Kotlin的協(xié)程和java線程性能的對比

Kotlin的協(xié)程比java線程性能更好更高效？針對這個問題，今天小編總結(jié)這篇有關(guān)Kotlin的協(xié)程和java線程的文章，希望能幫助更多想解決這個問題的朋友找到更加簡單易行的辦法。

一、Kotlin協(xié)程在互聯(lián)網(wǎng)上的主流定義

問題的討論起源于文章《Go語言出現(xiàn)后，Java還是最佳選擇嗎？》，由于之前寫過一段時間Go語言，對Go語言有一定的理解，所以當(dāng)時我看完這篇文章的時候感到疑惑的是Kotlin到底有沒有完整的實(shí)現(xiàn)類似于Go語言中的協(xié)程機(jī)制？如果有，那么顯然沒有必要費(fèi)這么一大段功夫來魔改JVM的實(shí)現(xiàn)。如果沒有，那么網(wǎng)上那一堆堆的博客難道說的都是錯誤的嗎？例如下面百度搜索的結(jié)果：

再比如某個Kotlin的視頻教程（我仔細(xì)觀看了其中關(guān)于協(xié)程部分的講解，與網(wǎng)絡(luò)上流傳的諸如協(xié)程比線程高效是基本一致的）

 Kotlin官方網(wǎng)站中的例子：

這個例子說明用Java開10w個線程很大概率就會OOM了，但是Kotlin開10w個協(xié)程就不會OOM，給人一種Go語言中協(xié)程的感覺。但是真的是這樣么？帶著這個問題，我們進(jìn)行了一番探索，希望下面的內(nèi)容能幫你解開疑惑。

二、JVM中的Thread和OS的Thread的對應(yīng)關(guān)系

要搞清楚協(xié)程，首先要搞清楚線程。我們都知道CPU的每個核心同一時刻只能執(zhí)行一個線程。

因此會帶來一個問題，當(dāng)線程數(shù)量超過CPU的核心數(shù)量的時候怎么辦？當(dāng)然是有的線程先暫停一下，然后讓其他的線程走走，每個線程都有機(jī)會走一下，最終的目標(biāo)就是讓每個線程都執(zhí)行完畢。

對于大部分Java的開發(fā)者來說，JVM都是Oracle提供的，而Android開發(fā)者面對的就是Art了。但是不管是Oracle的JVM還是谷歌Android的Art，對于這種主流的JVM實(shí)現(xiàn)，他們的線程數(shù)量和操作系統(tǒng)中線程的數(shù)量基本都是保持在1:1的。

也就是說只要在Java語言里面每start Thread 一次，JVM中就會多一個Thread，最終就會多一個os級別的線程，在不考慮調(diào)整JVM參數(shù)的情況下，一個Thread所占用的內(nèi)存大小是1mb。最終的JVM的Thread的調(diào)度還是依賴底層的操作系統(tǒng)級別的Thread調(diào)度。只要是依賴了操作系統(tǒng)級別的Thread調(diào)度，那么就不可避免的存在Thread切換帶來的開銷。

每一次Thread的 上下文切換都會帶來開銷，最終結(jié)果就是如果線程過多，那么最終線程執(zhí)行代碼的時間就變少，因?yàn)榇蟛糠值腃PU的時間都消耗在了切換線程上下文上。

這里簡單證明一下，在Java中Thread和OS的Thread 是1:1的關(guān)系:

Start一個線程以后，這里最終是要調(diào)用一個jni方法

jdk 目錄下 /src/share/native/java/lang/ 目錄下查詢Thread.c 文件

start0 方法最終調(diào)用的JVM_StartThread方法. 再看看這個方法。

在hotspot 實(shí)現(xiàn)下（注意不是jdk目錄了）：

/src/share/vm/prims/   下面的 jvm.cpp 文件

找到這個方法：

最終：

繼續(xù)下去就跟平臺有關(guān)了，考慮到Android底層就是Linux，且現(xiàn)在基本服務(wù)器都是部署在Linux環(huán)境下，可以直接在Linux目錄下找對應(yīng)的實(shí)現(xiàn)：也即是在hotspot 下 src/os/linux/vm/os_linux.cpp 中找到該入口。

熟悉Linux的人應(yīng)該知道，pthread_create 函數(shù)就是Linux下創(chuàng)建線程的系統(tǒng)函數(shù)了。這就完整的證明了主流JVM中 Java代碼里Thread和最終對應(yīng)os中的Thread是1:1的關(guān)系。

三、Go語言中的協(xié)程做了什么

再回到協(xié)程，尤其是在Go語言出現(xiàn)以后，協(xié)程在很大程度上可以避免因?yàn)閯?chuàng)建線程過多，最終導(dǎo)致CPU時間片都來做切線程的操作，從而留給線程自己的CPU時間過少的問題。

原因就在于Go語言中提供的協(xié)程在完成我們開發(fā)者需要的并發(fā)任務(wù)的時候， 它的并發(fā)之間的調(diào)度是由Go語言本身完成的，并沒有交給操作系統(tǒng)級別的Thread切換來完成。也就說協(xié)程本質(zhì)上不過是一個個并發(fā)的任務(wù)而已。

在Go語言中，這些并發(fā)的任務(wù)之間相互的調(diào)度都是由Go語言完成，由極少數(shù)的線程來完成n個協(xié)程的并發(fā)任務(wù)，這其中的調(diào)度器并沒有交給操作系統(tǒng)而是交給了自己。

同時在Go中創(chuàng)建一個協(xié)程，也僅僅需要4kb的內(nèi)存而已，這跟OS中創(chuàng)建一個線程所需要的1mb相差甚遠(yuǎn)。

四、Go和Java在實(shí)現(xiàn)并發(fā)任務(wù)上的不同

我們需要注意的是：對于開發(fā)者而言，并不關(guān)心實(shí)現(xiàn)并發(fā)任務(wù)的到底是線程還是進(jìn)程還是協(xié)程或者是什么其他。我們只關(guān)心提交的并發(fā)任務(wù)是否可以完成。

來看一下這段極簡的Java代碼。

package com.wuyue;

public class JavaCode {
    public static void main(String[] args) {

        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    System.out.println("iqoo" + "  " + Thread.currentThread().getName());
                    try {
                        Thread.sleep(3000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }.start();
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    System.out.println("x27" + "  " + Thread.currentThread().getName());
                    try {
                        Thread.sleep(3000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }.start();

    }
}

這個執(zhí)行結(jié)果真的很簡單， 交錯打印的IQOO和x27 分別對應(yīng)著2個獨(dú)立的線程。所以Java 對外提供的并發(fā)能力就是依靠不同的Thread來完成。

簡單來說有多少個并發(fā)任務(wù)，最終反應(yīng)到JVM和OS中就是有多少個Thread來運(yùn)行。然后我們來看看Go語言中協(xié)程是如何完成類似的事情的。

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "strconv"
    "time"

    "golang.org/x/sys/windows"
)

func name(s string) {
    for {
        //為了演示起來方便 我們每個協(xié)程都是相隔一秒才打印，否則命令行中刷起來太快，不好看執(zhí)行過程
        time.Sleep(time.Second)
        str := fmt.Sprint(windows.GetCurrentThreadId())
        var s = "iqoo" + s + " belong thread " + str
        fmt.Println(s)

    }
}

func main() {
    //邏輯cpu數(shù)量為4，代表我這個go程序 有4個p可以使用。每個p都會被分配一個系統(tǒng)線程。
    //這里因?yàn)槲译娔X的cpu是i5 4核心的，所以這里返回的是4. 如果你的機(jī)器是i7 四核心的，那這里返回值就是8了
    //因?yàn)閕ntel的i7 cpu 有超線程技術(shù)，簡單來說就是一個cpu核心 可以同時運(yùn)行2個線程。
    fmt.Println("邏輯cpu數(shù)量:" + strconv.Itoa(runtime.NumCPU()))
    str := fmt.Sprint(windows.GetCurrentThreadId())
    fmt.Println("主協(xié)程所屬線程id =" + str)
    //既然在我機(jī)器上golang默認(rèn)是4個邏輯線程，那我就將同步任務(wù)擴(kuò)大到10個，看看執(zhí)行結(jié)果
    for i := 1; i <= 10; i++ {
        go name(strconv.Itoa(i))
    }
    // 避免程序過快直接結(jié)束
    time.Sleep(100 * time.Second)

}

可以從下圖中看出來，這種交錯的并發(fā)任務(wù)在Go中是可以在一個線程中完成的，也就驗(yàn)證了協(xié)程的并發(fā)能力并不是線程給的，而是交給Go語言本身自己來完成的。

這里要額外注意的是，Go中 有時候會出現(xiàn)協(xié)程遷移的情況（即某個協(xié)程可能一開始在線程id為5的線程跑，過一會又會去線程id為10的線程跑），這與Go的調(diào)度器機(jī)制有關(guān)，此處就不展開Go調(diào)度器這個話題。

只要知道 Go中的多個協(xié)程可以在同一個線程上執(zhí)行并發(fā)任務(wù)即可?？梢岳斫鉃镚o的并發(fā)模型是M（協(xié)程數(shù)）:N（線程數(shù)）。其中M遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N（指數(shù)級的差距）. 這個是所有實(shí)現(xiàn)協(xié)程機(jī)制的語言中共有的特性。

五、Kotlin有類似Go中的協(xié)程能力嗎？

那同樣的需求，用Kotlin-JVM可以來完成嗎？答案是不可以。簡單來說，如果Kotlin-JVM 能提供Go類似的協(xié)程能力，那應(yīng)該能完成如下的需求（但實(shí)際上使用Kotlin語言是無法完成下面的需求的）：

1. N個并發(fā)任務(wù)分別打印不同的字符串。就跟上述Go和Java的例子一樣。

2. 在打印的時候需要打印出所屬的線程id或者線程name，且這id和name要保證一樣。因?yàn)橹挥幸粯?nbsp;才可以證明是在一個線程上完成了并發(fā)任務(wù)，而不是靠JVM的Thread來完成并發(fā)任務(wù)。

六、Kotlin語言中有“鎖”嗎？

我們都知道任何一門現(xiàn)代語言都對外提供了一定的并發(fā)能力，且一般都在語言層面提供了“鎖”的實(shí)現(xiàn)。比如開啟10個線程 對一個int變量 進(jìn)行++操作，要保證打印出來的順序一定得是1,2,3,4...10. 這樣的Java代碼很好寫，一個synchronized關(guān)鍵字就可以，我們看看Go中的協(xié)程是否有類似的能力？

package main

import (
    "fmt"
    "strconv"
    "sync"
    "time"

    "golang.org/x/sys/windows"
)

var Mutex sync.Mutex

var i = 0

func name(s string) {
    Mutex.Lock()
    str := fmt.Sprint(windows.GetCurrentThreadId())
    fmt.Println("i==" + strconv.Itoa(i) + "  belong thread id " + str)
    i++
    defer Mutex.Unlock()

}

func main() {
    for i := 1; i <= 10; i++ {
        go name(strconv.Itoa(i))
    }
    // 避免程序過快直接結(jié)束
    time.Sleep(100 * time.Second)

}

執(zhí)行結(jié)果很清楚的可以看到，Go中的協(xié)程也是有完整的鎖實(shí)現(xiàn)的。那么Kotlin-JVM的協(xié)程有沒有類似的鎖的實(shí)現(xiàn)呢？經(jīng)過一番搜索，我們首先看看這個Kotlin官方論壇中的討論https://discuss.kotlinlang.org/t/concurrency-in-kotlin/858

這里要提一下的是，很多人都以為Kotlin是谷歌出的，是谷歌的親兒子，實(shí)際上這是一種錯誤的想法。Kotlin是JB Team的產(chǎn)物，并不是谷歌親自操刀開發(fā)的，最多算是個谷歌的干兒子。這個JB Team 很多人應(yīng)該知道，是IDEA的開發(fā)團(tuán)隊(duì)Android Studio也是脫胎自 IDEA。  

關(guān)于這個討論，JB Team的意思是說 Kotlin 在自己的語言級別并沒有實(shí)現(xiàn)一種同步機(jī)制，還是依靠的 Kotlin-JVM中的 Java關(guān)鍵字。尤其是synchronized。既然并發(fā)的機(jī)制都是依靠的JVM中的sync或者是lock來保證，為何稱之為自己是協(xié)程的？

我們知道在主流JVM的實(shí)現(xiàn)中，是沒有協(xié)程的，實(shí)際上JVM也不知道上層的JVM語言到底是啥，反正JVM只認(rèn)class文件，至于這個class文件是Java編譯出來的，還是Kotlin編譯出來的，或是如groovy等其他語言，那都不重要，JVM不需要知道。

基于這個討論 我們可以確定的是，Kotlin語言沒有提供鎖的關(guān)鍵字，所有的鎖實(shí)現(xiàn)都交給了JVM自己處理。其實(shí)就是交給線程來處理了。也就是說，雖然 Kotlin-JVM 聲稱自己是協(xié)程，但實(shí)際上干活的還是JVM中Thread那一套東西。

寫一個簡單的代碼驗(yàn)證一下，簡單寫一個Kotlin的類，因?yàn)镵otlin本身沒有提供同步的關(guān)鍵字，所以這里就用Kotlin官方提供的sync注解。

class PrintTest {
    @Synchronized fun print(){
        println("hello world")
    }

    @Synchronized fun print2(){
        println("hello world")
    }
}

然后我們反編譯看看這個東西到底是啥。

七、Kotlin未來會支持真協(xié)程嗎？

到了這里，是否說Kotlin 完全是不支持協(xié)程的呢？我認(rèn)為這種說法也是不準(zhǔn)確的，只能說Kotlin-JVM 這個組合是不支持協(xié)程的。例如我們在IDEA中新建Kotlin工程的時候。

可以看出來，這里是有選項(xiàng)的，上述的驗(yàn)證，我們只驗(yàn)證了 Kotlin-JVM 是不支持協(xié)程的。那么有沒有一種Kotlin-x 的東西是支持協(xié)程的呢？答案是還真可能有。具體參見官方文檔中Kotlin-Native 平臺對 并發(fā)能力的描述：

https://kotlinlang.org/docs/reference/native/concurrency.html（Kotlin-native平臺就是直接將Kotlin-native編譯成對應(yīng)平臺的可執(zhí)行文件也就是機(jī)器碼，并不需要類似于JVM這樣的虛擬機(jī)了）。

我大概翻譯一下其中的幾個要點(diǎn)：Kotlin-Native的并發(fā)能力不鼓勵使用帶有互斥代碼塊和條件變量的經(jīng)典的面向線程的并發(fā)模型，因?yàn)樵撃Ｐ腿菀壮鲥e且不可靠。開篇的這句話直接diss的就是JVM的并發(fā)模型。然后繼續(xù)往下看還有驚喜：

注意看第一句話，意思就是Kotlin-native提供了一種worker的機(jī)制 來替代線程。目前來看能替代線程的東西也就只有協(xié)程了。也就是說起碼在Kotlin-native這個平臺上，Kotlin是真的想提供協(xié)程能力的。目前Kotlin-Native并沒有正式發(fā)布，我們在idea上新建Kotlin工程的時候并沒有看到有Kotlin-Native這個選項(xiàng)。且Kotlin-Native目前僅支持linux和mac平臺，不支持windows。有興趣且有條件的同學(xué)可以自行搜索Kotlin-Native的編譯方法。

八、主流JVM有計(jì)劃支持協(xié)程嗎？

經(jīng)過前文的分析，我們知道至少目前來看主流的JVM實(shí)現(xiàn)中是沒有協(xié)程的實(shí)現(xiàn)的。但是已經(jīng)有不少團(tuán)隊(duì)在朝著這方面努力，比如說 quasar這個庫，利用字節(jié)碼注入的方法可以實(shí)現(xiàn)協(xié)程的效果。

在這個作者加入Oracle之前，OPENJDK也一直在往協(xié)程上努力，項(xiàng)目名loom，這個應(yīng)該是開源社區(qū)中一直在做的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)程實(shí)現(xiàn)了。此外在生產(chǎn)環(huán)境中已經(jīng)協(xié)程上線的效果可以看文章《重塑云上的 Java 語言》。

九、Kotlin中的協(xié)程到底是啥？

那么既然證明了，Kotlin-JVM中的協(xié)程并不是真協(xié)程，那么這個東西到底是什么，應(yīng)該怎么用？

個人理解Kotlin-JVM的線程應(yīng)該就僅僅是針對Java中的Thread做了一次更友好的封裝。讓我們更方便的使用Java中的線程才是Kotlin-JVM中的協(xié)程的真正目的。

本質(zhì)上和Handler，AsyncTask，RxJava 基本是一致的。只不過Kotlin中的協(xié)程比他們更方便一些。這其中最核心的是suspend這個Kotlin協(xié)程中的關(guān)鍵字。

class MainActivity : AppCompatActivity() {

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_main)
        GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) {
            getInfo()
            getInfoNoContext()
            Log.v("wuyue", "我又切回來了 in thread " + Thread.currentThread().name)
        }
    }

    /**
     * 掛起就是切換線程 沒其他作用，最多就是切到其他線程以后還可以自動切回來，避免過多的callback
     * 所有被suspend標(biāo)記的函數(shù) 要么在協(xié)程里被調(diào)用，要么在其他掛起函數(shù)里被調(diào)用，否則就無法實(shí)現(xiàn)
     * 切走以后又可以切回來的效果
     */
    suspend fun getInfo() {
        /**
         * withContext掛起函數(shù) 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了掛起的流程，suspend其實(shí)并沒有這個功能
         * kotlin中有很多掛起函數(shù)，withContext 應(yīng)該是最常用的
         */
        withContext(Dispatchers.IO) {
            Log.v("wuyue", "getInfo in thread " + Thread.currentThread().name)
        }
    }

    /**
     * 這個函數(shù) 雖然用suspend標(biāo)記 但是并沒有 用withContext 指定掛起，
     * 所以是沒辦法實(shí)現(xiàn)切線程的作用的，自然而然也就無法實(shí)現(xiàn) 所謂的掛起了
     * 個人理解這個suspend關(guān)鍵字的作用就是提醒 調(diào)用者注意 你如果調(diào)用的是一個被suspend標(biāo)記的函數(shù)
     * 那么一定要注意 這個函數(shù)可能是一個后臺任務(wù)，是一個耗時的操作，你需要在一個協(xié)程里使用他。
     * 如果不在協(xié)程里使用，那么kotlin的編譯 就會直接報錯了。
     *
     *
     * 這點(diǎn)其實(shí)對于android來講還是很有用的，你所有認(rèn)為耗時的操作都可以用suspend來標(biāo)記，然后在內(nèi)部指定
     * 這個協(xié)程的thread 為 io thread， 如果調(diào)用者沒有用launch來 call 這個方法，那么編譯就報錯。
     * 自然而然就避免了很多 主線程操作io的問題
     *
     */
    suspend fun getInfoNoContext() {
        Log.v("wuyue", "getInfoNoContext in thread " + Thread.currentThread().name)
    }

}

這段代碼很簡單，可以多看一下注釋。很多人都會被所謂Kotlin協(xié)程的非阻塞式嚇到，其實(shí)你就理解成Kotlin中所宣傳的非阻塞式，無非是用阻塞的寫法來完成非阻塞的任務(wù)而已。

試想一下，我們上述Kotlin中的代碼 如果用Thread來寫，就會比較麻煩了，甚至還需要用到回調(diào)（如果你不用handler的話）。這一點(diǎn)上Kotlin 協(xié)程的作用和RxJava其實(shí)是一致的，只不過Kotlin做的更徹底，比RxJava更優(yōu)雅更方便更簡潔。

考慮一種稍微復(fù)雜的場景，某個頁面需要2個接口都返回以后才能刷新展示，此種需求，如果用原生的Java concurrent并發(fā)包是可以做的，但是比較麻煩，要考慮各種異常帶來的問題。

比較好的實(shí)現(xiàn)方式是用RxJava的zip操作符來做，在有了Kotlin以后，如果利用Kotlin，這段代碼甚至?xí)葄ip操作符還要簡單。例如：

class MainActivity : AppCompatActivity() {

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_main)
        GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) {
            Log.v("wuyue", "time 1==" + System.currentTimeMillis())
            val sum = withContext(Dispatchers.IO) {
                val requestA = async { requestA() }
                val requestB = async { requestB() }
                requestA.await() +"_____" +requestB.await()
            }
            Log.v("wuyue", "time 2==" + System.currentTimeMillis() + " get sum=" + sum)
        }
    }

    /**
     * 3s以后 才拿到請求結(jié)果 IQOO
     */
    fun requestA(): String {
        sleep(3 * 1000)
        Log.v("wuyue", "requestA in " + Thread.currentThread().name)
        return "IQOO"
    }

    /**
     * 5秒以后拿到請求結(jié)果 B
     */
    fun requestB(): String {
        sleep(5 * 1000)
        Log.v("wuyue", "requestB in " + Thread.currentThread().name)
        return "X27"
    }

}

可以看出來，我們的2個請求分別在不一樣的Thread中完成，并且回調(diào)到主線程的時機(jī)也差不多花了5s的時間，證明這2個request是并行請求的。

十、總結(jié)

1.  Kotlin-JVM中所謂的協(xié)程是假協(xié)程，本質(zhì)上還是一套基于原生Java Thread API 的封裝。和Go中的協(xié)程完全不是一個東西，不要混淆,更談不上什么性能更好。

2.   Kotlin-JVM中所謂的協(xié)程掛起，就是開啟了一個子線程去執(zhí)行任務(wù)（不會阻塞原先Thread的執(zhí)行，要理解對于CPU來說，在宏觀上每個線程得到執(zhí)行的概率都是相等的），僅此而已，沒有什么其他高深的東西。

3.   Kotlin-Native是有機(jī)會實(shí)現(xiàn)完整真協(xié)程方案的。雖然我個人不認(rèn)為JB TEAM 在這方面能比Go做的更好，所以這個項(xiàng)目意義并不是很大。

4.   Kotlin-JVM中的協(xié)程最大的價值是寫起來比RxJava的線程切換還要方便。幾乎就是用阻塞的寫法來完成非阻塞的任務(wù)。

5.   對于Java來說，不管你用什么方法，只要你沒有魔改JVM，那么最終你代碼里start幾個線程，操作系統(tǒng)就會創(chuàng)建幾個線程，是1比1的關(guān)系。

6.   OpenJDK正在做JVM的協(xié)程實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目名稱為loom，有興趣的同學(xué)可以查看對應(yīng)資料。

7.   Kotlin官網(wǎng)中那個創(chuàng)建10w個Kotlin協(xié)程沒有oom的例子其實(shí)有誤導(dǎo)性，本質(zhì)上那10w個Kotlin協(xié)程就是10w個并發(fā)任務(wù)僅此而已，他下面運(yùn)行的就是一個單線程的線程池。你往一個線程池里面丟多少個任務(wù)都不會OOM的（前提是你的線程池創(chuàng)建的時候設(shè)定了對應(yīng)的拒絕策略，否則***隊(duì)列下，任務(wù)過多一定會OOM），因?yàn)樵谶\(yùn)行的始終是那幾個線程。

看完上述內(nèi)容，你們對Kotlin的協(xié)程有進(jìn)一步的了解嗎？如果還想學(xué)到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀。