## Kotlin/Native 中的并發 [TOC] Kotlin/Native 運行時并不鼓勵帶有互斥代碼塊與條件變量的經典線程式并發模型，因為已知該模型易出錯且不可靠。相反，我們建議使用一系列替代方法，讓你可以使用硬件并發并實現阻塞 IO。 這些方法如下，并且分別會在后續各部分詳細闡述： * 帶有消息傳遞的 worker * 對象子圖所有權轉移 * 對象子圖凍結 * 對象子圖分離 * 使用 C 語言全局變量的原始共享內存 * 用于阻塞操作的協程（本文檔未涉及） ### Worker Kotlin/Native 運行時提供了 worker 的概念來取代線程：并發執行的控制流以及與其關聯的請求隊列。Worker 非常像參與者模型中的參與者。一個 worker 可以與另一個 worker 交換 Kotlin 對象，從而在任何時刻每個可變對象都隸屬于單個 worker，不過所有權可以轉移。請參見[對象轉移與凍結](http://www.kotlincn.net/docs/reference/native/concurrency.html#transfer)部分。 一旦以 `Worker.start` 函數調用啟動了一個 worker，就可以使用其自身唯一的整數worker id 來尋址。其他 worker 或者非 worker 的并發原語（如 OS 線程）可以使用 `execute` 調用向 worker 發消息。 ```kotlin val future = execute(TransferMode.SAFE, { SomeDataForWorker() }) { // 第二個函數參數所返回的數據 // 作為“input”參數進入 worker 例程 input -> // 這里我們創建了一個當有人消費結果 future 時返回的實例 WorkerResult(input.stringParam + " result") } future.consume { // 這里我們查看從上文例程中返回的結果。請注意 future 對象或 // id 都可以轉移給另一個 worker，所以并不是必須要在 // 獲得 future 的同一上下文中消費之。 result -> println("result is $result") } ``` 調用 `execute` 會使用作為第二個參數傳入的函數來生成一個對象子圖（即一組相互引用的對象）然后將其作為一個整體傳給該 worker，之后發出該請求的線程不可以再使用該對象子圖。如果第一個參數是`TransferMode.SAFE`，那么會通過圖遍歷來檢測這一屬性；而如果第一個參數是 `TransferMode.UNSAFE` 那么直接假定為 true。`execute` 的最后一個參數是一個特殊 Kotlin lambda 表達式，不可以捕獲任何狀態，并且實際上是在目標 worker 的上下文中調用。一旦處理完畢，就將結果轉移給將會消費它地方，并將其附加到該 worker/線程的對象圖中。 如果一個對象以 `UNSAFE` 模式轉移，并且依然在多個并發執行子中訪問，那么該程序可能會意外崩潰，因此考慮將 `UNSAFE` 作為最后的優化手段而不是通用機制來使用。 更完整的示例請參考 Kotlin/Native 版本庫中的 [worker 示例](https://github.com/JetBrains/kotlin-native/tree/master/samples/workers)。 ### 對象轉移與凍結 Kotlin/Native 運行時維護的一個重要的不變式是，對象要么歸單個線程/worker 所有，要么不可變（*共享 XOR 可變*）。這確保了同一數據只有一個修改方，因此不需要鎖定。為了實現這個不變式，我們使用了非外部引用的對象子圖的概念。這是一個沒有來自子圖以外的外部引用的子圖，（在 ARC 系統中）可由O(N) 復雜度進行算法檢測，其中 N 是這種子圖中元素的數量。這種子圖通常是作為 lambda 表達式的結果而產生的（例如某些構建器），并且可能不含外部引用的對象。 凍結是一種運行時操作，通過修改對象頭使給定的對象子圖不可變，這樣之后的修改企圖都會拋出 `InvalidMutabilityException`。它是深度凍結，因此如果一個對象有指向其他對象的指針——這些對象的傳遞閉包也都會被凍結。凍結是單向轉換，凍結的對象不能解凍。凍結的對象有一個很好的屬性，由于其不可變性，它們可以在多個 worker/線程之間自由共享，而不會破壞“可變 XOR 共享”不變式。 一個對象是否已凍結，可以使用擴展屬性 `isFrozen` 來檢測，如果凍結了就可以共享。目前，Kotlin/Native 運行時只能在枚舉對象創建后進行凍結，盡管將來可能實現自動凍結某些可證明不可變的對象。 ### 對象子圖分離 沒有外部引用的對象子圖可以使用 `DetachedObjectGraph<T>`斷開到 `COpaquePointer` 值的連接，該值可以存儲在 `void*` 數據中，因此斷開連接的對象子圖可以存儲在 C 語言數據結構中，并且之后還能在任意線程或 worker 中通過 `DetachedObjectGraph<T>.attach()`加回。如果 worker 機制不足以完成特定任務，那么可以將對象子圖分離與[原始共享內存](http://www.kotlincn.net/docs/reference/native/concurrency.html#shared)相結合，能夠在并發線程之間進行旁路對象傳輸。 ### 原始共享內存 考慮到 Kotlin/Native 與 C 語言之間通過互操作性的緊密聯系，結合上文中提到的其他機制，可以構建流行的數據結構，如并發的 hashmap 或者與Kotlin/Native 共享緩存。可以依賴共享的 C 語言數據，并在其中存儲分離的對象子圖的引用。 考慮以下 .def 文件： ```c package = global --- typedef struct { int version; void* kotlinObject; } SharedData; SharedData sharedData; ``` 在運行 cinterop 工具之后，可以在版本化的全局結構中共享 Kotlin 數據，并通過自動生成的 Kotlin 代碼在 Kotlin 中與其透明交互，如下所示： ```kotlin class SharedData(rawPtr: NativePtr) : CStructVar(rawPtr) { var version: Int var kotlinObject: COpaquePointer? } ``` 因此，結合上文聲明的頂層變量，可以讓不同的線程看到相同的內存，并使用平臺相關的同步原語來構建傳統的并發結構。 ### 全局變量與單例 全局變量常常是非預期并發問題的根源，因此 _Kotlin/Native_ 實現了以下機制來防止意外通過全局對象共享狀態： * 全局變量（除非特別標記過）都只能在主線程（即首次初始化_Kotlin/Native_ 運行時的線程）中訪問，如果其他線程訪問這樣的全局變量就會拋出 `IncorrectDereferenceException` * 對于標有 `@kotlin.native.ThreadLocal` 注解的全局變量，每個線程都保留線程局部副本，因此變更在線程之間并不可見 * 對于標有 `@kotlin.native.SharedImmutable` 注解的變量，其值是共享的，但是在發布之前會被凍結，因此每個線程都會看到相同的值 * 單例對象（除非標有 `@kotlin.native.ThreadLocal`）都是凍結且共享的，允許惰性值（除非企圖創建循環凍結結構） * 枚舉總是凍結的 結合起來，這些機制允許在多平臺（MPP）項目中跨平臺復用代碼的自然競態凍結編程。