执行可能抛出异常的异步操作}
} catch (e: Exception) {// 处理异常
} 8.取消协程
如果需要取消协程的执行你可以使用 Job 对象来管理协程的生命周期。launch 和 async 构建器都会返回一个 Job 对象你可以调用它的 cancel 方法来取消协程。
val job GlobalScope.launch {// 协程代码
}// 在某个时刻取消协程
job.cancel() 协程任务和异步任务区别在哪里? 协程任务和异步任务都是处理并发和异步操作的重要手段但它们在执行方式、并发执行、任务调度与使用场景等方面存在明显的区别。选择使用哪种方式取决于具体的应用需求和场景。在实际开发中应根据项目的具体需求和团队的技能水平来选择合适的方案。 协程任务和异步任务在多个方面存在显著的区别。以下是它们之间的主要差异
1.执行方式不同 异步任务Asynchronous Task异步任务不进入主线程而是进入任务队列。只有当主线程的任务执行完毕后任务队列才会通知主线程请求执行任务这时该任务才会进入主线程执行1。异步任务通常需要自己不断轮询条件不满足就返回特定值如EAGAIN然后重新尝试2。
协程任务Coroutine Task协程任务是基于事件驱动的它使用库封装好的API这些API会往事件驱动模块如epoll订阅事件并记录一些上下文如回调。当条件满足时它会执行相应的回调。协程任务结合了同步和异步的优点允许用户以同步的方式编写异步代码从而简化了异步编程的复杂性124。
2.并发执行不同
异步任务异步任务通常用于执行不会阻塞程序执行的任务如网络请求、定时器、事件处理或异步函数1。
协程任务协程在单线程下通过用户自己控制任务调度来实现并发。当遇到IO阻塞时协程会切换到另一个任务执行以此来提升效率3。协程的切换开销更小属于程序级别的切换因此更加轻量级3。
3.任务调度与状态保存不同
协程任务协程允许用户程序自己控制任务调度可以检测IO操作并在遇到IO操作时进行切换。同时协程可以控制多个任务之间的切换并在切换之前保存任务的状态以便重新运行时可以从暂停的位置继续执行3。
4.使用场景不同
异步任务更适用于那些天然就是异步性质的操作比如网络请求这些操作本身就支持异步处理因此使用异步任务可以更有效地利用系统资源。
协程任务更适用于那些需要精细控制并发和IO操作的场景特别是在需要编写复杂异步逻辑的代码时协程可以大大简化代码结构提高代码的可读性和可维护性。
挂起函数和异步任务区别在哪里? 挂起函数和异步任务都是处理异步操作的重要手段但它们在实现机制、编程模型、错误处理和性能开销方面存在明显的区别。Kotlin 协程的挂起函数提供了一种更加直观和高效的异步编程方式适用于需要简化异步逻辑和提高代码可读性的场景。而异步任务则更适合于需要利用多线程并行处理任务的场景。在选择使用哪种方式时需要根据具体的应用需求和场景来做出决策。 挂起函数Suspend Function和异步任务Asynchronous Task在异步编程中有不同的实现方式和应用场景它们之间的主要区别如下
1.执行机制不同
挂起函数在 Kotlin 协程中挂起函数允许程序在执行过程中暂停并恢复而不需要阻塞线程。当挂起函数被调用时它会将当前协程的执行状态保存起来并释放线程的执行权以便其他协程或任务能够运行。当挂起的原因如IO操作完成消失时协程会恢复执行从挂起点继续执行后续的代码。挂起函数通常用于封装那些可能阻塞的异步操作如网络请求或文件读写。
异步任务异步任务通常指的是在单独的线程或线程池中执行的任务它们与主线程并行运行不会阻塞主线程的执行。异步任务通过回调函数、Promise、Future 或其他机制来处理异步操作的结果。异步任务的执行和结果处理通常分散在多个方法或回调中使得代码结构相对复杂。 2.编程模型不同
挂起函数Kotlin 协程提供了一种更直观的编程模型使得异步代码看起来像是同步执行的。挂起函数的使用使得异步逻辑可以更加自然地融入代码结构中减少了回调嵌套和代码分散的问题提高了代码的可读性和可维护性。
异步任务异步任务的编程模型通常涉及更多的回调和状态管理。开发者需要显式地处理异步操作的启动、结果监听和异常处理。这种模型在复杂的异步逻辑中容易导致代码结构混乱和错误处理困难。
3.错误处理不同
挂起函数在 Kotlin 协程中错误处理通常使用 try-catch 语句来捕获和处理异常。挂起函数中的异常会冒泡到调用栈的顶层使得错误处理更加集中和方便。
异步任务异步任务的错误处理通常需要在回调函数中显式处理。这要求开发者在每个回调中都要考虑异常处理的情况增加了代码的复杂性和出错的可能性。
4.上下文切换和开销不同
挂起函数挂起函数在协程间的上下文切换通常比线程切换开销要小得多因为它们是在用户空间内完成的不涉及内核态的切换。这使得协程在处理大量轻量级任务时更加高效。
异步任务异步任务通常使用线程或线程池来执行线程切换涉及到内核态的切换因此开销相对较大。在处理大量异步任务时线程的管理和调度可能会成为性能瓶颈。 挂起函数与协程的关系(区别) 挂起函数是协程中实现异步IO操作和执行流程控制的关键组成部分。它们允许我们以同步的方式编写异步代码提高程序的并发性能并简化复杂的异步逻辑。在Kotlin等语言中通过使用挂起函数和协程我们可以更加高效地处理异步IO和其他异步任务。 挂起函数只能在协程环境中被调用它们不能在普通的同步代码块中直接使用。这是因为挂起函数的实现依赖于协程的运行时系统该系统负责管理协程的挂起和恢复操作。 挂起函数与协程之间存在着紧密的关系主要体现在以下几个方面
1.协程的定义与特性 协程是一种用户态的轻量级线程它可以在单线程中实现非阻塞的并发执行。协程具有可中断和可恢复的特性这意味着它可以在执行过程中被挂起并在稍后的某个时刻恢复执行。这种中断和恢复的能力使得协程可以非常高效地处理异步操作如IO操作而不会阻塞线程。
2.挂起函数的作用 挂起函数是协程中用于实现挂起和恢复操作的关键函数。当调用一个挂起函数时当前协程会暂停执行并释放线程的控制权以便其他任务可以执行。
挂起函数内部通常包含一些可能阻塞的耗时的异步IO操作如网络请求或文件读写。当这些异步操作完成时挂起函数会恢复执行并继续执行后续的代码。
3.实现异步IO
挂起函数允许我们以同步的方式编写异步代码这对于实现异步IO特别有用。通过挂起函数我们可以避免阻塞线程从而提高程序的并发性能。挂起函数内部通常封装了对底层异步API的调用如网络请求或文件读写使得异步操作看起来像是同步执行的2。
4.协作式调度
协程的调度是协作式的这意味着协程的挂起和恢复是由用户代码或库代码显式控制的而不是由操作系统调度的。挂起函数在这种协作式调度中起着关键作用它们决定了何时挂起协程以及何时恢复协程的执行。
5.简化异步逻辑
通过使用挂起函数我们可以将复杂的异步逻辑封装在简单的函数中使得代码更加清晰和易于维护。这有助于减少回调地狱和提高代码的可读性。 挂起函数和协程的例子
下面例子,演示了如何使用 Kotlin 的协程和挂起函数来实现异步 IO操作:
1.在 Gradle 构建文件中添加以下依赖
implementation org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-core:1.6.1 // 使用最新版本
implementation org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-android:1.6.1 // 如果你在 Android 项目中使用
2.创建一个挂起函数来模拟异步 IO 操作(网络请求) class SuspendActivity : ComponentActivity() {override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?){lifecycleScope.launch(contextDispatchers.Main,block{Log.e(TAG, 当前所处的线程1 ${Thread.currentThread().name} ) //当前所处的线程1 mainLog.e(TAG, 获取 协程在上下文指定的调度器1:${this.coroutineContext}) //获取 协程在上下文指定的调度器1:[StandaloneCoroutine{Active}8872fef, Dispatchers.Main]//在launch协程里调用挂起函数findBigPrime(),执行异步 IO 操作 它不会阻塞当前线程val bigIntegerResult:BigIntegerfindBigPrime()Log.e(TAG, 输出bigIntegerResult$bigIntegerResult)Log.e(TAG, 当前所处的线程3 ${Thread.currentThread().name} ) //当前所处的线程3 mainLog.e(TAG, 获取 协程在上下文指定的调度器3:${this.coroutineContext}) //获取 协程在上下文指定的调度器3:[StandaloneCoroutine{Active}8872fef, Dispatchers.Main]//在主线程更新显示请求的数据bigIntegerResultfindViewByIdTextView(R.id.textview).text bigIntegerResult.toString()})}/** 改进正确的做法:* 借助 withContext 我们把BigInteger.probablePrime()的耗时CPU 计算操作 从当前主线程(切换到一个子线程里去)挪到了一个默认的后台线程池。不会阻塞当前的主线程,主线程能够进行其他的初始化操作* 当耗时操作完成计算出结果数据后,再在主线程更新显示请求的数据** */suspend fun findBigPrime():BigInteger{val bigIntegerResult:BigIntegerwithContext(contextDispatchers.Default,block{Log.e(TAG, 当前所处的线程2 ${Thread.currentThread().name} ) //当前所处的线程2 DefaultDispatcher-worker-1Log.e(TAG, 获取 协程在上下文指定的调度器2:${this.coroutineContext}) //获取 协程在上下文指定的调度器2:[DispatchedCoroutine{Active}4046afc, Dispatchers.Default]BigInteger.probablePrime(4096, Random()) //lambda最后一行结果值作为返回值})return bigIntegerResult}}
