Dart 中的并发

此页面包含 Dart 中并发编程工作原理的概念概述。它从高级层面解释了事件循环、异步语言特性和隔离区。有关在 Dart 中使用并发的更多实用代码示例，请阅读 异步支持 页面和 隔离区 页面。

Dart 中的并发编程指的是异步 API（如 Future 和 Stream ）和 隔离区 ，后者允许您将进程移动到单独的核心。

所有 Dart 代码都在隔离区中运行，从默认的主隔离区开始，并根据需要扩展到您显式创建的任何后续隔离区。当您生成一个新的隔离区时，它拥有自己独立的内存和自己的事件循环。事件循环使 Dart 中的异步和并发编程成为可能。

Dart 的运行时模型基于事件循环。事件循环负责执行程序的代码、收集和处理事件等等。

当您的应用程序运行时，所有事件都会添加到一个称为 事件队列 的队列中。事件可以是任何内容，从重绘 UI 的请求，到用户的点击和按键，再到磁盘的 I/O。因为您的应用程序无法预测事件发生的顺序，所以事件循环一次处理一个事件，按照它们排队的顺序处理事件。

事件循环的功能类似于以下代码：

while (eventQueue.waitForEvent()) {
  eventQueue.processNextEvent();
}

此示例事件循环是同步的，并在单个线程上运行。但是，大多数 Dart 应用程序需要一次执行多项操作。例如，客户端应用程序可能需要执行 HTTP 请求，同时还要侦听用户点击按钮。为了处理这个问题，Dart 提供了许多异步 API，例如 Future、Stream 和 async-await 。这些 API 是围绕此事件循环构建的。

例如，考虑进行网络请求：

http.get('https://example.com').then((response) {
  if (response.statusCode == 200) {
    print('Success!');
  }  
}

当此代码到达事件循环时，它会立即调用第一个子句 http.get 并返回一个 Future 。它还会告诉事件循环保留 then() 子句中的回调，直到 HTTP 请求解析。发生这种情况时，它应该执行该回调，并将请求的结果作为参数传递。

此相同的模型通常是事件循环如何处理 Dart 中所有其他异步事件的方式，例如 Stream 对象。

本节总结了 Dart 中异步编程的不同类型和语法。如果您已经熟悉 Future 、 Stream 和 async-await，那么您可以跳到 隔离区部分 。

Future 表示异步操作的结果，该操作最终将完成一个值或一个错误。

在此示例代码中， Future<String> 的返回类型表示最终提供 String 值（或错误）的承诺。

Future<String> _readFileAsync(String filename) {
  final file = File(filename);

  // .readAsString() 返回一个 Future。
  // .then() 注册一个回调，当 `readAsString` 解析时执行。
  return file.readAsString().then((contents) {
    return contents.trim();
  });
}

async 和 await 关键字提供了一种声明式的方法来定义异步函数并使用其结果。

这是一个同步代码示例，它在等待文件 I/O 时阻塞：

const String filename = 'with_keys.json';

void main() {
  // 读取一些数据。
  final fileData = _readFileSync();
  final jsonData = jsonDecode(fileData);

  // 使用这些数据。
  print('JSON 密钥数量：${jsonData.length}');
}

String _readFileSync() {
  final file = File(filename);
  final contents = file.readAsStringSync();
  return contents.trim();
}

这是一个类似的代码，但进行了更改（突出显示）以使其异步：

const String filename = 'with_keys.json';

void main() async {
  // 读取一些数据。
  final fileData = await _readFileAsync();
  final jsonData = jsonDecode(fileData);

  // 使用这些数据。
  print('JSON 密钥数量：${jsonData.length}');
}

Future<String> _readFileAsync() async {
  final file = File(filename);
  final contents = await file.readAsString();
  return contents.trim();
}

main() 函数在 _readFileAsync() 前面使用 await 关键字，以允许其他 Dart 代码（例如事件处理程序）在原生代码（文件 I/O）执行时使用 CPU。使用 await 还会将 _readFileAsync() 返回的 Future<String> 转换为 String 。因此， contents 变量具有隐式类型 String 。

如下图所示，Dart 代码在 readAsString() 执行非 Dart 代码（在 Dart 运行时或操作系统中）时暂停。一旦 readAsString() 返回一个值，Dart 代码执行就会恢复。

Dart 还支持流形式的异步代码。流在未来和重复地随时间提供值。承诺随着时间的推移提供一系列 int 值的类型为 Stream<int> 。

在下面的示例中，使用 Stream.periodic 创建的流每秒重复发出一个新的 int 值。

Stream<int> stream = Stream.periodic(const Duration(seconds: 1), (i) => i * i);

Await-for 是一种 for 循环，它在提供新值时执行循环的每个后续迭代。换句话说，它用于“循环遍历”流。在此示例中，当作为参数提供的流发出新值时，将从函数 sumStream 发出一个新值。在返回值的流的函数中使用 yield 关键字而不是 return 。

Stream<int> sumStream(Stream<int> stream) async* {
  var sum = 0;
  await for (final value in stream) {
    yield sum += value;
  }
}

如果您想了解有关使用 async 、 await 、 Stream 和 Future 的更多信息，请查看 异步编程教程 。

除了 异步 API 之外，Dart 还通过隔离区支持并发。大多数现代设备都具有多核 CPU。为了利用多个核心，开发人员有时会使用并发运行的共享内存线程。但是，共享状态并发容易出错，并可能导致代码复杂。

所有 Dart 代码都在隔离区内运行，而不是线程。使用隔离区，您的 Dart 代码可以同时执行多个独立的任务，如果可用，则可以使用其他处理器核心。隔离区类似于线程或进程，但每个隔离区都有自己的内存和一个运行事件循环的单线程。

每个隔离区都有自己的全局字段，确保任何隔离区中的状态都无法从任何其他隔离区访问。隔离区只能通过消息传递相互通信。隔离区之间没有共享状态意味着不会出现像 互斥锁或锁和 数据竞争 这样的并发复杂性。也就是说，隔离区并不能完全防止竞争条件。有关此并发模型的更多信息，请阅读有关 Actor 模型 的内容。

在大多数情况下，您根本不需要考虑隔离区。Dart 程序默认在主隔离区中运行。这是程序开始运行和执行的线程，如下图所示：

即使是单隔离区程序也可以顺利执行。在继续执行下一行代码之前，这些应用程序使用 async-await 等待异步操作完成。一个行为良好的应用程序启动速度很快，尽快进入事件循环。然后，应用程序会及时响应每个排队的事件，根据需要使用异步操作。

如下图所示，每个隔离区都通过运行一些 Dart 代码（例如 main() 函数）来启动。此 Dart 代码可能会注册一些事件监听器——例如，响应用户输入或文件 I/O。当隔离区的初始函数返回时，如果需要处理事件，隔离区将保留下来。处理完事件后，隔离区将退出。

在客户端应用程序中，主隔离区的事件队列可能包含重绘请求和点击和其他 UI 事件的通知。例如，下图显示了一个重绘事件，然后是一个点击事件，然后是两个重绘事件。事件循环按照先进先出的顺序从队列中获取事件。

main() 退出后，事件处理发生在主隔离区。在下图中， main() 退出后，主隔离区处理第一个重绘事件。之后，主隔离区处理点击事件，然后是重绘事件。

如果同步操作花费了过多的处理时间，应用程序可能会变得无响应。在下图中，点击处理代码花费的时间过长，因此后续事件处理得太迟。应用程序可能会出现冻结现象，并且它执行的任何动画都可能不流畅。

在客户端应用程序中，同步操作时间过长的结果通常是 不流畅（非平滑）的 UI 动画 。更糟糕的是，UI 可能会完全无响应。

如果您的应用程序的 UI 由于耗时的计算（例如 解析大型 JSON 文件 ）而变得无响应，请考虑将该计算卸载到工作隔离区（通常称为 后台工作进程 ）。 一个常见的案例，如下图所示，是生成一个简单的执行计算然后退出的工作隔离区。工作隔离区在退出时通过消息返回其结果。

工作隔离区可以执行 I/O（例如读取和写入文件）、设置计时器等等。它拥有自己的内存，并且不与主隔离区共享任何状态。工作隔离区可以阻塞而不会影响其他隔离区。

根据用例，有两种方法可以在 Dart 中使用隔离区：

• 使用 Isolate.run() 在单独的线程上执行单个计算。
• 使用 Isolate.spawn() 创建一个隔离区，该隔离区将随时间处理多个消息，或一个后台工作进程。有关使用长期运行隔离区的更多信息，请阅读 隔离区 页面。

在大多数情况下， Isolate.run 是在后台运行进程的推荐 API。

静态 Isolate.run() 方法需要一个参数：一个将在新生成的隔离区上运行的回调。

int slowFib(int n) => n <= 1 ? 1 : slowFib(n - 1) + slowFib(n - 2);

// 计算时不阻塞当前隔离区。
void fib40() async {
  var result = await Isolate.run(() => slowFib(40));
  print('Fib(40) = $result');
}

当隔离区调用 Isolate.spawn() 时，这两个隔离区具有相同的可执行代码，并且位于同一个 隔离区组 中。隔离区组可以启用性能优化，例如代码共享；新的隔离区会立即运行隔离区组拥有的代码。此外， Isolate.exit() 仅在隔离区位于同一隔离区组中时才有效。

在某些特殊情况下，您可能需要使用 Isolate.spawnUri() ，它使用指定 URI 处的代码副本设置新的隔离区。但是， spawnUri() 比 spawn() 慢得多，并且新的隔离区不在其生成者的隔离区组中。另一个性能影响是，当隔离区位于不同的组中时，消息传递速度会变慢。

如果您是从具有多线程的语言转向 Dart，那么期望隔离区像线程一样运行是合理的，但事实并非如此。每个隔离区都有自己的状态，确保任何隔离区中的状态都无法从任何其他隔离区访问。因此，隔离区受到其访问自己内存的限制。

例如，如果您有一个带有全局可变变量的应用程序，则该变量将在您的生成的隔离区中成为一个单独的变量。如果您在生成的隔离区中更改该变量，则它将在主隔离区中保持不变。这就是隔离区的工作方式，在考虑使用隔离区时，务必记住这一点。

通过 SendPort 发送的消息可以是几乎任何类型的 Dart 对象，但有一些例外：

• 具有本机资源的对象，例如 Socket 。
• ReceivePort
• DynamicLibrary
• Finalizable
• Finalizer
• NativeFinalizer
• Pointer
• UserTag
• 使用 @pragma('vm:isolate-unsendable') 标记的类的实例

除了这些例外情况外，任何对象都可以发送。查看 SendPort.send 文档以了解更多信息。

请注意， Isolate.spawn() 和 Isolate.exit() 对 SendPort 对象进行了抽象，因此它们也受到相同的限制。

可以并行运行的隔离区数量是有限制的。此限制不影响 Dart 中通过消息进行的隔离区之间的标准 异步 通信。您可以同时运行数百个隔离区并取得进展。隔离区以循环方式调度到 CPU 上，并且经常互相让步。

隔离区只能在纯 Dart 之外进行 同步 通信，使用FFI 通过 C 代码来实现。如果隔离区的数量超过限制，则尝试通过 FFI 调用中的同步阻塞来进行隔离区之间的同步通信可能会导致死锁，除非采取特殊措施。此限制并非硬编码为特定数字，而是根据 Dart 应用程序可用的 Dart VM 堆大小来计算的。

为了避免这种情况，执行同步阻塞的 C 代码需要在执行阻塞操作之前离开当前隔离区，并在从 FFI 调用返回到 Dart 之前重新进入它。阅读Dart_EnterIsolate和Dart_ExitIsolate以了解更多信息。

所有 Dart 应用程序都可以使用 async-await 、 Future 和 Stream 进行非阻塞、交错的计算。但是， Dart Web 平台 不支持隔离区。Dart Web 应用程序可以使用 Web 工作线程 在后台线程中运行脚本，类似于隔离区。但是，Web 工作线程的功能和能力与隔离区略有不同。

例如，当 Web 工作线程在线程之间发送数据时，它们会来回复制数据。但是，数据复制可能会非常慢，特别是对于大型消息而言。隔离区也是如此，但它还提供可以更有效地 传输 保存消息的内存的 API。

创建 Web 工作线程和隔离区也有所不同。您只能通过声明单独的程序入口点并单独编译它来创建 Web 工作线程。启动 Web 工作线程类似于使用 Isolate.spawnUri 启动隔离区。您还可以使用 Isolate.spawn 启动隔离区，这需要更少的资源，因为它 重用了一些与生成隔离区相同的代码和数据 。Web 工作线程没有等效的 API。

• 如果你正在使用许多隔离区，请考虑在 Flutter 中使用 IsolateNameServer ，或 package:isolate_name_server ，它为非 Flutter Dart 应用程序提供类似的功能。
• 阅读有关 Actor 模型 的更多信息，Dart 的隔离区就是基于此模型的。
• 有关 Isolate API 的其他文档：
  • Isolate.exit()
  • Isolate.spawn()
  • ReceivePort
  • SendPort

除非另有说明，否则本网站上的文档反映的是 Dart 3.6.0。页面最后更新于 2025-02-05。 查看源代码 或 报告问题.