协程原理

June 30, 2025

Kotlin协程的本质是通过状态机管理挂起点，由编译器进行CPS变换实现的轻量级并发抽象。其核心原理和状态推进机制如下：

核心原理

1. 挂起函数

用suspend修饰的函数
编译器会将其编译为状态机代码(而非阻塞线程)，支持在任意位置挂起/恢复

2. 续体

类似回调的接口Continuation<T>，其关键方法是resumeWith(result)
协程的每一步执行都依附于一个续体对象，存储当前执行状态和上下文

3. 状态机转换

编译器将挂起函数拆解成一个状态机（通过label标记状态）
每个挂起点对应一个状态迁移

状态推进流程

以下代码展示状态机的运作：

suspend fun fetchData(): String {
  val data1 = fetchPart1()  //挂起点1
  val data2 = fetchPart2()  //挂起点2
  return data1 + data2
}

编译器转换后（伪代码）

class FetchDataStateMachine(
	val completion: Continuation<String>,
  var label: Int = 0
) : Continuation<Unit> {
  var data1: String? = null
  var data2: String? = null
  
  override fun resumeWith(result: Result<Any?>) {
    when(label) {
      0 -> {
        label = 1
        fetchPart1(this)
      }
      1 -> {
        data1 = result.getOrThrow() as String
        label = 2
        fetchPart2(this)
      }
      2 -> {
        data2 = result.getOrThrow() as String
        completion.resumeWith(data1 + data2)	//返回最终结果
      }
    }
  }
}

关键机制

1. 挂起不阻塞线程：

协程挂起时，底层线程立即释放（例如返回到线程池），避免资源浪费
异步操作完成后，任务被派发到合适的线程继续执行（通过Dispatcher）

2.续体传递风格

挂起函数被编译为接受额外Continuation参数的函数
例如suspend fun foo() → fun foo(continuation: Continuation)

3. 协程上下文（CoroutineContext）

通过CoroutineContext传递调度器、异常处理器等。
状态机中通过Continuation.context获取当前上下文

4. 结构化并发

协程树通过父-子关系管理生命周期
父协程取消时，自动取消所有子协程

状态推进

在FetchDataStateMachine的resumeWith中并没有循环，label的状态是如何推进的呢？实际上状态推进是通过递归链式调用与间接跳转实现的。

1. 单次触发模型

每次resumeWith被调用时只处理当前状态
通过更新label值标记下一步状态
不立即处理后续状态，而是等待下一次恢复

label = 2  //只标记下一步状态，不立即执行
fetchPart2(this)  //触发异步操作（挂起），this就是FetchDataStateMachine，其是Continuation，可通过this调用resumeWith

2. 链式递归唤醒

每个异步操作完成时，都会重新调用resumeWith
每调用一次，就会处理当前状态并设置下一次状态

resumeWith(结果) → 处理当前状态
      ↑               ↓
  异步完成          设置下一状态
      ↑             
  恢复执行

3. 状态变量持久化

状态机对象在挂起期间持续存在（堆内存）
成员变量(data1, label)保存中间状态
每次恢复时从正确状态继续执行

4. 编译器优化技巧

尾递归优化：编译器会将状态处理转为循环
状态折叠：合并可优化状态减少跳转次数
内联状态：简单状态机转为switch跳转表

对挂起的理解

协程挂机：在挂起点暂停当前的同步代码，转而去执行消息队列的runnable；这样就是我对挂起的理解，也就是让出线程