29、Dispatchers是如何工作的

你好，我是朱涛。今天，我们来分析Kotlin协程当中的Dispatchers。

上节课里，我们分析了launch的源代码，从中我们知道，Kotlin的launch会调用startCoroutineCancellable()，接着又会调用createCoroutineUnintercepted()，最终会调用编译器帮我们生成SuspendLambda实现类当中的create()方法。这样，协程就创建出来了。不过，协程是创建出来了，可它是如何运行的呢？

另外我们也都知道，协程无法脱离线程运行，Kotlin当中所有的协程，最终都是运行在线程之上的。**那么，协程创建出来以后，它又是如何跟线程产生关联的？**这节课，我们将进一步分析launch的启动流程，去发掘上节课我们忽略掉的代码分支。

我相信，经过这节课的学习，你会对协程与线程之间的关系有一个更加透彻的认识。

Dispatchers

在上节课里我们学习过，launch{}本质上是调用了startCoroutineCancellable()当中的createCoroutineUnintercepted()方法创建了协程。

// 代码段1

public fun <T> (suspend () -> T).startCoroutineCancellable(completion: Continuation<T>): Unit = runSafely(completion) {
    //                                        注意这里
    //                                           ↓
    createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted().resumeCancellableWith(Result.success(Unit))
}

那么下面，我们就接着上节课的流程，继续分析createCoroutineUnintercepted(completion)之后的 intercepted()方法。

不过，在正式分析intercepted()之前，我们还需要弄清楚Dispatchers、CoroutineDispatcher、ContinuationInterceptor、CoroutineContext之间的关系。

// 代码段2

public actual object Dispatchers {

    public actual val Default: CoroutineDispatcher = DefaultScheduler

    public actual val Main: MainCoroutineDispatcher get() = MainDispatcherLoader.dispatcher

    public actual val Unconfined: CoroutineDispatcher = kotlinx.coroutines.Unconfined

    public val IO: CoroutineDispatcher = DefaultIoScheduler

    public fun shutdown() {    }
}

public abstract class CoroutineDispatcher :
    AbstractCoroutineContextElement(ContinuationInterceptor), ContinuationInterceptor {}

public interface ContinuationInterceptor : CoroutineContext.Element {}

public interface Element : CoroutineContext {}

在[第17讲]当中，我们曾经分析过它们之间的继承关系。Dispatchers是一个单例对象，它当中的Default、Main、Unconfined、IO，类型都是CoroutineDispatcher，而它本身就是CoroutineContext。所以，它们之间的关系就可以用下面这个图来描述。

让我们结合这张图，来看看下面这段代码：

// 代码段3

fun main() {
    testLaunch()
    Thread.sleep(2000L)
}

private fun testLaunch() {
    val scope = CoroutineScope(Job())
    scope.launch{
        logX("Hello!")
        delay(1000L)
        logX("World!")
    }
}

/**
 * 控制台输出带协程信息的log
 */
fun logX(any: Any?) {
    println(
        """
================================
$any
Thread:${Thread.currentThread().name}
================================""".trimIndent()
    )
}

/*
输出结果
================================
Hello!
Thread:DefaultDispatcher-worker-1 @coroutine#1
================================
================================
World!
Thread:DefaultDispatcher-worker-1 @coroutine#1
================================
*/

在这段代码中，我们没有为launch()传入任何CoroutineContext参数，但通过执行结果，我们发现协程代码居然执行在DefaultDispatcher，并没有运行在main线程之上。这是为什么呢？

我们可以回过头来分析下launch的源代码，去看看上节课中我们刻意忽略的地方。

// 代码段4

public fun CoroutineScope.launch(
    context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
    start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
    block: suspend CoroutineScope.() -> Unit
): Job {
    // 1
    val newContext = newCoroutineContext(context)
    val coroutine = if (start.isLazy)
        LazyStandaloneCoroutine(newContext, block) else
        StandaloneCoroutine(newContext, active = true)
    coroutine.start(start, coroutine, block)
    return coroutine
}

首先，请留意launch的第一个参数，context，它的默认值是EmptyCoroutineContext。在第17讲里，我曾提到过，CoroutineContext就相当于Map，而EmptyCoroutineContext则相当于一个空的Map。所以，我们可以认为，这里的EmptyCoroutineContext传了也相当于没有传，它的目的只是为了让context参数不为空而已。这其实也体现出了Kotlin的空安全思维，Kotlin官方用EmptyCoroutineContext替代了null。

接着，请留意上面代码的注释1，这行代码会调用newCoroutineContext(context)，将传入的context参数重新包装一下，然后返回。让我们看看它具体的逻辑：

// 代码段5

public actual fun CoroutineScope.newCoroutineContext(context: CoroutineContext): CoroutineContext {
    // 1
    val combined = coroutineContext.foldCopiesForChildCoroutine() + context
    // 2
    val debug = if (DEBUG) combined + CoroutineId(COROUTINE_ID.incrementAndGet()) else combined
    // 3
    return if (combined !== Dispatchers.Default && combined[ContinuationInterceptor] == null)
        debug + Dispatchers.Default else debug
}

这段代码一共有三个注释，我们来分析一下：

注释1，由于newCoroutineContext()是CoroutineScope的扩展函数，因此，我们可以直接访问CoroutineScope的coroutineContext对象，它其实就是CoroutineScope对应的上下文。foldCopiesForChildCoroutine()的作用，其实就是将CoroutineScope当中的所有上下文元素都拷贝出来，然后跟传入的context参数进行合并。这行代码，可以让子协程继承父协程的上下文元素。
注释2，它的作用是在调试模式下，为我们的协程对象增加唯一的ID。我们在代码段3的输出结果中看到的“@coroutine#1”，其中的数字“1”就是在这个阶段生成的。
注释3，如果合并过后的combined当中没有CoroutineDispatcher，那么，就会默认使用Dispatchers.Default。

看到这里，你也许会有一个疑问，为什么协程默认的线程池是Dispatchers.Default，而不是Main呢？答案其实也很简单，因为Kotlin协程是支持多平台的，Main线程只在UI编程平台才有可用。因此，当我们的协程没有指定Dispatcher的时候，就只能使用Dispatchers.Default了。毕竟，协程是无法脱离线程执行的。

那么现在，代码段3当中的协程执行在Dispatchers.Default的原因也就找到了：由于我们定义的scope没有指定Dispatcher，同时launch的参数也没有传入Dispatcher，最终在newCoroutineContext()的时候，会被默认指定为Default线程池。

好，有了前面的基础以后，接下来，我们就可以开始intercepted()的逻辑了。

CoroutineDispatcher拦截器

让我们回到课程开头提到过的startCoroutineCancellable()方法的源代码，其中的createCoroutineUnintercepted()方法，我们在上节课已经分析过了，它的返回值类型就是Continuation。而intercepted()方法，其实就是Continuation的扩展函数。

// 代码段6

public fun <T> (suspend () -> T).startCoroutineCancellable(completion: Continuation<T>): Unit = runSafely(completion) {
    //                                        注意这里
    //                                           ↓
    createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted().resumeCancellableWith(Result.success(Unit))
}


public actual fun <T> Continuation<T>.intercepted(): Continuation<T> =
    (this as? ContinuationImpl)?.intercepted() ?: this

internal abstract class ContinuationImpl(
    completion: Continuation<Any?>?,
    private val _context: CoroutineContext?
) : BaseContinuationImpl(completion) {
    constructor(completion: Continuation<Any?>?) : this(completion, completion?.context)

    @Transient
    private var intercepted: Continuation<Any?>? = null

    // 1
    public fun intercepted(): Continuation<Any?> =
        intercepted
            ?: (context[ContinuationInterceptor]?.interceptContinuation(this) ?: this)
                .also { intercepted = it }
}

从上面的代码中，我们可以看到，startCoroutineCancellable()当中的intercepted()最终会调用BaseContinuationImpl的intercepted()方法。

这里，请你留意代码中我标记出的注释，intercepted()方法首先会判断它的成员变量 intercepted是否为空，如果为空，就会调用context[ContinuationInterceptor]，获取上下文当中的Dispatcher对象。以代码段3当中的逻辑为例，这时候的Dispatcher肯定是Default线程池。

然后，如果我们继续跟进interceptContinuation(this)方法的话，会发现程序最终会调用CoroutineDispatcher的interceptContinuation()方法。

// 代码段7

public abstract class CoroutineDispatcher :
    AbstractCoroutineContextElement(ContinuationInterceptor), ContinuationInterceptor {

    // 1
    public final override fun <T> interceptContinuation(continuation: Continuation<T>): Continuation<T> =
        DispatchedContinuation(this, continuation)
}

同样留意下这里的注释1，interceptContinuation()直接返回了一个DispatchedContinuation对象，并且将this、continuation作为参数传了进去。这里的this，其实就是Dispatchers.Default。

所以，如果我们把startCoroutineCancellable()改写一下，它实际上会变成下面这样：

// 代码段8

public fun <T> (suspend () -> T).startCoroutineCancellable(completion: Continuation<T>): Unit = runSafely(completion) {
    createCoroutineUnintercepted(completion).intercepted().resumeCancellableWith(Result.success(Unit))
}

// 等价
//  ↓

public fun <T> (suspend () -> T).startCoroutineCancellable(completion: Continuation<T>): Unit = runSafely(completion) {
    // 1
    val continuation = createCoroutineUnintercepted(completion)
    // 2
    val dispatchedContinuation = continuation.intercepted()
    // 3
    dispatchedContinuation.resumeCancellableWith(Result.success(Unit))
}

在上面的代码中，注释1，2我们都已经分析完了，现在只剩下注释3了。这里的resumeCancellableWith()，其实就是真正将协程任务分发到线程上的逻辑。让我们继续跟进分析源代码：

// 代码段9

internal class DispatchedContinuation<in T>(
    @JvmField val dispatcher: CoroutineDispatcher,
    @JvmField val continuation: Continuation<T>
) : DispatchedTask<T>(MODE_UNINITIALIZED), CoroutineStackFrame, Continuation<T> by continuation {

    inline fun resumeCancellableWith(
        result: Result<T>,
        noinline onCancellation: ((cause: Throwable) -> Unit)?
    ) {
        // 省略，留到后面分析
    }

}

也就是，DispatchedContinuation是实现了Continuation接口，同时，它使用了“类委托”的语法，将接口的具体实现委托给了它的成员属性continuation。通过之前代码段7的分析，我们知道它的成员属性 dispatcher对应的就是Dispatcher.Default，而成员属性 continuation对应的则是launch当中传入的SuspendLambda实现类。

另外，DispatchedContinuation还继承自DispatchedTask，我们来看看DispatchedTask到底是什么。

internal abstract class DispatchedTask<in T>(
    @JvmField public var resumeMode: Int
) : SchedulerTask() {

}

internal actual typealias SchedulerTask = Task

internal abstract class Task(
    @JvmField var submissionTime: Long,
    @JvmField var taskContext: TaskContext
) : Runnable {
    constructor() : this(0, NonBlockingContext)
    inline val mode: Int get() = taskContext.taskMode // TASK_XXX
}

可以看到，DispatchedContinuation继承自DispatchedTask，而它则是SchedulerTask的子类，SchedulerTask是Task的类型别名，而Task实现了Runnable接口。因此，DispatchedContinuation不仅是一个Continuation，同时还是一个Runnable。

那么，既然它是Runnable，也就意味着它可以被分发到Java的线程当中去执行了。所以接下来，我们就来看看resumeCancellableWith()当中具体的逻辑：

// 代码段9

internal class DispatchedContinuation<in T>(
    @JvmField val dispatcher: CoroutineDispatcher,
    @JvmField val continuation: Continuation<T>
) : DispatchedTask<T>(MODE_UNINITIALIZED), CoroutineStackFrame, Continuation<T> by continuation {

    inline fun resumeCancellableWith(
        result: Result<T>,
        noinline onCancellation: ((cause: Throwable) -> Unit)?
    ) {
        val state = result.toState(onCancellation)
        // 1
        if (dispatcher.isDispatchNeeded(context)) {
            _state = state
            resumeMode = MODE_CANCELLABLE
            // 2
            dispatcher.dispatch(context, this)
        } else {
            // 3
            executeUnconfined(state, MODE_CANCELLABLE) {
                if (!resumeCancelled(state)) {
                    resumeUndispatchedWith(result)
                }
            }
        }
    }

}

public abstract class CoroutineDispatcher :
    AbstractCoroutineContextElement(ContinuationInterceptor), ContinuationInterceptor {
    // 默认是true
    public open fun isDispatchNeeded(context: CoroutineContext): Boolean = true

    public abstract fun dispatch(context: CoroutineContext, block: Runnable)
}

internal object Unconfined : CoroutineDispatcher() {
    // 只有Unconfined会重写成false
    override fun isDispatchNeeded(context: CoroutineContext): Boolean = false
}

这段代码里也有三个注释，我们来分析一下：

注释1，dispatcher.isDispatchNeeded()，通过查看CoroutineDispatcher的源代码，我们发现它的返回值始终都是true。在它的子类当中，只有Dispatchers.Unconfined会将其重写成false。这也就意味着，除了Unconfined以外，其他的Dispatcher都会返回true。对于我们代码段3当中的代码而言，我们的Dispatcher是默认的Default，所以，代码将会进入注释2对应的分支。
注释2，dispatcher.dispatch(context, this)，这里其实就相当于将代码的执行流程分发到Default线程池。dispatch()的第二个参数要求是Runnable，这里我们传入的是this，这是因为DispatchedContinuation本身就间接实现了Runnable接口。
注释3，executeUnconfined{}，它其实就对应着Dispather是Unconfined的情况，这时候，协程的执行不会被分发到别的线程，而是直接在当前线程执行。

接下来，让我们继续沿着注释2进行分析，这里的dispatcher.dispatch()其实就相当于调用了Dispatchers.Default.dispatch()。让我们看看它的逻辑：

public actual object Dispatchers {

    @JvmStatic
    public actual val Default: CoroutineDispatcher = DefaultScheduler
}

internal object DefaultScheduler : SchedulerCoroutineDispatcher(
    CORE_POOL_SIZE, MAX_POOL_SIZE,
    IDLE_WORKER_KEEP_ALIVE_NS, DEFAULT_SCHEDULER_NAME
) {}

那么，从上面的代码中，我们可以看到，Dispatchers.Default本质上是一个单例对象DefaultScheduler，它是SchedulerCoroutineDispatcher的子类。
我们也来看看SchedulerCoroutineDispatcher的源代码：

internal open class SchedulerCoroutineDispatcher(
    private val corePoolSize: Int = CORE_POOL_SIZE,
    private val maxPoolSize: Int = MAX_POOL_SIZE,
    private val idleWorkerKeepAliveNs: Long = IDLE_WORKER_KEEP_ALIVE_NS,
    private val schedulerName: String = "CoroutineScheduler",
) : ExecutorCoroutineDispatcher() {

    private var coroutineScheduler = createScheduler()

    override fun dispatch(context: CoroutineContext, block: Runnable): Unit = coroutineScheduler.dispatch(block)
}

根据以上代码，我们可以看到Dispatchers.Default.dispatch()最终会调用SchedulerCoroutineDispatcher的dispatch()方法，而它实际上调用的是coroutineScheduler.dispatch()。

这里，我们同样再来看看CoroutineScheduler的源代码：

internal class CoroutineScheduler(
    @JvmField val corePoolSize: Int,
    @JvmField val maxPoolSize: Int,
    @JvmField val idleWorkerKeepAliveNs: Long = IDLE_WORKER_KEEP_ALIVE_NS,
    @JvmField val schedulerName: String = DEFAULT_SCHEDULER_NAME
) : Executor, Closeable {

    override fun execute(command: Runnable) = dispatch(command)

    fun dispatch(block: Runnable, taskContext: TaskContext = NonBlockingContext, tailDispatch: Boolean = false) {
        trackTask() 
        // 1
        val task = createTask(block, taskContext)
        // 2
        val currentWorker = currentWorker()
        // 3
        val notAdded = currentWorker.submitToLocalQueue(task, tailDispatch)
        if (notAdded != null) {
            if (!addToGlobalQueue(notAdded)) {

                throw RejectedExecutionException("$schedulerName was terminated")
            }
        }
        val skipUnpark = tailDispatch && currentWorker != null

        if (task.mode == TASK_NON_BLOCKING) {
            if (skipUnpark) return
            signalCpuWork()
        } else {

            signalBlockingWork(skipUnpark = skipUnpark)
        }
    }

    private fun currentWorker(): Worker? = (Thread.currentThread() as? Worker)?.takeIf { it.scheduler == this }

    // 内部类 Worker
    internal inner class Worker private constructor() : Thread() {
    }
}

你发现了吗？CoroutineScheduler其实是Java并发包下的Executor的子类，它的execute()方法也被转发到了dispatch()。

上面的代码里也有三个注释，我们分别来看看：

注释1，将传入的Runnable类型的block（也就是DispatchedContinuation），包装成Task。
注释2，currentWorker()，拿到当前执行的线程。这里的Worker其实是一个内部类，它本质上仍然是Java的Thread。
注释3，currentWorker.submitToLocalQueue()，将当前的Task添加到Worker线程的本地队列，等待执行。

那么接下来，我们就来分析下Worker是如何执行Task的。

internal inner class Worker private constructor() : Thread() {

    override fun run() = runWorker()

    @JvmField
    var mayHaveLocalTasks = false

    private fun runWorker() {
        var rescanned = false
        while (!isTerminated && state != WorkerState.TERMINATED) {
            // 1
            val task = findTask(mayHaveLocalTasks)

            if (task != null) {
                rescanned = false
                minDelayUntilStealableTaskNs = 0L
                // 2
                executeTask(task)
                continue
            } else {
                mayHaveLocalTasks = false
            }

            if (minDelayUntilStealableTaskNs != 0L) {
                if (!rescanned) {
                    rescanned = true
                } else {
                    rescanned = false
                    tryReleaseCpu(WorkerState.PARKING)
                    interrupted()
                    LockSupport.parkNanos(minDelayUntilStealableTaskNs)
                    minDelayUntilStealableTaskNs = 0L
                }
                continue
            }

            tryPark()
        }
        tryReleaseCpu(WorkerState.TERMINATED)
    }
}

实际上，Worker会重写Thread的run()方法，然后把执行流程交给runWorker()，以上代码里有两个关键的地方，我也用注释标记了。

注释1，在while循环当中，会一直尝试从Worker的本地队列取Task出来，如果存在需要执行的Task，就会进入下一步。
注释2，executeTask(task)，其实就是执行对应的Task。

而接下来的逻辑，就是最关键的部分了：

internal inner class Worker private constructor() : Thread() {
    private fun executeTask(task: Task) {
        val taskMode = task.mode
        idleReset(taskMode)
        beforeTask(taskMode)
        // 1
        runSafely(task)
        afterTask(taskMode)
    }
}

fun runSafely(task: Task) {
    try {
        // 2
        task.run()
    } catch (e: Throwable) {
        val thread = Thread.currentThread()
        thread.uncaughtExceptionHandler.uncaughtException(thread, e)
    } finally {
        unTrackTask()
    }
}

internal abstract class Task(
    @JvmField var submissionTime: Long,
    @JvmField var taskContext: TaskContext
) : Runnable {
    constructor() : this(0, NonBlockingContext)
    inline val mode: Int get() = taskContext.taskMode // TASK_XXX
}

在Worker的executeTask()方法当中，会调用runSafely()方法，而在这个方法当中，最终会调用task.run()。前面我们就提到过 Task本质上就是Runnable，而Runnable.run()其实就代表了我们的协程任务真正执行了！

那么，task.run()具体执行的代码是什么呢？其实它是执行的 DispatchedTask.run()。这里的DispatchedTask实际上是DispatchedContinuation的父类。

internal class DispatchedContinuation<in T>(
    @JvmField val dispatcher: CoroutineDispatcher,
    @JvmField val continuation: Continuation<T>
) : DispatchedTask<T>(MODE_UNINITIALIZED), CoroutineStackFrame, Continuation<T> by continuation {

    public final override fun run() {

        val taskContext = this.taskContext
        var fatalException: Throwable? = null
        try {
            val delegate = delegate as DispatchedContinuation<T>
            val continuation = delegate.continuation
            withContinuationContext(continuation, delegate.countOrElement) {
                val context = continuation.context
                val state = takeState() 
                val exception = getExceptionalResult(state)

                val job = if (exception == null && resumeMode.isCancellableMode) context[Job] else null
                if (job != null && !job.isActive) {
                    // 1
                    val cause = job.getCancellationException()
                    cancelCompletedResult(state, cause)
                    continuation.resumeWithStackTrace(cause)
                } else {
                    if (exception != null) {
                        // 2
                        continuation.resumeWithException(exception)
                    } else {
                        // 3
                        continuation.resume(getSuccessfulResult(state))
                    }
                }
            }
        } catch (e: Throwable) {

            fatalException = e
        } finally {
            val result = runCatching { taskContext.afterTask() }
            handleFatalException(fatalException, result.exceptionOrNull())
        }
    }
}

上面的代码有三个关键的注释，我们一起来分析：

注释1，在协程代码执行之前，它首先会判断当前协程是否已经取消。如果已经取消的话，就会调用continuation.resumeWithStackTrace(cause)将具体的原因传出去。
注释2，判断协程是否发生了异常，如果已经发生了异常，则需要调用continuation.resumeWithException(exception)将异常传递出去。
注释3，如果一切正常，则会调用continuation.resume(getSuccessfulResult(state))，这时候，协程才会正式启动，并且执行launch当中传入的Lambda表达式。

最后，按照惯例，我还是制作了一个视频，来向你展示整个Dispather的代码执行流程。

小结

这节课，我们围绕着launch，着重分析了它的Dispatchers执行流程。Dispatchers是协程框架中与线程交互的关键，这里面主要涉及以下几个步骤：

第一步，createCoroutineUnintercepted(completion)创建了协程的Continuation实例，紧接着就会调用它的intercepted()方法，将其封装成DispatchedContinuation对象。
第二步，DispatchedContinuation会持有CoroutineDispatcher、以及前面创建的Continuation对象。课程中的CoroutineDispatcher实际上就是Default线程池。
第三步，执行DispatchedContinuation的resumeCancellableWith()方法，这时候，就会执行dispatcher.dispatch()，这就会将协程的Continuation封装成Task添加到Worker的本地任务队列，等待执行。这里的Worker本质上就是Java的Thread。在这一步，协程就已经完成了线程的切换。
第四步，Worker的run()方法会调用runWork()，它会从本地的任务队列当中取出Task，并且调用task.run()。而它实际上调用的是DispatchedContinuation的run()方法，在这里，会调用continuation.resume()，它将执行原本launch当中生成的SuspendLambda子类。这时候，launch协程体当中的代码，就在线程上执行了。

思考题

经过这节课的学习以后，请问你是否对协程的本质有了更深入的认识？请讲讲你的心得体会吧！