【Flutter基础】Dart中的并发Isolate

前言

说到 Flutter 中的异步，我想大家都不陌生。一般我们使用 Future、async-await 来进行网络请求、文件读取等异步加载，但要提到 Isolate ，大家就未必能够说的明白了，今天我就带大家了解下 Dart 中的并发 Isolate。

一、Isolate的基本用法

1.1 Isolate的基本用法

对于 Isolate ，我们一般通过 Isolate.spawn() 来实现并发处理。

  const String downloadLink = '下载链接';
  final resultPort = ReceivePort();
  await Isolate.spawn(readAndParseJson, [resultPort.sendPort, downloadLink]);
  String fileContent = await resultPort.first as String;
  print('展示文件内容: $fileContent');

Isolate.spawn() 内部传递一个 entryPoint 初始化函数，用于执行异步操作。这里我们定义 readAndParseJson 函数，通过设置 延迟2秒 来模拟文件读取。

Future<void> readAndParseJson(List<dynamic> args) async {
  SendPort resultPort = args[0];
  String fileLink = args[1];

  print('获取下载链接: $fileLink');

  String fileContent = '文件内容';
  await Future.delayed(const Duration(seconds: 2));
  Isolate.exit(resultPort, fileContent);
}

运行结果：

1.2 Isolate的异常处理

由于 Isolate 开启的是一块新的隔离区，完全和启动的 Isolate 独立，自然是无法通过 try-catch 进行捕获。

好在 Isolate 提供了异常通知的能力，我们依旧可以通过 ReceivePort 来接收 Isolate 产生的异常，代码如下所示：

  const String downloadLink = '下载链接';
  final resultPort = ReceivePort();

  await Isolate.spawn(
    readAndParseJsonWithErrorHandle,
    [resultPort.sendPort, downloadLink],
    onError: resultPort.sendPort,
    onExit: resultPort.sendPort,
  );

  // 获取结果
  final response = await resultPort.first;
  if (response == null) { // 没有消息
    print('没有消息');
  } else if (response is List) { // 异常消息
    final errorAsString = response[0]; //异常
    final stackTraceAsString = response[1]; // 堆栈信息
    print('error: $errorAsString \nstackTrace: $stackTraceAsString');
  } else { // 正常消息
    print(response);
  }

在readAndParseJsonWithErrorHandle 函数中，我们通过手动 throw Exception 来触发异常处理。

Future<void> readAndParseJsonWithErrorHandle(List<dynamic> args) async {
  SendPort resultPort = args[0];
  String fileLink = args[1];
  String newLink = '文件链接';

  await Future.delayed(const Duration(seconds: 2));
  throw Exception('下载失败');
  Isolate.exit(resultPort, newLink);
}

运行结果：

1.3 Isolate.run()

如果我们每次使用时都需要通过 ReceivePort 来实现 Isolate 的消息通信，这样会过于繁琐。好在官方也考虑到了这个问题，通过提供 Isolate.run() 来直接获取返回值：

注意：该方法需要在 Dart 2.19 以上的版本使用，对应 Flutter 3.7.0 以上。

 const String downloadLink = '下载链接';
 String fileContent = await Isolate.run(() => handleReadAndParseJson(downloadLink));
 print('展示文件内容: $fileContent');

/// 处理读取并解析文件内容
Future<String> handleReadAndParseJson(String fileLink) async {
  print('获取下载链接: $fileLink');
  String fileContent = '文件内容';
  await Future.delayed(const Duration(seconds: 2));
  return fileContent;
}

其原理就是内部通过对 Isolate.spawn() 进行封装，通过 Completer 来实现 Future 的异步回调。关键代码如下：

    var result = Completer<R>();
    var resultPort = RawReceivePort();
    ...
    try {
      Isolate.spawn(_RemoteRunner._remoteExecute,
              _RemoteRunner<R>(computation, resultPort.sendPort),
              onError: resultPort.sendPort,
              onExit: resultPort.sendPort,
              errorsAreFatal: true,
              debugName: debugName)
          .then<void>((_) {}, onError: (error, stack) {
        // Sending the computation failed asynchronously.
        // Do not expect a response, report the error asynchronously.
        resultPort.close();
        result.completeError(error, stack);
      });
    } on Object {
      // Sending the computation failed synchronously.
      // This is not expected to happen, but if it does,
      // the synchronous error is respected and rethrown synchronously.
      resultPort.close();
      rethrow;
    }

Tip：从官方的源码中我们可以学到，在调用 Isolate.spawn() 时，建议通过 tray-catch 捕获可能发生的异常，并且在最后需要关闭 ReceivePort 避免内存泄漏。

二、Flutter中的compute

除了上述在 Dart 中的用法外，我们还可以在 Flutter 中通过 compute() 来实现。并且这也是官方推荐的用法，因为 compute() 允许在非原生平台 Web 上运行。

官方原文：If you’re using Flutter, consider using Flutter’s compute() function instead of Isolate.run(). The compute function allows your code to work on both native and non-native platforms. Use Isolate.run() when targeting native platforms only for a more ergonomic API.

2.1 compute的使用

和 Isolate.run() 的使用方式类似，通过传入 callback 函数让 Isolate 执行：

  String content = await compute((link) async {
    print('开始下载: $link');
    await Future.delayed(const Duration(seconds: 2));
    return '下载的内容';
  }, '下载链接');
  print('完成下载: $content');

运行结果：

Tip：在引入 Flutter 包之前，我们可以直接右键 run 'islate.dart' with Coverage 在Coverage 运行；在引入 Flutter 包之后，我们就需要在手机上运行，可以通过命令：open -a simulator 启动一个 iOS 模拟器运行。

2.2 compute的异常处理

查看 compute() 源码发现，内部使用的是 Isolate.run()，而 Isolate.run() 内部是通过 Completer 来完成异步回调的。因此，我们直接通过 try-catch 即可捕获异常：

  try {
    await compute((link) async {
      await Future.delayed(const Duration(seconds: 2));
      throw Exception('下载失败');
    }, '下载链接');
  } catch (e) {
    print('error: $e');
  }
  print('结束');

运行结果：

2.3 compute的源码分析

compute() 实际是对 isolates.compute 的实例化：

const ComputeImpl compute = isolates.compute;

而 Isolates 却是通过不同的平台来指定引入的类，这样也印证了为什么官方推荐在 Flutter 中使用 compute()。

import '_isolates_io.dart'
  if (dart.library.js_util) '_isolates_web.dart' as isolates;

在 _isolates_io.dart 中是通过 Isolate.run() 来实现：

Future<R> compute<Q, R>(isolates.ComputeCallback<Q, R> callback, Q message, {String? debugLabel}) async {
  debugLabel ??= kReleaseMode ? 'compute' : callback.toString();

  return Isolate.run<R>(() {
    return callback(message);
  }, debugName: debugLabel);
}

在 _isolates_web.dart 中是通过 await null; 抽取单帧来执行函数：

Future<R> compute<Q, R>(isolates.ComputeCallback<Q, R> callback, Q message, { String? debugLabel }) async {
  // To avoid blocking the UI immediately for an expensive function call, we
  // pump a single frame to allow the framework to complete the current set
  // of work.
  await null;
  return callback(message);
}

2.4 compute小结

1. 因为 compute() 需要引入 flutter/foundation.dart，所以只能在 Flutter 中运行。
2. 在 Flutter 中推荐使用 compute() 来实现，因为兼容 Web 平台。
3. 其内部实现：在平台侧通过 Isolate.run()，在 Web 侧通过 await null; 抽取单帧来执行函数。

三、Isolate 的工作原理

在 Dart 中，Isolate 是一种类似于线程的概念，可以独立于其他 Isolate 运行，并且具有自己的堆栈和内存空间。这使得 Isolate 可以并行执行代码，并且不会受到其他 Isolate 的影响。

3.1 Future 为何还是会导致卡顿？

有时候我们可能会困惑，为什么明明已经使用了 Future 来异步执行任务，还是会出现卡顿的现象。那是因为 Dart 是单线程的，如果在执行 Future 时遇到耗时的计算任务或者 I/O操作，这些操作会占用当前线程的资源，从而导致应用出现卡顿现象，影响用户体验。

相比之下，Isolate 可以实现多线程并发执行任务，可以利用多核 CPU，因此可以更有效地处理大规模的计算密集型任务、I/O 密集型任务以及处理需要大量计算的算法等。在 Isolate 中执行任务不会占用 UI 线程的资源，从而可以保证应用的流畅性和响应速度。

3.2 Isolate 的工作原理

Isolate 的工作原理是通过使用 Dart 的隔离机制来实现的。每个 Isolate 都运行在独立的隔离环境中，并且与其他 Isolate 共享代码的副本。这意味着Isolate之间不能直接共享数据，而必须使用消息传递机制来进行通信。

其实我们在执行 main() 时，就开始了主 Isolate 的运行，如下图所示：

3.3 Isolate 的生命周期

Isolate的生命周期可以分为三个阶段：创建、运行和终止。

1. 创建阶段：使用 Isolate.spawn() 方法可以创建一个新的 Isolate，并且将一个函数作为参数传递给这个方法。这个函数将作为新的 Isolate 的入口点，也就是 Isolate 启动时第一个执行的函数。创建 Isolate 时还可以指定其他参数，例如 Isolate 的名称、是否共享代码等等。
2. 运行阶段：一旦创建了 Isolate，它就会开始执行入口点函数，并且进入事件循环。在事件循环中，Isolate 会不断地从消息队列中获取消息，并且根据消息的类型执行相应的代码。Isolate 可以同时执行多个任务，并且可以通过消息传递机制来协调这些任务的执行顺序。
3. 终止阶段：当 Isolate 完成了它的任务，或者由于某些原因需要停止时，可以调用 Isolate.kill() 方法来终止 Isolate。此时，Isolate 会立即停止执行，并且 Isolate 对象和所有与它相关的资源都会被释放。

3.4 Isolate 组

在 Dart 2.15 也就是 Flutter 2.8 版本之后，当一个 Isolate 调用了 Isolate.spawn()，两个 Isolate 将拥有同样的执行代码，并归入同一个 Isolate 组 中。Isolate 组会带来性能优化，例如新的 Isolate 会运行由 Isolate 组持有的代码，即共享代码调用。同时，Isolate.exit() 仅在对应的 Isolate 属于同一组时有效。

其原理是同一个 Isolate 组中的 Isolate 共享同一个堆，避免了对象的重复拷贝。这意味着生成一个新 Isolate 的速度提高了 100 倍，消耗的内存减少了 10-100 倍。

注意不要和前面的概念混淆，Isolate 仍然无法彼此共享内存，仍然需要消息传递。

四、使用场景

4.1 使用原则

• 如果一段代码不会被中断，那么就直接使用正常的同步执行就行。
• 如果代码段可以独立运行而不会影响应用程序的流畅性，建议使用 Future。
• 如果繁重的处理可能要花一些时间才能完成，而且会影响应用程序的流畅性，建议使用 Isolate。

4.2 耗时衡量

通过原则来判断可能过于抽象，我们可以用耗时来衡量：

• 对于耗时不超过 16ms 的操作推荐使用 Future。
• 对于耗时超过 16ms 以上的操作推荐使用 Isolate。

至于为什么用 16ms 作为衡量呢，因为屏幕一帧的刷新间隔就是 16ms。

compute API文档原文：

/// {@template flutter.foundation.compute.usecase} /// This is useful for operations that take longer than a few milliseconds, and /// which would therefore risk skipping frames. For tasks that will only take a /// few milliseconds, consider [SchedulerBinding.scheduleTask] instead. /// {@endtemplate}

五、结语

至此，我们完成了对 Isolate 概念和用法的认识。项目源码：Fitem/flutter_article

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参考资料：

Isolate 的工作原理

Isolates in Flutter