前言
Flutter单例模式
问题示例
解决办法
Flutter任务队列
问题示例
解决办法
总结
前言Flutter 是单线程架构，按道理理说，Flutter 不会出现 Java 的多线程相关的问题。
但在我使用 Flutter 过程中，却发现 Flutter 依然会存在数据操作原子性的问题。
Flutter单例模式其实 Flutter 中存在多线程的（Isolate 隔离池），只是 Flutter 中的多线程更像 Java 中的多进程，因为 Flutter 中线程不能像 Java 一样，可以两个线程去操作同一个对象。
我们一般将计算任务放在 Flutter 单独的线程中，例如一大段 Json 数据的解析，可以将解析计算放在单独的线程中，然后将解析完后的 Map<String, dynamic> 返回到主线程来用。
在 Java 中，我们一般喜欢用单例模式来理解 Java 多线程问题。这里我们也以单例来举例，我们先来一个正常的：
class FlutterSingleton {
static FlutterSingleton? _instance;
/// 将构造方法声明成私有的
FlutterSingleton._();
static FlutterSingleton getInstance() {
if (_instance == null) {
_instance = FlutterSingleton._();
}
return _instance!;
}
}
由于 Flutter 是单线程架构的, 所以上述代码是没有问题的。
问题示例但是, 和 Java 不同的是, Flutter 中存在异步方法。
做 App 开发肯定会涉及到数据持久化，Android 开发应该都熟悉 SharedPreferences，Flutter 中也存在 SharedPreferences 库，我们就以此来举例。同样实现单例模式，只是这次无可避免的需要使用 Flutter 中的异步：
class SPSingleton {
static SPSingleton? _instance;
String? data;
/// 将构造方法声明成私有的
SPSingleton._fromMap(Map<String, dynamic> map) : data = map['data'];
static Future<SPSingleton> _fromSharedPreferences() async {
// 模拟从 SharedPreferences 中读取数据, 并以此来初始化当前对象
Map<String, String> map = {'data': 'mockData'};
await Future.delayed(Duration(milliseconds: 10));
return SPSingleton._fromMap(map);
}
static Future<SPSingleton> getInstance() async {
if (_instance == null) {
_instance = await SPSingleton._fromSharedPreferences();
}
return _instance!;
}
}
void main() async {
SPSingleton.getInstance().then((value) {
print('instance1.hashcode = ${value.hashCode}');
});
SPSingleton.getInstance().then((value) {
print('instance2.hashcode = ${value.hashCode}');
});
}
运行上面的代码，打印日志如下：
instance1.hashcode = 428834223
instance2.hashcode = 324692380
可以发现，我们两次调用 SPSingleton.getInstance() 方法，分别创建了两个对象，说明上面的单例模式实现有问题。
我们来分析一下 getInstance() 方法：
static Future<SPSingleton> getInstance() async {
if (_instance == null) { // 1
_instance = await SPSingleton._fromSharedPreferences(); //2
}
return _instance!;
}
当第一次调用 getInstance() 方法时，代码在运行到 1 处时，发现 _instance 为 null, 就会进入 if 语句里面执行 2 处, 并因为 await 关键字挂起, 并交出代码的执行权, 直到被 await 的 Future 执行完毕，最后将创建的 SPSingleton 对象赋值给 _instance 并返回。
当第二次调用 getInstance() 方法时，代码在运行到 1 处时，可能会发现 _instance 还是为 null (因为 await SPSingleton._fromSharedPreferences() 需要 10ms 才能返回结果), 然后和第一次调用 getInstance() 方法类似, 创建新的 SPSingleton 对象赋值给 _instance。
最后导致两次调用 getInstance() 方法, 分别创建了两个对象。
解决办法问题原因知道了，那么该怎样解决这个问题呢？
究其本质，就是 getInstance() 方法的执行不具有原子性，即：在一次 getInstance() 方法执行结束前，不能执行下一次 getInstance() 方法。
幸运的是, 我们可以借助 Completer 来将异步操作原子化，下面是借助 Completer 改造后的代码：
import 'dart:async';
class SPSingleton {
static SPSingleton? _instance;
static Completer<bool>? _monitor;
String? data;
/// 将构造方法声明成私有的
SPSingleton._fromMap(Map<String, dynamic> map) : data = map['data'];
static Future<SPSingleton> _fromSharedPreferences() async {
// 模拟从 SharedPreferences 中读取数据, 并以此来初始化当前对象
Map<String, String> map = {'data': 'mockData'};
await Future.delayed(Duration(milliseconds: 10));
return SPSingleton._fromMap(map);
}
static Future<SPSingleton> getInstance() async {
if (_instance == null) {
if (_monitor == null) {
_monitor = Completer<bool>();
_instance = await SPSingleton._fromSharedPreferences();
_monitor!.complete(true);
} else {
// Flutter 的 Future 支持被多次 await
await _monitor!.future;
_monitor = null;
}
}
return _instance!;
}
}
void main() async {
SPSingleton.getInstance().then((value) {
print('instance1.hashcode = ${value.hashCode}');
});
SPSingleton.getInstance().then((value) {
print('instance2.hashcode = ${value.hashCode}');
});
}
我们再次分析一下 getInstance() 方法:
static Future<SPSingleton> getInstance() async {
if (_instance == null) { // 1
if (_monitor == null) { // 2
_monitor = Completer<bool>(); // 3
_instance = await SPSingleton._fromSharedPreferences(); // 4
_monitor!.complete(true); // 5
} else {
// Flutter 的 Future 支持被多次 await
await _monitor!.future; //6
_monitor = null;
}
}
return _instance!; // 7
}
当第一次调用 getInstance() 方法时, 1 处和 2 处都会判定为 true, 然后进入执行到 3 处创建一个的 Completer 对象, 然后在 4 的 await 处挂起, 并交出代码的执行权, 直到被 await 的 Future 执行完毕。
此时第二次调用的 getInstance() 方法开始执行，1 处同样会判定为 true, 但是到 2 处时会判定为 false, 从而进入到 else, 并因为 6 处的 await 挂起, 并交出代码的执行权;
此时, 第一次调用 getInstance() 时的 4 处执行完毕, 并执行到 5, 并通过 Completer 通知第二次调用的 getInstance() 方法可以等待获取代码执行权了。
最后，两次调用 getInstance() 方法都会返回同一个 SPSingleton 对象，以下是打印日志：
instance1.hashcode = 786567983
instance2.hashcode = 786567983
Flutter任务队列由于 Flutter 的 Future 是支持多次 await 的, 所以即便是连续 n 次调用 getInstance() 方法, 从第 2 到 n 次调用会 await 同一个 Completer.future, 最后也能返回同一个对象。
虽然我们经常拿单例模式来解释说明 Java 多线程问题，可这并不代表着 Java 只有在单例模式时才有多线程问题。
同样的，也并不代表着 Flutter 只有在单例模式下才有原子操作问题。
问题示例我们同样以数据持久化来举例，只是这次我们以数据库操作来举例。
我们在操作数据库时，经常会有这样的需求：如果数据库表中存在这条数据，就更新这条数据，否则就插入这条数据。
为了实现这样的需求，我们可能会先从数据库表中查询数据，查询到了就更新，没查询到就插入，代码如下：
class Item {
int id;
String data;
Item({
required this.id,
required this.data,
});
}
class DBTest {
DBTest._();
static DBTest instance = DBTest._();
bool _existsData = false;
Future<void> insert(String data) async {
// 模拟数据库插入操作,10毫秒过后,数据库中才有数据
await Future.delayed(Duration(milliseconds: 10));
_existsData = true;
print('执行了插入');
}
Future<void> update(String data) async {
// 模拟数据库更新操作
await Future.delayed(Duration(milliseconds: 10));
print('执行了更新');
}
Future<Item?> selected(int id) async {
// 模拟数据库查询操作
await Future.delayed(Duration(milliseconds: 10));
if (_existsData) {
// 数据库中有数据才返回
return Item(id: 1, data: 'mockData');
} else {
// 数据库没有数据时,返回null
return null;
}
}
/// 先从数据库表中查询数据，查询到了就更新，没查询到就插入
Future<void> insertOrUpdate(int id, String data) async {
Item? item = await selected(id);
if (item == null) {
await insert(data);
} else {
await update(data);
}
}
}
void main() async {
DBTest.instance.insertOrUpdate(1, 'data');
DBTest.instance.insertOrUpdate(1, 'data');
}
我们期望的输出日志为:
执行了插入
执行了更新
但不幸的是, 输出的日志为:
执行了插入
执行了插入
原因也是异步方法操作数据, 不是原子操作, 导致逻辑异常。
也许我们也可以效仿单例模式的实现，利用 Completer 将 insertOrUpdate() 方法原子化。
但对于数据库操作是不合适的，因为我们可能还有其它需求，比如说：调用插入数据的方法，然后立即从数据库中查询这条数据，发现找不到。
如果强行使用 Completer，那么到最后，可能这个类中会出现一大堆的 Completer ，代码难以维护。
解决办法其实我们想要的效果是，当有异步方法在操作数据库时，别的操作数据的异步方法应该阻塞住，也就是同一时间只能有一个方法来操作数据库。我们其实可以使用任务队列来实现数据库操作的需求。
我这里利用 Completer 实现了一个任务队列:
import 'dart:async';
import 'dart:collection';
/// TaskQueue 不支持 submit await submit, 以下代码就存在问题
///
/// TaskQueue taskQueue = TaskQueue();
/// Future<void> task1(String arg)async{
/// await Future.delayed(Duration(milliseconds: 100));
/// }
/// Future<void> task2(String arg)async{
/// 在这里submit时, 任务会被添加到队尾, 且当前方法任务不会结束
/// 添加到队尾的任务必须等到当前方法任务执行完毕后, 才能继续执行
/// 而队尾的任务必须等当前任务执行完毕后, 才能执行
/// 这就导致相互等待, 使任务无法进行下去
/// 解决办法是, 移除当前的 await, 让当前任务结束
/// await taskQueue.submit(task1, arg);
/// }
///
/// taskQueue.submit(task2, arg);
///
/// 总结:
/// 被 submit 的方法的内部如果调用 submit 方法, 此方法不能 await, 否则任务队列会被阻塞住
///
/// 如何避免此操作, 可以借鉴以下思想:
/// 以数据库操作举例, 有个save方法的逻辑是插入或者更新(先查询数据库select,再进行下一步操作);
/// sava方法内部submit,并且select也submit, 就容易出现submit await submit的情况
///
/// 我们可以这样操作,假设当前类为 DBHelper:
/// 将数据库的增,删,查,改操作封装成私有的 async 方法, 且私有方法不能使用submit
/// DBHelper的公有方法, 可以调用自己的私有 async 方法, 但不能调用自己的公有方法, 公有方法可以使用submit
/// 这样就不会存在submit await submit的情况了
class TaskQueue {
/// 提交任务
Future<O> submit<A, O>(Function fun, A? arg) async {
if (!_isEnable) {
throw Exception('current TaskQueue is recycled.');
}
Completer<O> result = new Completer<O>();
if (!_isStartLoop) {
_isStartLoop = true;
_startLoop();
}
_queue.addLast(_Runnable<A, O>(
fun: fun,
arg: arg,
completer: result,
));
if (!(_emptyMonitor?.isCompleted ?? true)) {
_emptyMonitor?.complete();
}
return result.future;
}
/// 回收 TaskQueue
void recycle() {
_isEnable = false;
if (!(_emptyMonitor?.isCompleted ?? true)) {
_emptyMonitor?.complete();
}
_queue.clear();
}
Queue<_Runnable> _queue = Queue<_Runnable>();
Completer? _emptyMonitor;
bool _isStartLoop = false;
bool _isEnable = true;
Future<void> _startLoop() async {
while (_isEnable) {
if (_queue.isEmpty) {
_emptyMonitor = new Completer();
await _emptyMonitor!.future;
_emptyMonitor = null;
}
if (!_isEnable) {
// 当前TaskQueue不可用时, 跳出循环
return;
}
_Runnable runnable = _queue.removeFirst();
try {
dynamic result = await runnable.fun(runnable.arg);
runnable.completer.complete(result);
} catch (e) {
runnable.completer.completeError(e);
}
}
}
}
class _Runnable<A, O> {
final Completer<O> completer;
final Function fun;
final A? arg;
_Runnable({
required this.completer,
required this.fun,
this.arg,
});
}
由于 Flutter 中的 future 不支持暂停操作, 一旦开始执行, 就只能等待执行完。
所以这里的任务队列实现是基于方法的延迟调用来实现的。
TaskQueue 的用法示例如下:
void main() async {
Future<void> test1(String data) async {
await Future.delayed(Duration(milliseconds: 20));
print('执行了test1');
}
Future<String> test2(Map<String, dynamic> args) async {
await Future.delayed(Duration(milliseconds: 10));
print('执行了test2');
return 'mockResult';
}
TaskQueue taskQueue = TaskQueue();
taskQueue.submit(test1, '1');
taskQueue.submit(test2, {
'data1': 1,
'data2': '2',
}).then((value) {
print('test2返回结果:${value}');
});
await Future.delayed(Duration(milliseconds: 200));
taskQueue.recycle();
}
/*
执行输出结果如下:
执行了test1
执行了test2
test2返回结果:mockResult
*/
值得注意的是: 这里的 TaskQueue 不支持 submit await submit, 原因及示例代码已在注释中说明，这里不再赘述。
为了避免出现 submit await submit 的情况，我代码注释中也做出了建议（假设当前类为 DBHelper）：
将数据库的增、删、查、改操作封装成私有的异步方法, 且私有异步方法不能使用 submit；DBHelper 的公有方法, 可以调用自己的私有异步方法, 但不能调用自己的公有异步方法, 公有异步方法可以使用 submit；这样就不会出现 submit await submit 的情况了。
于是，上述的数据库操作示例代码就变成了以下的样子：
class Item {
int id;
String data;
Item({
required this.id,
required this.data,
});
}
class DBTest {
DBTest._();
static DBTest instance = DBTest._();
TaskQueue _taskQueue = TaskQueue();
bool _existsData = false;
Future<void> _insert(String data) async {
// 模拟数据库插入操作,10毫秒过后,数据库才有数据
await Future.delayed(Duration(milliseconds: 10));
_existsData = true;
print('执行了插入');
}
Future<void> insert(String data) async {
await _taskQueue.submit(_insert, data);
}
Future<void> _update(String data) async {
// 模拟数据库更新操作
await Future.delayed(Duration(milliseconds: 10));
print('执行了更新');
}
Future<void> update(String data) async {
await _taskQueue.submit(_update, data);
}
Future<Item?> _selected(int id) async {
// 模拟数据库查询操作
await Future.delayed(Duration(milliseconds: 10));
if (_existsData) {
// 数据库中有数据才返回
return Item(id: 1, data: 'mockData');
} else {
// 数据库没有数据时,返回null
return null;
}
}
Future<Item?> selected(int id) async {
return await _taskQueue.submit(_selected, id);
}
/// 先从数据库表中查询数据，查询到了就更新，没查询到就插入
Future<void> _insertOrUpdate(Map<String, dynamic> args) async {
int id = args['id'];
String data = args['data'];
Item? item = await _selected(id);
if (item == null) {
await _insert(data);
} else {
await _update(data);
}
}
Future<Item?> insertOrUpdate(int id, String data) async {
return await _taskQueue.submit(_insertOrUpdate, {
'id': id,
'data': data,
});
}
}
void main() async {
DBTest.instance.insertOrUpdate(1, 'data');
DBTest.instance.insertOrUpdate(1, 'data');
}
输出日志也变成了我们期望的样子:
总结 Flutter 异步方法修改数据时, 一定要注意数据操作的原子性, 不能因为 Flutter 是单线程架构，就忽略多个异步方法竞争导致数据异常的问题。Flutter 保证数据操作的原子性，也有可行办法，当逻辑比较简单时，可直接使用 Completer，当逻辑比较复杂时，可以考虑使用任务队列。执行了插入
执行了更新
另外，本文中的任务队列实现有很大的缺陷，不支持 submit await submit，否则整个任务队列会被阻塞住。
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