从 Flutter 和前端角度出发,聊聊单线程模型下如何保证 UI 流畅性

一、单线程模型的设计

1. 最基础的单线程处理简单任务

假设有几个任务:

• 任务1: “姓名:” + “杭城小刘”
• 任务2: “年龄:” + “1995” + “02” + “20”
• 任务3: “大小:” + (2021 • 1995 + 1)
• 任务4: 打印任务1、2、3 的结果

在单线程中执行,代码可能如下:

//c
void mainThread () {
  string name = "姓名:" + "杭城小刘";
  string birthday = "年龄:" + "1995" + "02" + "20" 
  int age = 2021 • 1995 + 1;
    printf("个人信息为:%s, %s, 大小:%d", name.c_str(), birthday.c_str(), age);
}

线程开始执行任务,按照需求,单线程依次执行每个任务,执行完毕后线程马上退出。

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2. 线程运行过程中来了新的任务怎么处理?

问题1 介绍的线程模型太简单太理想了,不可能从一开始就 n 个任务就确定了,大多数情况下,会接收到新的 m 个任务。那么 section1 中的设计就无法满足该需求。

要在线程运行的过程中,能够接受并执行新的任务,就需要有一个事件循环机制。最基础的事件循环可以想到用一个循环来实现。

// c++
int getInput() {
  int input = 0;
  cout<< "请输入一个数";
  cin>>input;
  return input;
}

void mainThread () {
  while(true) {
    int input1 = getInput();
    int input2 = getInput();
    int sum = input1 + input2;
    print("两数之和为:%d", sum);
  }
}

相较于第一版线程设计,这一版做了以下改进:

• 引入了循环机制,线程不会做完事情马上退出。
• 引入了事件。线程一开始会等待用户输入,等待的时候线程处于暂停状态,当用户输入完毕,线程得到输入的信息,此时线程被激活。执行相加的操作,最终输出结果。不断的等待输入,并计算输出。

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3. 处理来自其他线程的任务

真实环境中的线程模块远远没有这么简单。比如浏览器环境下,线程可能正在绘制,可能会接收到1个来自用户鼠标点击的事件,1个来自网络加载 css 资源完成的事件等等。第二版线程模型虽然引入了事件循环机制,可以接受新的事件任务,但是发现没?这些任务之来自线程内部,该设计是无法接受来自其他线程的任务的。

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从上图可以看出,渲染主线程会频繁接收到来自于 IO 线程的一些事件任务,当接受到的资源加载完成后的消息,则渲染线程会开始 DOM 解析;当接收到来自鼠标点击的消息,渲染主线程则会执行绑定好的鼠标点击事件脚本(js)来处理事件。

需要一个合理的数据结构,来存放并获取其他线程发送的消息?

消息队列这个词大家都听过,在 GUI 系统中,事件队列是一个通用解决方案。

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消息队列(事件队列)是一种合理的数据结构。要执行的任务添加到队列的尾部,需要执行的任务,从队列的头部取出。

有了消息队列之后,线程模型得到了升级。如下:

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可以看出改造分为3个步骤:

• 构建一个消息队列
• IO 线程产生的新任务会被添加到消息队列的尾部
• 渲染主线程会循环的从消息队列的头部读取任务,执行任务

伪代码。构造队列接口部分

class TaskQueue {
  public:
  Task fetchTask (); // 从队列头部取出1个任务
  void addTask (Task task); // 将任务插入到队列尾部
}

改造主线程

TaskQueue taskQueue;
void processTask ();
void mainThread () {
  while (true) {
    Task task = taskQueue.fetchTask();
    processTask(task);
  }
}

IO 线程

void handleIOTask () {
  Task clickTask;
  taskQueue.addTask(clickTask);
}

Tips: 事件队列是存在多线程访问的情况,所以需要加锁。

4. 处理来自其他线程的任务

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浏览器环境中, 渲染进程经常接收到来自其他进程的任务,IO 线程专门用来接收来自其他进程传递来的消息。IPC 专门处理跨进程间的通信。

5. 消息队列中的任务类型

消息队列中有很多消息类型。内部消息:如鼠标滚动、点击、移动、宏任务、微任务、文件读写、定时器等等。

消息队列中还存在大量的与页面相关的事件。如 JS 执行、DOM 解析、样式计算、布局计算、CSS 动画等等。

上述事件都是在渲染主线程中执行的,因此编码时需注意,尽量减小这些事件所占用的时长。

6. 如何安全退出

Chrome 设计上,确定要退出当前页面时,页面主线程会设置一个退出标志的变量,每次执行完1个任务时,判断该标志。如果设置了,则中断任务,退出线程

7. 单线程的缺点

事件队列的特点是先进先出,后进后出。那后进的任务也许会被前面的任务因为执行时间过长而阻塞,等待前面的任务执行完毕才可以执行后面的任务。这样存在2个问题。

• 如何处理高优先级的任务

假如要监控 DOM 节点的变化情况(插入、删除、修改 innerHTML),然后触发对应的逻辑。最基础的做法就是设计一套监听接口,当 DOM 变化时,渲染引擎同步调用这些接口。不过这样子存在很大的问题,就是 DOM 变化会很频繁。如果每次 DOM 变化都触发对应的 JS 接口,则该任务执行会很长,导致执行效率的降低

如果将这些 DOM 变化做为异步消息,假如消息队列中。可能会存在因为前面的任务在执行导致当前的 DOM 消息不会被执行的问题,也就是影响了监控的实时性

如何权衡效率和实时性?微任务 就是解决该类问题的。

通常,我们把消息队列中的任务成为宏任务,每个宏任务中都包含一个微任务队列,在执行宏任务的过程中,假如 DOM 有变化,则该变化会被添加到该宏任务的微任务队列中去,这样子效率问题得以解决。

当宏任务中的主要功能执行完毕欧,渲染引擎会执行微任务队列中的微任务。因此实时性问题得以解决

• 如何解决单个任务执行时间过长的问题

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可以看出,假如 JS 计算超时导致动画 paint 超时,会造成卡顿。浏览器为避免该问题,采用 callback 回调的设计来规避,也就是让 JS 任务延后执行。

二、 flutter 里的单线程模型

1. event loop 机制

Dart 是单线程的,也就是代码会有序执行。此外 Dart 作为 Flutter 这一 GUI 框架的开发语言,必然支持异步。

一个 Flutter 应用包含一个或多个 isolate,默认方法的执行都是在 main isolate 中;一个 isolate 包含1个 Event loop 和1个 Task queue。其中,Task queue 包含1个 Event queue 事件队列和1个 MicroTask queue 微任务队列。如下:

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为什么需要异步?因为大多数场景下 应用都并不是一直在做运算。比如一边等待用户的输入,输入后再去参与运算。这就是一个 IO 的场景。所以单线程可以再等待的时候做其他事情,而当真正需要处理运算的时候,再去处理。因此虽是单线程,但是给我们的感受是同事在做很多事情(空闲的时候去做其他事情)

某个任务涉及 IO 或者异步,则主线程会先去做其他需要运算的事情,这个动作是靠 event loop 驱动的。和 JS 一样,dart 中存储事件任务的角色是事件队列 event queue。

Event queue 负责存储需要执行的任务事件,比如 DB 的读取。

Dart 中存在2个队列,一个微任务队列(Microtask Queue)、一个事件队列(Event Queue)。

Event loop 不断的轮询,先判断微任务队列是否为空,从队列头部取出需要执行的任务。如果微任务队列为空,则判断事件队列是否为空,不为空则从头部取出事件(比如键盘、IO、网络事件等),然后在主线程执行其回调函数,如下:

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2. 异步任务

微任务,即在一个很短的时间内就会完成的异步任务。微任务在事件循环中优先级最高,只要微任务队列不为空,事件循环就不断执行微任务,后续的事件队列中的任务持续等待。微任务队列可由 scheduleMicroTask 创建。

通常情况,微任务的使用场景比较少。Flutter 内部也在诸如手势识别、文本输入、滚动视图、保存页面效果等需要高优执行任务的场景用到了微任务。

所以,一般需求下,异步任务我们使用优先级较低的 Event Queue。比如 IO、绘制、定时器等,都是通过事件队列驱动主线程来执行的。

Dart 为 Event Queue 的任务提供了一层封装,叫做 Future。把一个函数体放入 Future 中,就完成了同步任务到异步任务的包装(类似于 iOS 中通过 GCD 将一个任务以同步、异步提交给某个队列)。Future 具备链式调用的能力,可以在异步执行完毕后执行其他任务(函数)。

看一段具体代码:

void main() {
  print('normal task 1');
  Future(() => print('Task1 Future 1'));
  print('normal task 2');
  Future(() => print('Task1 Future 2'))
      .then((value) => print("subTask 1"))
      .then((value) => print("subTask 2"));
}
//
lbp@MBP  ~/Desktop  dart index.dart
normal task 1
normal task 2
Task1 Future 1
Task1 Future 2
subTask 1
subTask 2

main 方法内,先添加了1个普通同步任务,然后以 Future 的形式添加了1个异步任务,Dart 会将异步任务加入到事件队列中,然后理解返回。后续代码继续以同步任务的方式执行。然后再添加了1个普通同步任务。然后再以 Future 的方式添加了1个异步任务,异步任务被加入到事件队列中。此时,事件队列中存在2个异步任务,Dart 在事件队列头部取出1个任务以同步的方式执行,全部执行(先进先出)完毕后再执行后续的 then。

Future 与 then 公用1个事件循环。如果存在多个 then,则按照顺序执行。

例2:

void main() {
  Future(() => print('Task1 Future 1'));
  Future(() => print('Task1 Future 2'));

  Future(() => print('Task1 Future 3'))
      .then((_) => print('subTask 1 in Future 3'));

  Future(() => null).then((_) => print('subTask 1 in empty Future'));
}
lbp@MBP  ~/Desktop  dart index.dart
Task1 Future 1
Task1 Future 2
Task1 Future 3
subTask 1 in Future 3
subTask 1 in empty Future

main 方法内,Task 1 添加到 Future 1中,被 Dart 添加到 Event Queue 中。Task 1 添加到 Future 2中,被 Dart 添加到 Event Queue 中。Task 1 添加到 Future 3中,被 Dart 添加到 Event Queue 中,subTask 1 和 Task 1 共用 Event Queue。Future 4中任务为空,所以 then 里的代码会被加入到 Microtask Queue,以便下一轮事件循环中被执行。

综合例子

void main() {
  Future(() => print('Task1 Future 1'));
  Future fx = Future(() => null);
  Future(() => print("Task1 Future 3")).then((value) {
    print("subTask 1 Future 3");
    scheduleMicrotask(() => print("Microtask 1"));
  }).then((value) => print("subTask 3 Future 3"));

  Future(() => print("Task1 Future 4"))
      .then((value) => Future(() => print("sub subTask 1 Future 4")))
      .then((value) => print("sub subTask 2 Future 4"));

  Future(() => print("Task1 Future 5"));

  fx.then((value) => print("Task1 Future 2"));

  scheduleMicrotask(() => print("Microtask 2"));

  print("normal Task");
}
lbp@MBP  ~/Desktop  dart index.dart
normal Task
Microtask 2
Task1 Future 1
Task1 Future 2
Task1 Future 3
subTask 1 Future 3
subTask 3 Future 3
Microtask 1
Task1 Future 4
Task1 Future 5
sub subTask 1 Future 4
sub subTask 2 Future 4

解释:

• Event Loop 优先执行 main 方法同步任务,再执行微任务,最后执行 Event Queue 的异步任务。所以 normal Task 先执行
• 同理微任务 Microtask 2 执行
• 其次,Event Queue FIFO,Task1 Future 1 被执行
• fx Future 内部为空,所以 then 里的内容被加到微任务队列中去,微任务优先级最高,所以 Task1 Future 2 被执行
• 其次,Task1 Future 3 被执行。由于存在2个 then,先执行第一个 then 中的 subTask 1 Future 3,然后遇到微任务,所以 Microtask 1 被添加到微任务队列中去,等待下一次 Event Loop 到来时触发。接着执行第二个 then 中的 subTask 3 Future 3。随着下一次 Event Loop 到来,Microtask 1 被执行
• 其次,Task1 Future 4 被执行。随后的第一个 then 中的任务又是被 Future 包装成一个异步任务,被添加到 Event Queue 中,第二个 then 中的内容也被添加到 Event Queue 中。
• 接着,执行 Task1 Future 5。本次事件循环结束
• 等下一轮事件循环到来,打印队列中的 sub subTask 1 Future 4、sub subTask 1 Future 5.

3. 异步函数

异步函数的结果在将来某个时刻才返回,所以需要返回一个 Future 对象,供调用者使用。调用者根据需求,判断是在 Future 对象上注册一个 then 等 Future 执行体结束后再进行异步处理,还是同步等到 Future 执行结束。Future 对象如果需要同步等待,则需要在调用处添加 await,且 Future 所在的函数需要使用 async 关键字。

await 并不是同步等待,而是异步等待。Event Loop 会将调用体所在的函数也当作异步函数,将等待语句的上下文整体添加到 Event Queue 中,一旦返回,Event Loop 会在 Event Queue 中取出上下文代码,等待的代码继续执行。

await 阻塞的是当前上下文的后续代码执行,并不能阻塞其调用栈上层的后续代码执行

void main() {
  Future(() => print('Task1 Future 1'))
      .then((_) async => await Future(() => print("subTask 1 Future 2")))
      .then((_) => print("subTask 2 Future 2"));
  Future(() => print('Task1 Future 2'));
}
lbp@MBP  ~/Desktop  dart index.dart
Task1 Future 1
Task1 Future 2
subTask 1 Future 2
subTask 2 Future 2

解析:

• Future 中的 Task1 Future 1 被添加到 Event Queue 中。其次遇到第一个 then,then 里面是 Future 包装的异步任务,所以 Future(() => print("subTask 1 Future 2")) 被添加到 Event Queue 中,所在的 await 函数也被添加到了 Event Queue 中。第二个 then 也被添加到 Event Queue 中
• 第二个 Future 中的 ‘Task1 Future 2 不会被 await 阻塞,因为 await 是异步等待(添加到 Event Queue)。所以执行 ‘Task1 Future 2。随后执行 “subTask 1 Future 2,接着取出 await 执行 subTask 2 Future 2

4. Isolate

Dart 为了利用多核 CPU,将 CPU 层面的密集型计算进行了隔离设计,提供了多线程机制,即 Isolate。每个 Isolate 资源隔离,都有自己的 Event Loop 和 Event Queue、Microtask Queue。Isolate 之间的资源共享通过消息机制通信(和进程一样)

使用很简单,创建时需要传递一个参数。

void coding(language) {
  print("hello " + language);
}
void main() {
  Isolate.spawn(coding, "Dart");
}
lbp@MBP  ~/Desktop  dart index.dart
hello Dart

大多数情况下,不仅仅需要并发执行。可能还需要某个 Isolate 运算结束后将结果告诉主 Isolate。可以通过 Isolate 的管道(SendPort)实现消息通信。可以在主 Isolate 中将管道作为参数传递给子 Isolate,当子 Isolate 运算结束后将结果利用这个管道传递给主 Isolate

void coding(SendPort port) {
  const sum = 1 + 2;
  // 给调用方发送结果
  port.send(sum);
}

void main() {
  testIsolate();
}

testIsolate() async {
  ReceivePort receivePort = ReceivePort(); // 创建管道
  Isolate isolate = await Isolate.spawn(coding, receivePort.sendPort); // 创建 Isolate,并传递发送管道作为参数
    // 监听消息
  receivePort.listen((message) {
    print("data: $message");
    receivePort.close();
    isolate?.kill(priority: Isolate.immediate);
    isolate = null;
  });
}
lbp@MBP  ~/Desktop  dart index.dart
data: 3

此外 Flutter 中提供了执行并发计算任务的快捷方式-compute 函数。其内部对 Isolate 的创建和双向通信进行了封装。

实际上,业务开发中使用 compute 的场景很少,比如 JSON 的编解码可以用 compute。

计算阶乘:

int testCompute() async {
  return await compute(syncCalcuateFactorial, 100);
}

int syncCalcuateFactorial(upperBounds) => upperBounds < 2
    ? upperBounds
    : upperBounds * syncCalcuateFactorial(upperBounds • 1);

总结

• Dart 是单线程的,但通过事件循环可以实现异步
• Future 是异步任务的封装,借助于 await 与 async,我们可以通过事件循环实现非阻塞的同步等待
• Isolate 是 Dart 中的多线程,可以实现并发,有自己的事件循环与 Queue,独占资源。Isolate 之间可以通过消息机制进行单向通信,这些传递的消息通过对方的事件循环驱动对方进行异步处理。
• flutter 提供了 CPU 密集运算的 compute 方法,内部封装了 Isolate 和 Isolate 之间的通信
• 事件队列、事件循环的概念在 GUI 系统中非常重要,几乎在前端、Flutter、iOS、Android 甚至是 NodeJS 中都存在。

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