破解 Kotlin 协程(11) - Flow 篇-原创手记-慕课网

Flow 就是 Kotlin 协程与响应式编程模型结合的产物，你会发现它与 RxJava 非常像，二者之间也有相互转换的 API，使用起来非常方便。

随着 RxJava 的流行，响应式编程模型逐步深入人心。Flow 就是 Kotlin 协程与响应式编程模型结合的产物。

本文基于 Kotlinx.coroutines 1.3.3，由于部分功能尚处于实验阶段，后续也可能会发生细微的调整。

认识 Flow

介绍 Flow 之前，我们先来回顾下序列生成器：

代码清单1：序列生成器

val ints = sequence {
  (1..3).forEach { 
    yield(it)
  }  
}

每次访问 ints 的下一个元素的时候它就执行内部的逻辑直到遇到 yield，如果我希望在元素之间加个延时呢？

代码清单2：序列生成器中不能调用其他挂起函数

val ints = sequence {
  (1..3).forEach { 
    yield(it)
    delay(1000) // ERROR!
  }  
}

受 RestrictsSuspension 注解的约束，delay 不能在 SequenceScope 的扩展成员当中被调用，因而不能在序列生成器的协程体内调用了。

假设序列生成器不受这个限制，调用 delay 会导致后续的执行流程的线程发生变化，外部的调用者发现在访问 ints 的下一个元素的时候居然还会有切换线程的副作用，这个是不是算一个“惊喜”呢？不仅如此，我想通过指定调度器来限定序列创建所在的线程，同样是不可以的，我们甚至没有办法为它设置协程上下文。

既然序列生成器有这么多限制，那我们是时候需要认识一下 Flow 了。它的 API 与序列生成器极为相似：

代码清单3：创建 Flow

val intFlow = flow {
  (1..3).forEach { 
    emit(it)
    delay(100)
  }
}

新元素通过 emit 函数提供，Flow 的执行体内部也可以调用其他挂起函数，这样我们就可以在每次提供一个新元素后再延时 100ms 了。

Flow 也可以设定它运行时所使用的调度器：

intFlow.flowOn(Dispatchers.IO)

通过 flowOn 设置的调度器只对它之前的操作有影响，因此这里意味着 intFlow 的构造逻辑会在 IO 调度器上执行。

最终消费 intFlow 需要调用 collect 函数，这个函数也是一个挂起函数，我们启动一个协程来消费 intFlow：

代码清单4：消费 Flow

GlobalScope.launch(myDispatcher) {
  intFlow.flowOn(Dispatchers.IO)
    .collect { println(it) }
}.join()

为了区分调度器，我们为协程设置了一个自定义的调度器，它会将协程调度到名叫 MyThread 的线程上，结果如下：

[MyThread] 1
[MyThread] 2
[MyThread] 3

对比 RxJava 的线程切换

RxJava 也是一个基于响应式编程模型的异步框架，它提供了两个切换调度器的 API 分别是 subscribeOn 和 observeOn：

代码清单5：RxJava 的调度器切换

Observable.create<Int> {
  (1..3).forEach { e ->
    it.onNext(e)
  }
  it.onComplete()
}.subscribeOn(Schedulers.io())
.observeOn(Schedulers.from(myExecutor))
.subscribe {
  println(it)
}

其中 subscribeOn 指定的调度器影响前面的逻辑，observeOn 影响的是后面的逻辑，因此 it.onNext(e) 执行在它的 io 这个调度器上，而最后的 println(it) 执行在通过 myExecutor 创建出来的调度器上。

Flow 的调度器 API 中看似只有 flowOn 与 subscribeOn 对应，其实不然， collect 所在协程的调度器则与 observeOn 指定的调度器对应。

在 RxJava 的学习和使用过程中， subscribeOn 和 observeOn 经常容易被混淆；而在 Flow 当中 collect 所在的协程自然就是观察者，它想运行在什么调度器上它自己指定即可，非常容易区分。

冷数据流

一个 Flow 创建出来之后，不消费则不生产，多次消费则多次生产，生产和消费总是相对应的。

代码清单6：Flow 可以被重复消费

GlobalScope.launch(dispatcher) {
  intFlow.collect { println(it) }
  intFlow.collect { println(it) }
}.join()

intFlow 就是本节最开始我们创建的 Flow，消费它会输出 1,2,3，重复消费它会重复输出 1,2,3。

这一点其实类似于我们前面提到的 sequence 和 RxJava 例子，它们也都有自己的消费端。我们创建一个序列然后去迭代它，每次迭代都会创建一个新的迭代器从头开始迭代；RxJava 的 Observable 也是如此，每次调用它的 subscribe 都会重新消费一次。

所谓冷数据流，就是只有消费时才会生产的数据流，这一点与 Channel 正对应：Channel 的发送端并不依赖于接收端。

说明 RxJava 也存在热数据流，可以通过一定的手段实现冷热数据流的转化。不过相比之下，冷数据流的应用场景更为丰富。

异常处理

Flow 的异常处理也比较直接，直接调用 catch 函数即可：

代码清单7：捕获 Flow 的异常

flow {
  emit(1)
  throw ArithmeticException("Div 0")
}.catch { t: Throwable ->
  println("caught error: $t")
}

我们在 Flow 的参数中抛了一个异常，在 catch 函数中就可以直接捕获到这个异常。如果没有调用 catch 函数，未捕获异常会在消费时抛出。请注意，catch 函数只能捕获它的上游的异常。

如果我们想要在流完成时执行逻辑，可以使用 onCompletion：

代码清单8：订阅流的完成

flow {
  emit(1)
  throw ArithmeticException("Div 0")
}.catch { t: Throwable ->
  println("caught error: $t")
}.onCompletion { t: Throwable? ->
  println("finally.")
}

onCompletion 用起来比较类似于 try ... catch ... finally 中的 finally，无论前面是否存在异常，它都会被调用，参数 t 则是前面未捕获的异常。

Flow 的设计初衷是希望确保流操作中异常透明。因此，以下写法是违反 Flow 的设计原则的：

代码清单9：命令式的异常处理（不推荐）

flow { 
  try {
    emit(1)
    throw ArithmeticException("Div 0")
  } catch (t: Throwable){
    println("caught error: $t")
  } finally {
    println("finally.")
  }
}

在流操作内部使用 try ... catch ... finally 这样的写法后续可能被禁用。

在 RxJava 当中还有 onErrorReturn 类似的操作：

代码清单10：RxJava 从异常中恢复

val observable = Observable.create<Int> {
  ...
}.onErrorReturn {
  println(t)
  10
}

捕获异常后，返回 10 作为下一个值。

我们在 Flow 当中也可以模拟这样的操作：

代码清单11：Flow 从异常中恢复

flow {
  emit(1)
  throw ArithmeticException("Div 0")
}.catch { t: Throwable ->
  println("caught error: $t")
  emit(10)
}

这里我们可以使用 emit 重新生产新元素出来。细心的读者一定会发现，emit 定义在 FlowCollector 当中，因此只要遇到 Receiver 为 FlowCollector 的函数，我们就可以生产新元素。

说明 onCompletion 预计在协程框架的 1.4 版本中会被重新设计，之后它的作用类似于 RxJava 中 Subscriber 的 onComplete，即作为整个 Flow 的完成回调使用，回调的参数也将包含整个 Flow 的未捕获异常，参见 GitHub Issue：Breaking change: Experimental Flow.onCompletion contract for cause #1732。

末端操作符

前面的例子当中，我们用 collect 消费 Flow 的数据。collect 是最基本的末端操作符，功能与 RxJava 的 subscribe 类似。除了 collect 之外，还有其他常见的末端操作符，大体分为两类：

集合类型转换操作，包括 toList、toSet 等。
聚合操作，包括将 Flow 规约到单值的 reduce、fold 等操作，以及获得单个元素的操作包括 single、singleOrNull、first 等。

实际上，识别是否为末端操作符，还有一个简单方法，由于 Flow 的消费端一定需要运行在协程当中，因此末端操作符都是挂起函数。

分离 flow 的消费和触发

我们除了可以在 collect 处消费 Flow 的元素以外，还可以通过 onEach 来做到这一点。这样消费的具体操作就不需要与末端操作符放到一起，collect 函数可以放到其他任意位置调用，例如：

代码清单12：分离 Flow 的消费和触发

fun createFlow() = flow<Int> {
    (1..3).forEach {
      emit(it)
      delay(100)
    }
  }.onEach { println(it) }

fun main(){
  GlobalScope.launch {
    createFlow().collect()
  }
}

由此，我们又可以衍生出一种新的消费 Flow 的写法：

代码清单13：使用协程作用域直接触发 Flow

fun main(){
  createFlow().launchIn(GlobalScope)
}

其中 launchIn 函数只接收一个 CoroutineScope 类型的参数。

Flow 的取消

Flow 没有提供取消操作，原因很简单：不需要。

我们前面已经介绍了 Flow 的消费依赖于 collect 这样的末端操作符，而它们又必须在协程当中调用，因此 Flow 的取消主要依赖于末端操作符所在的协程的状态。

代码清单14：Flow 的取消

val job = GlobalScope.launch {
  val intFlow = flow {
    (1..3).forEach {
      delay(1000)
      emit(it)
    }
  }

  intFlow.collect { println(it) }
}

delay(2500)
job.cancelAndJoin()

每隔 1000ms 生产一个元素，2500ms 以后协程被取消，因此最后一个元素生产前 Flow 就已经被取消，输出为：

1
▶ 1000ms later
2

如此看来，想要取消 Flow 只需要取消它所在的协程即可。

其他 Flow 的创建方式

我们已经知道了 flow { ... } 这种形式的创建方式，不过在这当中无法随意切换调度器，这是因为 emit 函数不是线程安全的：

代码清单15：不能在 Flow 中直接切换调度器

flow { // BAD!!
  emit(1)
  withContext(Dispatchers.IO){
    emit(2)
  }
}

想要在生成元素时切换调度器，就必须使用 channelFlow 函数来创建 Flow：

channelFlow {
  send(1)
  withContext(Dispatchers.IO) {
    send(2)
  }
}

此外，我们也可以通过集合框架来创建 Flow：

listOf(1, 2, 3, 4).asFlow()
setOf(1, 2, 3, 4).asFlow()
flowOf(1, 2, 3, 4)

Flow 的背压

只要是响应式编程，就一定会有背压问题，我们先来看看背压究竟是什么。

背压问题在生产者的生产速率高于消费者的处理速率的情况下出现。为了保证数据不丢失，我们也会考虑添加缓存来缓解问题：

代码清单16：为 Flow 添加缓冲

flow {
  List(100) {
    emit(it)
  }
}.buffer()

我们也可以为 buffer 指定一个容量。不过，如果我们只是单纯地添加缓存，而不是从根本上解决问题就始终会造成数据积压。

问题产生的根本原因是生产和消费速率的不匹配，除直接优化消费者的性能以外，我们也可以采取一些取舍的手段。

第一种是 conflate。与 Channel 的 Conflate 模式一致，新数据会覆盖老数据，例如：

代码清单17：使用 conflate 解决背压问题

flow {
  List(100) {
    emit(it)
  }
}.conflate()
.collect { value ->
  println("Collecting $value")
  delay(100) 
  println("$value collected")
}

我们快速地发送了 100 个元素，最后接收到的只有两个，当然这个结果每次都不一定一样：

Collecting 1
1 collected
Collecting 99
99 collected

第二种是 collectLatest。顾名思义，只处理最新的数据，这看上去似乎与 conflate 没有区别，其实区别大了：它并不会直接用新数据覆盖老数据，而是每一个都会被处理，只不过如果前一个还没被处理完后一个就来了的话，处理前一个数据的逻辑就会被取消。

还是前面的例子，我们稍作修改：

代码清单18：使用 collectLatest 解决背压问题

flow {
  List(100) {
    emit(it)
  }
}.collectLatest { value ->
  println("Collecting $value")
  delay(100)
  println("$value collected")
}

运行结果如下：

Collecting 0
Collecting 1
...
Collecting 97
Collecting 98
Collecting 99
▶ 100ms later
99 collected

前面的 Collecting 输出了 0 ~ 99 的所有结果，而 collected 却只有 99，因为后面的数据到达时，处理上一个数据的操作正好被挂起了（请注意delay(100)）。

除 collectLatest 之外还有 mapLatest、flatMapLatest 等等，都是这个作用。

Flow 的变换

我们已经对集合框架的变换非常熟悉了，Flow 看上去极其类似于这样的数据结构，这一点与 RxJava 的 Observable 的表现也基本一致。

例如我们可以使用 map 来变换 Flow 的数据：

代码清单19：Flow 的元素变换

flow {
  List(5){ emit(it) } 
}.map { 
  it * 2
}

也可以映射成其他 Flow：

代码清单20：Flow 的嵌套

flow {
  List(5){ emit(it) } 
}.map {
  flow { List(it) { emit(it) } }
}

这实际上得到的是一个数据类型为 Flow 的 Flow，如果希望将它们拼接起来，可以使用 flattenConcat：

代码清单21：拼接 Flow

flow {
  List(5){ emit(it) } 
}.map {
  flow { List(it) { emit(it) } }
}.flattenConcat()
  .collect { println(it) }

拼接的操作中 flattenConcat 是按顺序拼接的，结果的顺序仍然是生产时的顺序；还有一个是 flattenMerge，它会并发拼接，因此结果不会保证顺序。

使用 Flow 实现多路复用

多数情况下，我们可以通过构造合适的 Flow 来实现多路复用的效果。

上一篇文章破解 Kotlin 协程(10) - Select 篇中对 await 的复用我们可以用 Flow 实现如下：

代码清单22：使用 Flow 实现对 await 的多路复用

coroutineScope {
  val login = "..."
  listOf(::getUserFromApi, ::getUserFromLocal) ... ①
    .map { function ->
      function.call(login) ... ②
    }
    .map { deferred ->
      flow { emit(deferred.await()) } ... ③
    }
    .merge() ... ④
    .onEach { user ->
      println("Result: $user")
    }.launchIn(this)
}

这其中，① 处用创建了两个函数引用组成的 List；② 处调用它们得到 deferred；③ 处比较关键，对于每一个 deferred 我们创建一个单独的 Flow，并在 Flow 内部发送 deferred.await() 返回的结果，即返回的 User 对象；现在我们有了两个 Flow 实例，我们需要将它们整合成一个 Flow 进行处理，调用 merge 函数即可。

图1：使用 merge 合并 Flow

同样的，对 Channel 的读取复用的场景也可以使用 Flow 来完成。对照破解 Kotlin 协程(10) - Select 篇，我们给出 Flow 的实现版本：

代码清单23：使用 Flow 实现对 Channel 的复用

val channels = List(10) { Channel<Int>() }
...
val result = channels.map {
    it.consumeAsFlow()
  }
  .merge()
  .first()

这比 select 的版本看上去要更简洁明了，每个 Channel 都通过 consumeAsFlow 函数被映射成 Flow，再 merge 成一个 Flow，取第一个元素。

小结

Flow 是协程当中比较重要的异步工具，它的用法与其他类似的响应式编程框架非常相近，大家可以采取类比的学习方式去了解它的功能。

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