本文首發於 vivo互聯網技術 微信公衆號
鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/-OcCDI4L5GR8vVXSYhXJ7w
作者：吳越
網上幾乎全部介紹Kotlin的文章都會說Kotlin的協程是多麼的高效，比線程性能好很多，然而事情的真相真是如此麼？
協程的概念本身並不新鮮，使用C++加上內嵌彙編，一個基本的協程模型50行代碼之內就可以完全搞出來。早在2013年國內就有團隊開源了號稱支持千萬併發的C++協程庫 libco。
最近幾年協程的概念越來越深入人心，主要還是因爲Google的Go語言應用範圍越來越廣，考慮到目前並沒有一個通用的協程的定義，所以本文中對協程的定義主要來自於Go。
一、Kotlin協程在互聯網上的主流定義
問題的討論起源於文章《Go語言出現後，Java還是最佳選擇嗎？》，由於之前寫過一段時間Go語言，對Go語言有一定的理解，所以當時我看完這篇文章的時候感到疑惑的是Kotlin到底有沒有完整的實現類似於Go語言中的協程機制？如果有，那麼顯然沒有必要費這麼一大段功夫來魔改JVM的實現。如果沒有，那麼網上那一堆堆的博客難道說的都是錯誤的嗎？例如下面百度搜索的結果：
再比如某個Kotlin的視頻教程（我仔細觀看了其中關於協程部分的講解，與網絡上流傳的諸如協程比線程高效是基本一致的）
Kotlin官方網站中的例子：
這個例子說明用Java開10w個線程很大概率就會OOM了，但是Kotlin開10w個協程就不會OOM，給人一種Go語言中協程的感覺。但是真的是這樣麼？帶着這個問題，我們進行了一番探索，希望下面的內容能幫你解開疑惑。
二、JVM中的Thread和OS的Thread的對應關係
要搞清楚協程，首先要搞清楚線程。我們都知道CPU的每個核心同一時刻只能執行一個線程。
因此會帶來一個問題，當線程數量超過CPU的核心數量的時候怎麼辦？當然是有的線程先暫停一下，然後讓其他的線程走走，每個線程都有機會走一下，最終的目標就是讓每個線程都執行完畢。
對於大部分Java的開發者來說，JVM都是Oracle提供的，而Android開發者面對的就是Art了。但是不管是Oracle的JVM還是谷歌Android的Art，對於這種主流的JVM實現，他們的線程數量和操作系統中線程的數量基本都是保持在1:1的。
也就是說只要在Java語言裏面每start Thread 一次，JVM中就會多一個Thread，最終就會多一個os級別的線程，在不考慮調整JVM參數的情況下，一個Thread所佔用的內存大小是1mb。最終的JVM的Thread的調度還是依賴底層的操作系統級別的Thread調度。只要是依賴了操作系統級別的Thread調度，那麼就不可避免的存在Thread切換帶來的開銷。
每一次Thread的 上下文切換都會帶來開銷，最終結果就是如果線程過多，那麼最終線程執行代碼的時間就變少，因爲大部分的CPU的時間都消耗在了切換線程上下文上。
這裏簡單證明一下，在Java中Thread和OS的Thread 是1:1的關係:
Start一個線程以後，這裏最終是要調用一個jni方法
jdk 目錄下 /src/share/native/java/lang/ 目錄下查詢Thread.c 文件
start0 方法最終調用的JVM_StartThread方法. 再看看這個方法。
在hotspot 實現下（注意不是jdk目錄了）：
/src/share/vm/prims/ 下面的 jvm.cpp 文件
找到這個方法：
最終：
繼續下去就跟平臺有關了，考慮到Android底層就是Linux，且現在基本服務器都是部署在Linux環境下，可以直接在Linux目錄下找對應的實現：也即是在hotspot 下 src/os/linux/vm/os_linux.cpp 中找到該入口。
熟悉Linux的人應該知道，pthread_create 函數就是Linux下創建線程的系統函數了。這就完整的證明了主流JVM中 Java代碼裏Thread和最終對應os中的Thread是1:1的關係。
三、Go語言中的協程做了什麼
再回到協程，尤其是在Go語言出現以後，協程在很大程度上可以避免因爲創建線程過多，最終導致CPU時間片都來做切線程的操作，從而留給線程自己的CPU時間過少的問題。
原因就在於Go語言中提供的協程在完成我們開發者需要的併發任務的時候， 它的併發之間的調度是由Go語言本身完成的，並沒有交給操作系統級別的Thread切換來完成。也就說協程本質上不過是一個個併發的任務而已。
在Go語言中，這些併發的任務之間相互的調度都是由Go語言完成，由極少數的線程來完成n個協程的併發任務，這其中的調度器並沒有交給操作系統而是交給了自己。
同時在Go中創建一個協程，也僅僅需要4kb的內存而已，這跟OS中創建一個線程所需要的1mb相差甚遠。
四、Go和Java在實現併發任務上的不同
我們需要注意的是：對於開發者而言，並不關心實現併發任務的到底是線程還是進程還是協程或者是什麼其他。我們只關心提交的併發任務是否可以完成。
來看一下這段極簡的Java代碼。
package com.wuyue;
public class JavaCode {
public static void main(String[] args) {
new Thread() {
@Override
public void run() {
while (true) {
System.out.println("iqoo" + " " + Thread.currentThread().getName());
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}.start();
new Thread() {
@Override
public void run() {
while (true) {
System.out.println("x27" + " " + Thread.currentThread().getName());
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}.start();
}
}
這個執行結果真的很簡單， 交錯打印的IQOO和x27 分別對應着2個獨立的線程。所以Java 對外提供的併發能力就是依靠不同的Thread來完成。
簡單來說有多少個併發任務，最終反應到JVM和OS中就是有多少個Thread來運行。然後我們來看看Go語言中協程是如何完成類似的事情的。
package main
import (
"fmt"
"runtime"
"strconv"
"time"
"golang.org/x/sys/windows"
)
func name(s string) {
for {
//爲了演示起來方便 我們每個協程都是相隔一秒纔打印，否則命令行中刷起來太快，不好看執行過程
time.Sleep(time.Second)
str := fmt.Sprint(windows.GetCurrentThreadId())
var s = "iqoo" + s + " belong thread " + str
fmt.Println(s)
}
}
func main() {
//邏輯cpu數量爲4，代表我這個go程序 有4個p可以使用。每個p都會被分配一個系統線程。
//這裏因爲我電腦的cpu是i5 4核心的，所以這裏返回的是4. 如果你的機器是i7 四核心的，那這裏返回值就是8了
//因爲intel的i7 cpu 有超線程技術，簡單來說就是一個cpu核心 可以同時運行2個線程。
fmt.Println("邏輯cpu數量:" + strconv.Itoa(runtime.NumCPU()))
str := fmt.Sprint(windows.GetCurrentThreadId())
fmt.Println("主協程所屬線程id =" + str)
//既然在我機器上golang默認是4個邏輯線程，那我就將同步任務擴大到10個，看看執行結果
for i := 1; i <= 10; i++ {
go name(strconv.Itoa(i))
}
// 避免程序過快直接結束
time.Sleep(100 * time.Second)
}
可以從下圖中看出來，這種交錯的併發任務在Go中是可以在一個線程中完成的，也就驗證了協程的併發能力並不是線程給的，而是交給Go語言本身自己來完成的。
這裏要額外注意的是，Go中 有時候會出現協程遷移的情況（即某個協程可能一開始在線程id爲5的線程跑，過一會又會去線程id爲10的線程跑），這與Go的調度器機制有關，此處就不展開Go調度器這個話題。
只要知道 Go中的多個協程可以在同一個線程上執行併發任務即可。可以理解爲Go的併發模型是M（協程數）:N（線程數）。其中M遠遠大於N（指數級的差距）. 這個是所有實現協程機制的語言中共有的特性。
五、Kotlin有類似Go中的協程能力嗎？
那同樣的需求，用Kotlin-JVM可以來完成嗎？答案是不可以。簡單來說，如果Kotlin-JVM 能提供Go類似的協程能力，那應該能完成如下的需求（但實際上使用Kotlin語言是無法完成下面的需求的）：
-
N個併發任務分別打印不同的字符串。就跟上述Go和Java的例子一樣。
- 在打印的時候需要打印出所屬的線程id或者線程name，且這id和name要保證一樣。因爲只有一樣 纔可以證明是在一個線程上完成了併發任務，而不是靠JVM的Thread來完成併發任務。
六、Kotlin語言中有“鎖”嗎？
我們都知道任何一門現代語言都對外提供了一定的併發能力，且一般都在語言層面提供了“鎖”的實現。比如開啓10個線程 對一個int變量 進行++操作，要保證打印出來的順序一定得是1,2,3,4...10. 這樣的Java代碼很好寫，一個synchronized關鍵字就可以，我們看看Go中的協程是否有類似的能力？
package main
import (
"fmt"
"strconv"
"sync"
"time"
"golang.org/x/sys/windows"
)
var Mutex sync.Mutex
var i = 0
func name(s string) {
Mutex.Lock()
str := fmt.Sprint(windows.GetCurrentThreadId())
fmt.Println("i==" + strconv.Itoa(i) + " belong thread id " + str)
i++
defer Mutex.Unlock()
}
func main() {
for i := 1; i <= 10; i++ {
go name(strconv.Itoa(i))
}
// 避免程序過快直接結束
time.Sleep(100 * time.Second)
}
執行結果很清楚的可以看到，Go中的協程也是有完整的鎖實現的。那麼Kotlin-JVM的協程有沒有類似的鎖的實現呢？經過一番搜索，我們首先看看這個Kotlin官方論壇中的討論https://discuss.kotlinlang.org/t/concurrency-in-kotlin/858
這裏要提一下的是，很多人都以爲Kotlin是谷歌出的，是谷歌的親兒子，實際上這是一種錯誤的想法。Kotlin是JB Team的產物，並不是谷歌親自操刀開發的，最多算是個谷歌的乾兒子。這個JB Team 很多人應該知道，是IDEA的開發團隊Android Studio也是脫胎自 IDEA。
關於這個討論，JB Team的意思是說 Kotlin 在自己的語言級別並沒有實現一種同步機制，還是依靠的 Kotlin-JVM中的 Java關鍵字。尤其是synchronized。既然併發的機制都是依靠的JVM中的sync或者是lock來保證，爲何稱之爲自己是協程的？
我們知道在主流JVM的實現中，是沒有協程的，實際上JVM也不知道上層的JVM語言到底是啥，反正JVM只認class文件，至於這個class文件是Java編譯出來的，還是Kotlin編譯出來的，或是如groovy等其他語言，那都不重要，JVM不需要知道。
基於這個討論 我們可以確定的是，Kotlin語言沒有提供鎖的關鍵字，所有的鎖實現都交給了JVM自己處理。其實就是交給線程來處理了。也就是說，雖然 Kotlin-JVM 聲稱自己是協程，但實際上幹活的還是JVM中Thread那一套東西。
寫一個簡單的代碼驗證一下，簡單寫一個Kotlin的類，因爲Kotlin本身沒有提供同步的關鍵字，所以這裏就用Kotlin官方提供的sync註解。
class PrintTest {
@Synchronized fun print(){
println("hello world")
}
@Synchronized fun print2(){
println("hello world")
}
}然後我們反編譯看看這個東西到底是啥。
七、Kotlin未來會支持真協程嗎？
到了這裏，是否說Kotlin 完全是不支持協程的呢？我認爲這種說法也是不準確的，只能說Kotlin-JVM 這個組合是不支持協程的。例如我們在IDEA中新建Kotlin工程的時候。
可以看出來，這裏是有選項的，上述的驗證，我們只驗證了 Kotlin-JVM 是不支持協程的。那麼有沒有一種Kotlin-x 的東西是支持協程的呢？答案是還真可能有。具體參見官方文檔中Kotlin-Native 平臺對 併發能力的描述：
https://kotlinlang.org/docs/reference/native/concurrency.html（Kotlin-native平臺就是直接將Kotlin-native編譯成對應平臺的可執行文件也就是機器碼，並不需要類似於JVM這樣的虛擬機了）。
我大概翻譯一下其中的幾個要點：Kotlin-Native的併發能力不鼓勵使用帶有互斥代碼塊和條件變量的經典的面向線程的併發模型，因爲該模型容易出錯且不可靠。開篇的這句話直接diss的就是JVM的併發模型。然後繼續往下看還有驚喜：
注意看第一句話，意思就是Kotlin-native提供了一種worker的機制 來替代線程。目前來看能替代線程的東西也就只有協程了。也就是說起碼在Kotlin-native這個平臺上，Kotlin是真的想提供協程能力的。目前Kotlin-Native並沒有正式發佈，我們在idea上新建Kotlin工程的時候並沒有看到有Kotlin-Native這個選項。且Kotlin-Native目前僅支持linux和mac平臺，不支持windows。有興趣且有條件的同學可以自行搜索Kotlin-Native的編譯方法。
八、主流JVM有計劃支持協程嗎？
經過前文的分析，我們知道至少目前來看主流的JVM實現中是沒有協程的實現的。但是已經有不少團隊在朝着這方面努力，比如說 quasar這個庫，利用字節碼注入的方法可以實現協程的效果。
在這個作者加入Oracle之前，OPENJDK也一直在往協程上努力，項目名loom，這個應該是開源社區中一直在做的標準協程實現了。此外在生產環境中已經協程上線的效果可以看文章《重塑雲上的 Java 語言》。
九、Kotlin中的協程到底是啥？
那麼既然證明了，Kotlin-JVM中的協程並不是真協程，那麼這個東西到底是什麼，應該怎麼用？
個人理解Kotlin-JVM的線程應該就僅僅是針對Java中的Thread做了一次更友好的封裝。讓我們更方便的使用Java中的線程纔是Kotlin-JVM中的協程的真正目的。
本質上和Handler，AsyncTask，RxJava 基本是一致的。只不過Kotlin中的協程比他們更方便一些。這其中最核心的是suspend這個Kotlin協程中的關鍵字。
class MainActivity : AppCompatActivity() {
override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
super.onCreate(savedInstanceState)
setContentView(R.layout.activity_main)
GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) {
getInfo()
getInfoNoContext()
Log.v("wuyue", "我又切回來了 in thread " + Thread.currentThread().name)
}
}
/**
* 掛起就是切換線程 沒其他作用，最多就是切到其他線程以後還可以自動切回來，避免過多的callback
* 所有被suspend標記的函數 要麼在協程裏被調用，要麼在其他掛起函數裏被調用，否則就無法實現
* 切走以後又可以切回來的效果
*/
suspend fun getInfo() {
/**
* withContext掛起函數 內部實現了掛起的流程，suspend其實並沒有這個功能
* kotlin中有很多掛起函數，withContext 應該是最常用的
*/
withContext(Dispatchers.IO) {
Log.v("wuyue", "getInfo in thread " + Thread.currentThread().name)
}
}
/**
* 這個函數 雖然用suspend標記 但是並沒有 用withContext 指定掛起，
* 所以是沒辦法實現切線程的作用的，自然而然也就無法實現 所謂的掛起了
* 個人理解這個suspend關鍵字的作用就是提醒 調用者注意 你如果調用的是一個被suspend標記的函數
* 那麼一定要注意 這個函數可能是一個後臺任務，是一個耗時的操作，你需要在一個協程裏使用他。
* 如果不在協程裏使用，那麼kotlin的編譯 就會直接報錯了。
*
*
* 這點其實對於android來講還是很有用的，你所有認爲耗時的操作都可以用suspend來標記，然後在內部指定
* 這個協程的thread 爲 io thread， 如果調用者沒有用launch來 call 這個方法，那麼編譯就報錯。
* 自然而然就避免了很多 主線程操作io的問題
*
*/
suspend fun getInfoNoContext() {
Log.v("wuyue", "getInfoNoContext in thread " + Thread.currentThread().name)
}
}
這段代碼很簡單，可以多看一下注釋。很多人都會被所謂Kotlin協程的非阻塞式嚇到，其實你就理解成Kotlin中所宣傳的非阻塞式，無非是用阻塞的寫法來完成非阻塞的任務而已。
試想一下，我們上述Kotlin中的代碼 如果用Thread來寫，就會比較麻煩了，甚至還需要用到回調（如果你不用handler的話）。這一點上Kotlin 協程的作用和RxJava其實是一致的，只不過Kotlin做的更徹底，比RxJava更優雅更方便更簡潔。
考慮一種稍微複雜的場景，某個頁面需要2個接口都返回以後才能刷新展示，此種需求，如果用原生的Java concurrent併發包是可以做的，但是比較麻煩，要考慮各種異常帶來的問題。
比較好的實現方式是用RxJava的zip操作符來做，在有了Kotlin以後，如果利用Kotlin，這段代碼甚至會比zip操作符還要簡單。例如：
class MainActivity : AppCompatActivity() {
override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
super.onCreate(savedInstanceState)
setContentView(R.layout.activity_main)
GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) {
Log.v("wuyue", "time 1==" + System.currentTimeMillis())
val sum = withContext(Dispatchers.IO) {
val requestA = async { requestA() }
val requestB = async { requestB() }
requestA.await() +"_____" +requestB.await()
}
Log.v("wuyue", "time 2==" + System.currentTimeMillis() + " get sum=" + sum)
}
}
/**
* 3s以後 纔拿到請求結果 IQOO
*/
fun requestA(): String {
sleep(3 * 1000)
Log.v("wuyue", "requestA in " + Thread.currentThread().name)
return "IQOO"
}
/**
* 5秒以後拿到請求結果 B
*/
fun requestB(): String {
sleep(5 * 1000)
Log.v("wuyue", "requestB in " + Thread.currentThread().name)
return "X27"
}
}
可以看出來，我們的2個請求分別在不一樣的Thread中完成，並且回調到主線程的時機也差不多花了5s的時間，證明這2個request是並行請求的。
十、總結
最後對本文做一個總結：
-
Kotlin-JVM中所謂的協程是假協程，本質上還是一套基於原生Java Thread API 的封裝。和Go中的協程完全不是一個東西，不要混淆,更談不上什麼性能更好。
-
Kotlin-JVM中所謂的協程掛起，就是開啓了一個子線程去執行任務（不會阻塞原先Thread的執行，要理解對於CPU來說，在宏觀上每個線程得到執行的概率都是相等的），僅此而已，沒有什麼其他高深的東西。
-
Kotlin-Native是有機會實現完整真協程方案的。雖然我個人不認爲JB TEAM 在這方面能比Go做的更好，所以這個項目意義並不是很大。
-
Kotlin-JVM中的協程最大的價值是寫起來比RxJava的線程切換還要方便。幾乎就是用阻塞的寫法來完成非阻塞的任務。
-
對於Java來說，不管你用什麼方法，只要你沒有魔改JVM，那麼最終你代碼裏start幾個線程，操作系統就會創建幾個線程，是1比1的關係。
-
OpenJDK正在做JVM的協程實現，項目名稱爲loom，有興趣的同學可以查看對應資料。
- Kotlin官網中那個創建10w個Kotlin協程沒有oom的例子其實有誤導性，本質上那10w個Kotlin協程就是10w個併發任務僅此而已，他下面運行的就是一個單線程的線程池。你往一個線程池裏面丟多少個任務都不會OOM的（前提是你的線程池創建的時候設定了對應的拒絕策略，否則***隊列下，任務過多一定會OOM），因爲在運行的始終是那幾個線程。
- 參考資料