Kotlin 协程：深入理解 ‘async { }’

Kotlin 协程是一种强大的异步编程工具，它提供了一种简洁、易读的方式来处理并发和异步操作。在 Kotlin 协程库中，async {} 是一个关键的函数，它允许我们启动一个新的协程，并返回一个 Deferred 对象，代表了一个可以被稍后获取结果的异步计算。在本篇博客中，我们将深入探讨 async {} 的工作原理，以及如何在实际的 Kotlin 代码中使用它。

协程简介

在我们深入探讨 async {} 之前，让我们先简单回顾一下协程的基本概念。协程是一种可以挂起和恢复执行的计算。与线程不同，协程的挂起和恢复不需要操作系统的介入，因此协程的开销非常小。这使得我们可以在一个程序中同时运行大量的协程，而不会像线程那样消耗大量的系统资源。

Kotlin 提供了一套丰富的协程 API，使得我们可以轻松地在 Kotlin 程序中使用协程。这些 API 包括了创建和启动协程的函数（如 launch {} 和 async {}）、挂起和恢复协程的函数（如 suspend 和 resume）、以及处理协程异常的函数（如 CoroutineExceptionHandler）。

async {} 的基本用法

在 Kotlin 协程库中，async {} 是一个创建并启动新协程的函数。它接受一个 lambda 表达式作为参数，这个 lambda 表达式定义了协程的执行逻辑。async {} 会立即返回一个 Deferred 对象，这个对象代表了异步计算的结果。

下面是一个 async {} 的基本用法的例子：

val deferred = async {
    // 异步计算的逻辑
    computeSomething()
}
val result = deferred.await()  // 获取异步计算的结果

在这个例子中，我们首先调用 async {} 来启动一个新的协程。在协程的 lambda 表达式中，我们调用 computeSomething() 来执行异步计算。然后，我们调用 deferred.await() 来获取异步计算的结果。注意，await() 是一个挂起函数，它会挂起当前的协程，直到异步计算完成。

async {} 和 Deferred

async {} 返回的 Deferred 对象是一个重要的概念。Deferred 是一个表示异步计算结果的接口，它继承自 Job 接口。Job 接口代表了一个可取消的计算，它有一个 cancel() 函数用于取消计算，以及一个 isCancelled 属性用于检查计算是否已被取消。

Deferred 接口添加了一个 await() 函数，这个函数会挂起当前的协程，直到异步计算完成，并返回计算的结果。如果异步计算抛出了一个异常，那么 await() 函数会重新抛出这个异常。

下面是一个 Deferred 的用法的例子：

val deferred = async {
    // 异步计算的逻辑
    computeSomething()
}
try {
    val result = deferred.await()  // 获取异步计算的结果
} catch (e: Exception) {
    // 处理异步计算的异常
}

在这个例子中，我们首先启动一个新的协程，并获取到一个 Deferred 对象。然后，我们调用 await() 函数来获取异步计算的结果，并使用 try-catch 语句来处理可能会发生的异常。

async {} 的上下文和调度器

在 Kotlin 协程中，上下文（Context）和调度器（Dispatcher）是两个重要的概念。上下文是一组键值对，它包含了一些在协程中全局有效的信息，如协程的 Job、调度器等。调度器是一个决定协程在哪个线程上执行的对象。

async {} 函数接受一个可选的上下文参数，这个参数可以用于指定新协程的上下文和调度器。如果没有指定上下文，那么新协程将继承父协程的上下文。

下面是一个 async {} 使用上下文和调度器的例子：

val deferred = async(Dispatchers.IO) {
    // 在 IO 调度器上执行异步计算
    computeSomething()
}
val result = deferred.await()  // 获取异步计算的结果

在这个例子中，我们在调用 async {} 时，传入了 Dispatchers.IO 作为上下文。这意味着新协程将在 IO 调度器上执行，这个调度器是专门用于 IO 密集型任务的。

async {} 的错误处理

async {} 也支持错误处理。如果在 async {} 的 lambda 表达式中抛出了一个异常，那么这个异常会被封装在 Deferred 对象中。当我们调用 await() 函数时，如果 Deferred 对象中有异常，那么 await() 函数会重新抛出这个异常。

下面是一个 async {} 的错误处理的例子：

val deferred = async {
    // 在这里抛出一个异常
    throw RuntimeException("Something went wrong")
}
try {
    val result = deferred.await()  // 这里会重新抛出异常
} catch (e: Exception) {
    // 在这里处理异常
    println(e.message)
}

在这个例子中，我们在 async {} 的 lambda 表达式中抛出了一个异常。然后，我们在调用 await() 函数时，使用 try-catch 语句来捕获和处理这个异常。

async {} 和 launch {}

在 Kotlin 协程库中，async {} 和 launch {} 是两个最常用的创建协程的函数。这两个函数的主要区别在于它们的返回值：async {} 返回一个 Deferred 对象，代表了一个可以被稍后获取结果的异步计算，而 launch {} 返回一个 Job 对象，代表了一个可以被取消的计算。

下面是一个 async {} 和 launch {} 的比较的例子：

val job = launch {
    // 这里的代码没有返回值
    doSomething()
}
job.cancel()  // 可以取消这个计算

val deferred = async {
    // 这里的代码有返回值
    computeSomething()
}
val result = deferred.await()  // 可以获取这个计算的结果

在这个例子中，我们首先使用 launch {} 来启动一个新的协程，然后我们可以调用 cancel() 函数来取消这个协程。然后，我们使用 async {} 来启动一个新的协程，我们可以调用 await() 函数来获取这个协程的结果。

async {} 的最佳实践

在使用 async {} 时，有一些最佳实践可以帮助我们避免常见的问题。首先，我们应该尽量减少使用 async {} 的数量。因为 async {} 会创建新的协程，如果我们在一个循环中使用 async {}，那么我们可能会创建大量的协程，这可能会导致系统资源的浪费。相反，我们应该尽量使用 map、filter 等函数来处理集合，而不是为集合中的每个元素都创建一个新的协程。

其次，我们应该避免在 async {} 中执行长时间运行的操作。因为 async {} 会立即返回，如果我们在 async {} 中执行长时间运行的操作，那么我们可能会在获取结果之前就退出了函数，这可能会导致 Deferred 对象被提前回收，从而导致异步计算的结果被丢失。

最后，我们应该避免在 async {} 中修改共享的状态。因为 async {} 会并行执行，如果我们在 async {} 中修改共享的状态，那么我们可能会遇到并发问题。为了避免这种问题，我们应该尽量使用不可变的数据结构，或者使用锁来保护共享的状态。

下面是一个 async {} 的最佳实践的例子：

val data = listOf(1, 2, 3, 4, 5)
val results = data.map { element ->
    async {
        // 对每个元素进行异步计算
        computeSomething(element)
    }
}.awaitAll()  // 获取所有异步计算的结果

在这个例子中，我们首先创建了一个数据列表。然后，我们使用 map 函数和 async {} 来对列表中的每个元素进行异步计算。最后，我们使用 awaitAll() 函数来获取所有异步计算的结果。注意，我们没有在 async {} 中修改任何共享的状态，也没有执行任何长时间运行的操作。

async {} 的局限性

尽管 async {} 是一个强大的工具，但它也有一些局限性。首先，async {} 会立即返回，这意味着我们不能在 async {} 中执行需要阻塞的操作，如读取文件或网络请求。为了处理这种情况，我们可以使用 suspend 函数，或者使用其他的并发工具，如 Future 或 Promise。

其次，async {} 不能在没有协程的上下文中使用。也就是说，你不能在一个普通的函数中调用 async {}，除非这个函数已经在一个协程中了。为了解决这个问题，我们可以使用 runBlocking {} 函数来创建一个协程的上下文。

最后，async {} 的错误处理模型可能会让人困惑。如果在 async {} 的 lambda 表达式中抛出了一个异常，那么这个异常会被封装在 Deferred 对象中，而不是立即被抛出。这意味着，如果我们忘记了调用 await() 函数，那么我们可能会错过这个异常。为了避免这种情况，我们应该总是在 await() 函数的调用处处理可能会发生的异常。

下面是一个 async {} 的局限性的例子：

val deferred = async {
    // 在这里抛出一个异常
    throw RuntimeException("Something went wrong")
}
// 在这里，我们忘记了调用 await() 函数，所以我们错过了这个异常

在这个例子中，我们在 async {} 的 lambda 表达式中抛出了一个异常。然后，我们忘记了调用 await() 函数，所以我们错过了这个异常。

async {} 和 suspend

在 Kotlin 协程中，suspend 是一个关键的关键字，它用于声明一个可以被挂起的函数。挂起函数可以在执行过程中被暂停，并在稍后的某个时间点恢复执行。这使得我们可以在挂起函数中执行长时间运行的操作，而不会阻塞当前的线程。

async {} 和 suspend 的一个重要区别在于它们的调用方式：async {} 必须在一个协程或者另一个挂起函数中调用，而 suspend 函数可以在任何地方调用。这使得 suspend 函数更加灵活，因为它们可以在任何需要的地方被暂停和恢复。

下面是一个 async {} 和 suspend 的比较的例子：

suspend fun suspendFunction() {
    // 这里的代码可以被暂停和恢复
    doSomething()
}

val deferred = async {
    // 这里的代码也可以被暂停和恢复，但它必须在一个协程或者另一个挂起函数中
    doSomethingElse()
}

在这个例子中，我们首先声明了一个挂起函数 suspendFunction()。在这个函数中，我们可以执行可以被暂停和恢复的代码。然后，我们使用 async {} 来启动一个新的协程，在这个协程中，我们也可以执行可以被暂停和恢复的代码。但是，与 suspendFunction() 不同，async {} 必须在一个协程或者另一个挂起函数中调用。

async {} 和 launch {} 的选择

在 Kotlin 协程中，async {} 和 launch {} 是两个最常用的创建协程的函数。那么，我们应该在什么情况下使用 async {}，在什么情况下使用 launch {} 呢？

一般来说，如果我们需要获取协程的结果，那么我们应该使用 async {}。因为 async {} 返回一个 Deferred 对象，我们可以使用这个对象的 await() 函数来获取协程的结果。

如果我们不需要获取协程的结果，或者我们只是想启动一个并发的操作，那么我们应该使用 launch {}。因为 launch {} 返回一个 Job 对象，我们可以使用这个对象的 cancel() 函数来取消协程。

下面是一个 async {} 和 launch {} 的选择的例子：

val deferred = async {
    // 我们需要获取这个计算的结果，所以我们使用 async {}
    computeSomething()
}
val result = deferred.await()  // 获取异步计算的结果

val job = launch {
    // 我们不需要获取这个操作的结果，所以我们使用 launch {}
    doSomething()
}
job.cancel()  // 取消这个操作

在这个例子中，我们首先使用 async {} 来启动一个需要获取结果的异步计算。然后，我们使用 launch {} 来启动一个不需要获取结果的并发操作。

async {} 的性能考虑

在使用 async {} 时，我们也需要考虑性能。因为 async {} 会创建新的协程，如果我们创建了大量的协程，那么这可能会导致系统资源的浪费。为了避免这种情况，我们应该尽量减少使用 async {} 的数量，或者使用 coroutineScope {} 函数来限制协程的数量。

coroutineScope {
    val deferreds = List(1000) {
        async {
            // 在这里执行异步计算
            computeSomething(it)
        }
    }
    val results = deferreds.awaitAll()  // 获取所有异步计算的结果
}

在这个例子中，我们使用 coroutineScope {} 函数来创建一个协程范围。在这个范围内，我们创建了 1000 个协程。由于所有的协程都在同一个范围内，所以它们会共享相同的上下文和调度器，这可以减少系统资源的消耗。

async {} 的结构化并发

在 Kotlin 协程中，async {} 支持结构化并发。这意味着，当我们在一个协程范围内创建一个新的协程时，新的协程将成为这个范围的一个子协程。当范围被取消或者完成时，所有的子协程也会被取消或者完成。这可以确保我们的并发代码具有清晰的生命周期，并且可以避免悬挂协程的问题。

coroutineScope {
    val deferred = async {
        // 在这里执行异步计算
        computeSomething()
    }
    // 在这里，我们取消了协程范围，所以异步计算也会被取消
    cancel()
}

在这个例子中，我们首先创建了一个协程范围。然后，我们在这个范围内创建了一个新的协程。最后，我们取消了这个范围，所以新的协程也会被取消。

async {} 和 withContext {}

在 Kotlin 协程中，async {} 和 withContext {} 是两个常用的改变协程上下文的函数。这两个函数的主要区别在于它们的返回值：async {} 返回一个 Deferred 对象，代表了一个可以被稍后获取结果的异步计算，而 withContext {} 直接返回计算的结果。

下面是一个 async {} 和 withContext {} 的比较的例子：

val deferred = async(Dispatchers.IO) {
    // 在 IO 调度器上执行异步计算
    computeSomething()
}
val result = deferred.await()  // 获取异步计算的结果

val result2 = withContext(Dispatchers.IO) {
    // 在 IO 调度器上执行同步计算
    computeSomething()
}

在这个例子中，我们首先使用 async {} 在 IO 调度器上启动一个异步计算，然后我们使用 await() 函数来获取这个计算的结果。然后，我们使用 withContext {} 在 IO 调度器上执行一个同步计算，并直接获取这个计算的结果。

async {} 的未来

尽管 async {} 已经是一个非常强大的工具，但是 Kotlin 协程库仍然在不断发展和改进。例如，在未来的版本中，我们可能会看到更多的函数和特性被添加到 async {} 中，如更好的错误处理、更强大的调度器、更灵活的协程范围等。我们也可能会看到 async {} 在性能和效率方面得到更多的优化，使得我们可以在更大的规模和更复杂的场景中使用 async {}。

结论

async {} 是 Kotlin 协程库中的一种强大的异步编程工具，它提供了一种简洁、易读的方式来处理并发和异步操作。通过深入理解 async {} 的工作原理和使用方式，我们可以更有效地使用 Kotlin 协程来构建高性能、高可读的并发代码。

无论你是一个刚开始学习 Kotlin 协程的新手，还是一个已经有一定经验的开发者，我都希望这篇博客能帮助你更好地理解和使用 async {}。如果你有任何关于 async {} 的问题或者想法，欢迎在评论区留言，我会尽力回答你的问题。

感谢阅读， Best Regards!