Flutter 面试八股之深入理解 Dart 异步实现机制

为什么写这一篇内容？因为在此之前关于 《面试题里有意思的异步问题》 的文章收到一些「问题」，但是解释这些「问题」并不是“三言两语”就可以说清，所以干脆做一篇完整解析，相信本篇可以帮助你从头到尾理清 Flutter 里 Dart 的完整异步实现。

⚠️本篇内容可能较多，基于 Flutter 3.22+ 和 Dart 3.4+，请耐心品尝。

isolate

如果要解释 Dart 里的异步机制，就不得不提到 isolate(隔离)，基本要全面理解异步，都需要从 isolate 作为入口，因为 Dart VM 中的 Dart 代码都是运行在某个 isolate 里面，比如我们入口的 main 就是运行在 root isolate 里，也是我们 Dart 代码的「主线程」，Dart 代码在一个 isolate 里是「单线程模型」，主要通过事件循环来实现“异步”操作，从开发者使用角度上看，每个 isolate 在一定程度上代表了“一个线程”，当然严格意义上这样的说法是不对的。

isolate & isolate group

说到 isolate ，就不得不「祭出」这张老图，我们先简单解释下一些基础概念：

  • 每个 isolate 会有自己的全局状态（Global State） 、工作线程（mutator thread）和辅助线程（helper thread）
  • isolate 会被分组到 isolate group 里，一个 group 会共享一个 GC managed Heap ，用于存储由 isolate 分配的对象，这里有一个需要注意的是， 同一个 group 内会共享堆。

作为实现并发的对象， isolate 如它名字所言，一个 isolate 就是一个”隔离“，他们之间独立工作，相互隔离，不能共享内存，isolate 之间只能通过 port 来进行交互。

而 isolates group 是在 Dart 2.15 被引入的， isolate groups 中的 isolate 共享正在运行的程序中的各种”内部数据结构“ 。

Dart 2.15 之后，在 isolate groups 中启动额外的 isolate 比之前可以快近 100 倍，因为现在不需要初始化程序结构，并且产生新的 isolate 所需要的内存减少了 10 -100 倍。

Isolate.spawn 可以在同一个 group 内生成一个 isolate， Isolate.spawnUri 启动一个新 group 。

虽然 isolate groups 还是不允许 isolate 之间共享可变对象，但 group 内可以通过共享堆来实现，所以能够解锁更多功能，比如可以将对象从一个 isolate 传递到另一 isolate，不再是只能传递基础类型。

所以关于 isolate 和 isolate group 自身的「基础概念设定」应该理解了，接下来聊聊 isolate 和外部的关系。

isolate & Thread

我们知道 isolate 是可以实现线程操作，但是本质上还是要依赖系统的线程来执行，那OS(系统)线程和 isolate 之间的关系是 1:1 吗？答案是否定的。

简单解释下，OS 线程和 isolate 之间可以确定的关系：

  • 一个 OS 线程一次只能进入一个 isolate，如果想进入另一个 isolate，必须离开当前 isolate
  • 一个 OS 线程每次只和一个 isolate 的 mutator 关联，mutator 线程就是 isolate 执行 Dart 代码的线程

系统线程和 isolate 之间不确定的关系：

  • 同一个 OS 线程可以先进入一个 isolate ，执行 Dart 代码，然后离开这个 isolate 并进入另一个 isolate
  • 不同的 OS 线程可以进入同一个 isolate 并在其中执行 Dart 代码，但不能同时执行

所以 isolate 和 OS 线程肯定不是严格的 1:1 对应，其实在 VM 在内部是用线程池（ThreadPool）来管理 OS 线程，而对于 isolate 来说，它不是一个长期「死循环」在线程上的存在，并且 Dart VM 的代码是围绕 ThreadPool::Task 逻辑来实现而不是 OS 线程。

例如 isolate 内部处理事件循环时，会将 MessageHandlerTask 发送到线程池，然后看此时线程池会选择空闲线程或生成新线程来执行该 Task，线程处理完任务后，可能会接着处理另一个 isolate 的任务，具体看实际情况而定。

所以总结下，所有 Dart 代码都在 isolate 内运行，而不是直接在线程内运行，只是每个 isolate 可以在线程池里去处理事件循环的线程 。

如下图所示，isolate 和线程之间的关系大概如下图所示，虽然这样并不是很严谨，但是也比较好理解。

isolate & Runner

说到 Runner 大家可能也不会模式，比如 Xcode 上项目默认名称就是 Runner ，而 Runner 其实是 Flutter 上的抽象概念，它和 isolate 其实并没有直接关系。

对于 Flutter Engine 而言，它可以往 Runner 里面提交 Task ，所以 Runner 也被叫做 TaskRunner，例如 Flutter 里就有四个 Task Runner（UI、GPU、IO、Platform）。

对于 Flutter Engine 来说，它并不在乎 Task Runner 具体跑在哪个线程，但是对于 Task Runner 来说，一个 Task Runner 最好始终保持在同一线程运行，例如 Android 和 iOS 会为 UI，GPU，IO 分别创建一个线程，其中 UI Task Runner 就是 Dart root isolate，也就是 Dart 主线程。

至于 Platform Runner 其实就是设备平台自己的主线程，移动平台上它属于共享线程，所有 Engine 实例会共享同一个Platform Runner和线程。

所以在 Flutter 里：

  • Engine 里的 Task 被提交到 Runner ，由 Runner 所在的线程去执行
  • isolate 是 Dart VM 管理执行，Flutter Engine 不会直接访问

尽管 Runner 和 isolate 没有直接关系，但是它们直接还是存在“交互”的情况，例如 root isolate 和 UI Runner 。

首先我们知道 UI Runner 就是 Flutter 在 Dart 的 UI 线程，而 root isolate 又是 Dart 代码的主线程，所以很明显， UI Runner 和 root isolate 是在一个线程下。

至于这个结论，如果你想深究，可以在 Flutter Engine 启动流程看到答案，如下图所示是创建 root isolate 的全过程，其中核心的点在于： SetMessageHandlingTaskRunner ：

Engine::Run -> RuntimeController::LaunchRootIsolate -> DartIsolate::CreateRunningRootIsolate -> DartIsolate::CreateRootIsolate -> DartIsolate::CreateDartIsolateGroup -> DartIsolate::InitializeIsolate-> DartIsolate::Initialize -> SetMessageHandlingTaskRunner

对于 root isolate ，它会在被关联到 UITaskRunner ，而 SetMessageHandlingTaskRunner 正是让 root isolate 运行到 UITaskRunner 线程上的关键，如下代码所示，对于 root isolate ，它的任务队列现在是在 UITaskRunner 上运行。

所以 root isolate 和其他 isolate 不同，它没有线程池，所以它的消息队列一直运行在 UI Runner 上， 从这个角度看，Flutter 里 isolate 和 Runner 开始有了“联系”。

而 Dart isolate 和 Flutter Runner 是通过任务调度机制相互协作，例如：

  • root isolate 通过 Dart 调用 C++ ， 把 UI 渲染相关的 Task 提交到 UI Runner 执行
  • UI Runner 也可以通过事件通知调用 isolate

所以 isolate 和 Runner 的关系就很明朗了：isolate 是 Dart VM 的概念，Runner 是 Flutter 的概念，它们理论上互不想干，而 root isolate 会和 UI Runner 共用一个 Thread 。

最后不得不提 background isolate ，在 Flutter 3.7 之前， 只有 root isolate 可以和 Platform Channels 通信，原因通过上面我们也大概理解了，而从Flutter 3.7 开始， Flutter 会通过新增的 BinaryMessenger 来实现非 root isolate 也可以和 Platform Channels 直接通信，当然这里 background isolate 需要和 root isolate 通过 Token 建立关联。

事件队列

前面我们简单介绍过，isolate 是在线程池里去处理事件循环的线程，对于 isolate 来说，它不是一个长期「死循环」在线程上的存在，而是由事件来驱动处理，而有事件自然就有事件队列。

但是在 Dart 里，我们可以把队列类型简单可以分为微任务(MicroTask) 和 事件(Event) 两种。

在 Dart 的队列循环里，首先会考虑处理 MicroTask 队列，如果微任务队列为空，才会转到 Event 队列中，这个机制主要是可以确保 MicroTask 异步操作优先于用户输入等事件。

对于 Flutter 而言：

  • MicroTask 是用来做一些及时和重要的操作，同事我们要保证 MicroTask 队列尽可能短，这个后面说到
  • Event 是用于处理一些常规异步或者用户交互事件，例如当用户与应用交互时，可以创建一个点击事件并将其添加到 Event 队列中

MicroTask 和 Event 最大的区别在于，MicroTask 是需要异步执行但又不由外部事件触发的最小任务模块，后面通过和 Future 的对比，也能体现这一点。

那么关于微任务和事件队列的关系，我们举个例子，如下代码所示，可以看到这里执行了一个 Future 和 一个 Future.microtask 代表一个 Event 和一个 MicroTask，那么它的输出结果会是什么样？

test() async {
    print('starts');
    Future(() => print('This is a new Future'));
    Future.microtask(() => print('This is a micro task'));
    print('ends');
}

如下图所示，可以看到 MicroTask 虽然是后加入的，但是因为它是 MicroTask，所以它会优选于 Event 执行，虽然 Future 和 Future.microtask 是先后被执行，但是它们的 callback 触发存在优先级关系。

那么 MicroTask 优先级更高，为什么我们不更多使用它，而是需要尽量保证它的队列尽可能短？ 这其中和 Flutter 对于 MicroTask 的「定制」有关系。

Flutter 运行时会把 Dart VM 的 _scheduleMicrotask 关联到 Engine ，所以 Dart 的 MicroTask 处理会占用 Engine 的资源。

其次，Flutter Engine 里对于 MicroTask 的「执行实际」也很巧妙，其中：

  • 1、BeginFrame 的时候会触发 MicroTask 执行
  • 2、root isolate 创建时对应会有一个 UIDartState ，它会向 MessageLoop 中添加一个 TaskObserver ，用于在 MessageLoop 过程来消费 Microtask

所以可以看到，如果 Microtask 的队列太长，那么很容易就引起掉帧和卡顿等问题，因为会影响帧绘制和 UI Runner Task 的处理周期。

所以到这里，我们大致理解了 isolate 里面事件队列和微任务的实现，接下来进一步来聊聊它的使用。

Timer

为什么聊完事件队列是聊 Timer ？因为除了 Timer.periodic 等操作之外，其实 Future 和 Future.delayed 事实上其实都是属于 Timer 操作，可以说整个 Dart 开发里的异步行为很多基本都离不开 Timer 。

当然，Future 和 Future.delayed 在底层实现逻辑上还是存在区别，因为它们一个不需要延时，一个需要延时，对这两种情况，Dart 的处理逻辑也是不一样:

  • 对于 Future 这样「不需要定时」（_ZERO_EVENT）的异步事件，它其实是在 Timer 内部就消化了，并不会有其他跨线程操作。
  • 对于 Future.delayed 这种存在「定时」（_TIMEOUT_EVNET）的事件，它就需要依赖 EventHandler 去触发 epoll 操作。

整个流程如下图所示，简单描述下：

  • 1、Timer 创建的时候，会创建一个 SendPort 和 ReceivePort

  • 2、如果是 _ZERO_EVENT 的操作，它在被插入之后，在 _enqueue 时会直接用 SendPort 触发 callback 执行

  • 3、如果是 _TIMEOUT_EVNET 操作，它在被插入之后，在 _enqueue 时需要通过 EventHandler ，把 SendPort 发送到 dart:io 的 C++ Engine 层面，通过 epoll 机制实现定时器触发 SendPort 回调。

01

这里有个注意的地方，那就是 Dart 3.4 开始 eventhandler_android.cc 被移除了，复用了 Linux 的eventhandler_linux.cc ，通过 linux 的 epoll 和 timerfd 来实现定时器任务。

epoll(eventpoll) 是 linux 特有的一个 I/O 事件通知机制，在 Linux 内核下以一个文件系统模块的形式实现， timerfd 这是一种定时器 fd，使用 timerfd_create 创建，到时间点触发可读事件。

另外如果对于定时器的启动感兴趣，可以通过 Flutter 的 DartVM::DartVM 入口调用 BootstrapDartIo 作为入口，从 EventHandler::Start 开始了解。

（这也是挺多人问到的问题）~

另外还有个值得关注的地方，那么就是上面整个 Timer 的流程代码图里，其中 _runnerTimers 执行时，Timer callback 每一个 for 循环都要调用 _runPendingImmediateCallback 去执行 Microtask 队列，所以到这里你发现什么没有？

为什么 scheduleMicrotask 会比 Future 优先级更高，从上面 Timer 的实现也可以看出来 ，因为每个 callback 都要执行下 Microtask ，同时这也是为什么 Timer.periodic 不是一个“可靠”的定时操作的愿意之一，因为对于 VM 而言，定时器的操作是一个「批量处理」，同时还要兼顾 Microtask 存在的可能性，所以在官方的注释里明确说明了：

The exact timing depends on the underlying timer implementation. No more than n callbacks will be made in duration * n time, but the time between two consecutive callbacks can be shorter and longer than duration.

我总觉得，以 Timer 收尾是理解 Dart 异步最好的场景。

最后

最后，如果你看完了本篇，相信你应该已经搞清楚了这些问题：

  • isoate 、Thread、Runner 之间的关系
  • MicroTask 和 Event 的原理与区别
  • 为什么 MicroTask 会更早被执行
  • Future() 和 Future.microtask() 的区别和实现
  • Timer 的实现原理和逻辑

相信从现在开始，你已经是对于 Flutter 和 Dart 的异步实现有了全面的认知，相信再遇到 Flutter 相关的异步面试内容是，一定可以和面试官进行不一样的深入交流。

当然，日常开发中你可能基本不需要了解这些，因此这也是这部分内容一直以来很少也很「稀散」 的原因，对于大部分人而言，可能这些都只是面试才需要的“八股”。

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