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这一次，让Kotlin Flow 操作符真正好用起来

小鱼人爱编程 2023-06-25 04:00:03

简介这一次，让Kotlin Flow 操作符真正好用起来

前言

Kotlin Flow 如此受欢迎大部分归功于其丰富、简洁的操作符，巧妙使用Flow操作符可以大大简化我们的程序结构，提升可读性与可维护性。
然而，虽然好用，但有些操作符不太好理解，可惜的是网上大部分文章只是简单介绍其使用，并没有梳理各个操作符的关系以及引入的缘由，本篇将通过关键原理与使用场景串联大部分操作符，以期达到举一反三的效果。
通过本篇文章，你将了解到：

操作符全家福
单Flow操作符的原理以及使用场景
单Flow操作符里的多协程原理以及使用场景
多Flow操作符里的多协程原理以及使用场景
Flow操作符该怎么学？

1. 操作符全家福

Flow操作符分类.png

红色部分为使用了多协程的操作符
上图仅包含常用官方提供的操作符，其它未包含进来的操作符原理也是类似的，当然我们也可以封装自己的操作符

由图上可知，将操作符分为了三类：

构建操作符
中间操作符
末端操作符

2. 单Flow操作符的原理以及使用场景

最简单的Flow

    fun test0() {
        runBlocking {
            //构造flow
            val flow = flow {
                //上游
                emit("hello world ${Thread.currentThread()}")
            }
            //收集flow
            flow.collect {
                //下游
                println("collect:$it ${Thread.currentThread()}")
            }
        }
    }

如上包含了两种操作符：构造操作符flow与末端操作符collect。

总结来说，flow调用流程简化为：两个操作符+两个闭包+emit函数：

collect操作符触发调用，执行了flow的闭包
flow闭包里调用emit函数，执行了collect闭包

Flow返回集合

collect闭包里仅仅只是打印了数据，有个需求：需要将收集到的数据放在List里。
很容易就想到：

    fun test00() {
        runBlocking {
            val result = mutableListOf<String>()
            //构造flow
            val flow = flow {
                //上游
                emit("hello world ${Thread.currentThread()}")
            }
            //收集flow
            flow.collect {
                //下游
                println("collect:$it ${Thread.currentThread()}")
                result.add(it)
            }
        }
    }

如上，定义List变量，在collect的闭包里收到数据后填充到List里。
某天，我们发现这个功能挺常用，需要将它封装起来，外界只需要传入List对象即可。

public suspend fun <T, C : MutableCollection<in T>> Flow<T>.toCollection(destination: C): C {
    collect { value ->
        destination.add(value)
    }
    return destination
}

外部使用：

    fun test01() {
        runBlocking {
            val result = mutableListOf<String>()
            flow {
                //上游
                emit("hello world ${Thread.currentThread()}")
            }.toList(result)
        }
    }

如此一看，简单了许多，这也是官方提供的Flow操作符。

原理很简单：

作为Flow的扩展函数
重写了Flow的collect闭包，也就是FlowCollector的emit函数

后续很多操作符都是这么个套路，比如取Flow的第一个数据：first操作符，比如取对Flow里相邻的两个值做操作：reduce操作符等等。

Flow变换操作符

有个需求：在Flow流到下游之前，对数据进行处理，处理完成后再发射出去。
可以使用transform 操作符。

    fun test02() {
        runBlocking {
            flow {
                //上游
                emit("hello world ${Thread.currentThread()}")
            }.transform {
                emit("$it man")
            }.collect {
                println("$it")
            }
        }
    }

再看看原理：

public inline fun <T, R> Flow<T>.transform(
    @BuilderInference crossinline transform: suspend FlowCollector<R>.(value: T) -> Unit
): Flow<R> = flow { // Note: safe flow is used here, because collector is exposed to transform on each operation
    collect { value ->
        //上游的数据先经过transform处理
        return@collect transform(value)
    }
}

依然是Flow扩展函数，返回一个新的Flow对象
新Flow对象重写了flow闭包，该闭包里调用collect收集了原始Flow的数据
当数据到来后，经过transform处理，而我们自定义的transform闭包里将数据再次发射出去
最后新返回的flow的collect闭包被调用

上面只是使用了一个transform操作符，若是多个transform操作符，该怎么去分析呢？其实，套路是有迹可循的。
这里涉及到了一种设计模式：装饰者模式

每调用1个transform操作符就会新生成一个Flow对象，该对象装饰了它的上一个(扩展)对象，如上Flow1装饰原始Flow，Flow2装饰Flow1。

    fun test02() {
        runBlocking {
            flow {
                //上游
                emit("hello world ${Thread.currentThread()}")
            }.transform {
                emit("$it 1")
            }.transform {
                emit("$it 2")
            }.transform {
                emit("$it 3")
            }.collect {
                println("$it")
            }
        }
    }

如上，相信你很快就知道输出结果了。

你可能觉得transform还需要自己发射数据，有点麻烦，map可解君忧。

    fun test03() {
        runBlocking {
            flow {
                //上游
                emit("hello world ${Thread.currentThread()}")
            }.map {
                "$it 1"
            }.collect {
                println("$it")
            }
        }
    }

map内部封装了transform。

过滤操作符

有个需求：对上流的数据进行某种条件的筛选过滤。
有了transform的经验，我们很容易想到定义扩展函数返回新的Flow，并重写collect的闭包，在闭包里进行限制。

public inline fun <T> Flow<T>.filter(crossinline predicate: suspend (T) -> Boolean): Flow<T> = transform { value ->
    //条件满足再发射
    if (predicate(value)) return@transform emit(value)
}

internal inline fun <T, R> Flow<T>.unsafeTransform(
    @BuilderInference crossinline transform: suspend FlowCollector<R>.(value: T) -> Unit
): Flow<R> = unsafeFlow { // Note: unsafe flow is used here, because unsafeTransform is only for internal use
    collect { value ->
        return@collect transform(value)
    }
}

使用方式：

    fun test04() {
        runBlocking {
            flow {
                //上游
                emit("hello world ${Thread.currentThread()}")
                emit("fish")
            }.filter {
                //包含hello字符串才继续往下发送
                it.contains("hello")
            }.collect {
                println("$it")
            }
        }
    }

掌握了以上套路，再去理解其它类似的操作符就很简单了，都是一些简单的变种。

3. 单Flow操作符里的多协程原理以及使用场景

Flow里如何切换协程与线程

上面提到的操作符，如map、filter，相信大家也看出来了：

整个流程的过程没有涉及到其它协程，也没有涉及到其它的线程，是比较单纯也比较容易理解

有个需求：在主线程执行collect操作符，在flow闭包里执行耗时操作。
此时我们就需要flow闭包里的代码在子线程执行。
你可能一下子就说出了答案：使用flowOn操作符。

    fun test05() {
        runBlocking {
            flow {
                //上游
                println("emit ${Thread.currentThread()}")
                emit("hello world")
            }.flowOn(Dispatchers.IO)//flowOn 之前的操作符在新协程里执行
                .collect {
                    println("$it")
                    println("collect ${Thread.currentThread()}")
                }
        }
    }
//打印结果
emit Thread[DefaultDispatcher-worker-1 @coroutine#3,5,main]
hello world
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]

可以看出，flow闭包(上游)，collect闭包(下游)分别执行在不同的协程以及不同的线程里。
flowOn原理简单来说：

构造了新的协程执行flow闭包，又因为指定了协程分发器为Dispatchers.IO，因此会在子线程里执行flow闭包
原理是基于ChannelFlow

Flow处理背压

有个需求：上游发射数据速度高于下游，如何提升发射效率？
如下：

    fun test06() {
        runBlocking {
            val time = measureTimeMillis {
                flow {
                    //上游
                    println("emit ${Thread.currentThread()}")
                    emit("hello world")
                    delay(1000)
                    emit("hello world2")
                }.collect {
                        delay(2000)
                        println("$it")
                        println("collect ${Thread.currentThread()}")
                    }
            }
            println("use time:$time")
        }
    }
//打印
emit Thread[main @coroutine#2,5,main]
hello world
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
hello world2
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
use time:5024

使用buffer操作符解决背压问题：

    fun test06() {
        runBlocking {
            val time = measureTimeMillis {
                flow {
                    //上游
                    println("emit ${Thread.currentThread()}")
                    emit("hello world")
                    delay(1000)
                    emit("hello world2")
                }.buffer().collect {
                        delay(2000)
                        println("$it")
                        println("collect ${Thread.currentThread()}")
                    }
            }
            println("use time:$time")
        }
    }
//打印结果
emit Thread[main @coroutine#3,5,main]
hello world
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
hello world2
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
use time:4065

可以看出，总耗时减少了。
buffer原理简单来说：

构造了新的协程执行flow闭包，上游数据会发送到Channel 缓冲区里，发送完成继续发送下一条
collect操作符监听缓冲区是否有数据，若有则收集成功
原理是基于ChannelFlow

关于flowOn和buffer更详细的原理请移步：Kotlin Flow 背压和线程切换竟然如此相似

上游覆盖旧数据

有个需求：上游生产速度很快，下游消费速度慢，我们只关心最新数据，旧的数据没价值可以丢掉。
使用conflate操作符处理：

    fun test07() {
        runBlocking {
            flow {
                //上游
                repeat(5) {
                    emit("emit $it")
                    delay(100)
                }
            }.conflate().collect {
                delay(500)
                println("$it")
            }
        }
    }
//打印结果：
emit 0
emit 4

可以看出，中间产生的数据由于下游没有来得及消费，被上游新的数据冲刷掉了。

conflate原理简单来说：

相当于使用了buffer操作符，该buffer只能容纳一个数据，新来的数据将会覆盖旧的数据
原理是基于ChannelFlow

Flow变换取最新值

有个需求：在使用transform处理数据的时候，若是它处理比较慢，当有新的值过来后就取消未处理好的值。
使用transformLatest操作符处理：

    fun test08() {
        runBlocking {
            flow {
                //上游，协程1
                repeat(5) {
                    emit("emit $it")
                }
                println("emit ${Thread.currentThread()}")
            }.transformLatest {
                //协程2
                delay(200)
                emit("$it fish")
            }.collect {
                println("collect ${Thread.currentThread()}")
                println("$it")
            }
        }
    }
打印结果：
emit Thread[main @coroutine#3,5,main]
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
emit 4 fish

可以看出，由于transform处理速度比较慢，上游有新的数据过来后会取消transform里未处理的数据。
查看源码是如何处理的：

override suspend fun flowCollect(collector: FlowCollector<R>) {
    coroutineScope {
        var previousFlow: Job? = null
        //开始收集上游数据
        flow.collect { value ->
            previousFlow?.apply {
                //若是之前的协程还在，则取消
                cancel(ChildCancelledException())
                join()
            }
            //开启协程执行，此处选择不分发新线程
            previousFlow = launch(start = CoroutineStart.UNDISPATCHED) {
                collector.transform(value)
            }
        }
    }
}

transformLatest原理简单来说：

构造新的协程1执行flow闭包，收集到数据后再开启新的协程2，在协程里会调用transformLatest的闭包，最终调用collect的闭包
协程1继续发送数据，若是发现协程2还在运行，则取消协程2
原理是基于ChannelFlow

同理，map也有类似的操作符：

    fun test09() {
        runBlocking {
            flow {
                //上游
                repeat(5) {
                    emit("emit $it")
                }
                println("emit ${Thread.currentThread()}")
            }.mapLatest {
                delay(200)
                "$it fish"
            }.collect {
                println("collect ${Thread.currentThread()}")
                println("$it")
            }
        }
    }
//打印结果
emit Thread[main @coroutine#3,5,main]
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
emit 4 fish

收集最新的数据

有个需求：监听下载进度，UI展示最新进度。
分析：此种场景下，我们只是关注最新的进度，没必要频繁刷新UI，因此使用Flow实现时上游发射太快了可以忽略旧的数据。
使用collectLatest操作符实现：

    fun test014() {
        runBlocking {
            val time = measureTimeMillis {
                val flow1 = flow {
                    repeat(100) {
                        emit(it + 1)
                    }
                }
                flow1.collectLatest {
                    delay(20)
                    println("collect progress $it")
                }
            }
            println("use time:$time")
        }
    }
//打印结果
collect progress 100
use time:169

collectLatest原理简单来说：

开启新协程执行flow闭包
若是collect收集比较慢，下一个数据emit过来后会取消未处理的数据
原理是基于ChannelFlow

4. 多Flow操作符里的多协程原理以及使用场景

很多时候我们不止操作单个Flow，有可能需要结合多个Flow来实现特定的业务场景。

展平流

flatMapConcat

有个需求：请求某个学生的班主任信息，这里涉及到两个接口：

请求学生信息，使用Flow1表示
请求该学生的班主任信息，使用Flow2表示
我们需要先拿到学生的信息，通过信息里带的班主任id去请求班主任信息

分析需求可知：获取学生信息的请求和获取班主任信息的请求是串行的，有前后依赖关系。
使用flatMapConcat操作符实现：

    fun test010() {
        runBlocking {
            val flow1 = flow {
                emit("stuInfo")
            }
            flow1.flatMapConcat {
                //flow2
                flow {
                    emit("$it teachInfo")
                }
            }.collect {
                println("collect $it")
            }
        }
    }
//打印结果：
collect stuInfo teachInfo

从打印结果可以看出：

所谓展平，实际上就是将两个Flow的数据拍平了输出

当然，你也可以请求多个学生的班主任信息：

    fun test011() {
        runBlocking {
            val time = measureTimeMillis {
                val flow1 = flow {
                    println("emit ${Thread.currentThread()}")
                    emit("stuInfo 1")
                    emit("stuInfo 2")
                    emit("stuInfo 3")
                }
                flow1.flatMapConcat {
                    //flow2
                    flow {
                        println("flatMapConcat ${Thread.currentThread()}")
                        emit("$it teachInfo")
                        delay(1000)
                    }
                }.collect {
                    println("collect ${Thread.currentThread()}")
                    println("collect $it")
                }
            }
            println("use time:$time")
        }
    }
//打印结果：
emit Thread[main @coroutine#2,5,main]
flatMapConcat Thread[main @coroutine#2,5,main]
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
collect stuInfo 1 teachInfo
flatMapConcat Thread[main @coroutine#2,5,main]
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
collect stuInfo 2 teachInfo
flatMapConcat Thread[main @coroutine#2,5,main]
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
collect stuInfo 3 teachInfo
use time:3032

flatMapConcat原理简单来说：

flatMapConcat 并没有涉及到多协程，使用了装饰者模式
先将Flow2使用map进行变换，而后将Flow1、Flow2数据发射出来
Concat顾名思义，将两个Flow连接起来

flatMapMerge

有个需求：在flatMapConcat里，先查询了学生1的班主任信息后才会查询学生2的班主任信息，依照此顺序进行查询。现在需要提升效率，同时查询多个多个学生的班主任信息。
使用flatMapMerge操作符实现：

    fun test012() {
        runBlocking {
            val time = measureTimeMillis {
                val flow1 = flow {
                    println("emit ${Thread.currentThread()}")
                    emit("stuInfo 1")
                    emit("stuInfo 2")
                    emit("stuInfo 3")
                }
                flow1.flatMapMerge(4) {
                    //flow2
                    flow {
                        println("flatMapMerge ${Thread.currentThread()}")
                        emit("$it teachInfo")
                        delay(1000)
                    }
                }.collect {
                    println("collect ${Thread.currentThread()}")
                    println("collect $it")
                }
            }
            println("use time:$time")
        }
    }
//打印结果：
flatMapMerge Thread[main @coroutine#6,5,main]
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
collect stuInfo 1 teachInfo
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
collect stuInfo 2 teachInfo
collect Thread[main @coroutine#2,5,main]
collect stuInfo 3 teachInfo
use time:1086

可以看出，flatMapMerge由于是并发执行，整体速度比flatMapConcat快了很多。
flatMapMerge可以指定并发的数量，当指定flatMapMerge(0)时，flatMapMerge退化为flatMapConcat。
关键源码如下：

override suspend fun collectTo(scope: ProducerScope<T>) {
    val semaphore = Semaphore(concurrency)
    val collector = SendingCollector(scope)
    val job: Job? = coroutineContext[Job]
    flow.collect { inner ->
        job?.ensureActive()
        //并发数限制锁
        semaphore.acquire()
        scope.launch {
            //开启新的协程
            try {
                //执行flatMapMerge闭包里的flow
                inner.collect(collector)
            } finally {
                semaphore.release() // Release concurrency permit
            }
        }
    }
}

flatMapMerge原理简单来说：

flow1里的每个学生信息会触发去获取班主任信息flow2
新开了协程去执行flow2的闭包
原理是基于ChannelFlow

flatMapLatest

有个需求：flatMapConcat 是线性执行的，可以使用flatMapMerge提升效率。为了节约资源，在请求班主任信息的时候，若是某个学生的班主任信息没有返回，而下一个学生的班主任信息已经开始请求，则取消上一个没有返回的班主任Flow。
使用flatMapLatest操作符实现：

    fun test013() {
        runBlocking {
            val time = measureTimeMillis {
                val flow1 = flow {
//                    println("emit ${Thread.currentThread()}")
                    emit("stuInfo 1")
                    emit("stuInfo 2")
                    emit("stuInfo 3")
                }
                flow1.flatMapLatest {
                    //flow2
                    flow {
//                        println("flatMapLatest ${Thread.currentThread()}")
                        delay(1000)
                        emit("$it teachInfo")
                    }
                }.collect {
//                    println("collect ${Thread.currentThread()}")
                    println("collect $it")
                }
            }
            println("use time:$time")
        }
    }
//打印结果：
collect stuInfo 3 teachInfo
use time:1105

可以看出，只有学生3的班主任信息打印出来了，并且整体时间都减少了。
flatMapLatest原理简单来说：

和transformLatest很相似
原理是基于ChannelFlow

简单总结一下关于收集最新数据的操作符：

transformLatest、mapLatest、collectLatest、flatMapLatest 四者的核心实现都是ChannelFlowTransformLatest，而它最终继承自：ChannelFlow

组合流

combine

有个需求：查询学生的性别以及选修了某个课程。
分析：涉及到两个需求，查询学生性别与查询选修课程，输出结果是：性别：xx，选修了：xx课程。这俩请求可以同时发出，并没有先后顺序，因此我们没必要使用flatMapXX系列操作符。
使用combine操作符：

    fun test015() {
        runBlocking {
            val time = measureTimeMillis {
                val flow1 = flow {
                    emit("stuSex 1")
                    emit("stuSex 2")
                    emit("stuSex 3")
                }
                val flow2 = flow {
                    emit("stuSubject")
                }
                flow1.combine(flow2) {
                    sex, subject->"$sex-->$subject"
                }.collect {
                    println(it)
                }
            }
            println("use time:$time")
        }
    }
//打印结果：
stuSex 1-->stuSubject
stuSex 2-->stuSubject
stuSex 3-->stuSubject
use time:46

可以看出，flow1的每个emit和flow2的emit关联起来了。
combine操作符有个特点：

短的一方会等待长的一方结束后才结束

看个例子就比较清晰：

    fun test016() {
        runBlocking {
            val time = measureTimeMillis {
                val flow1 = flow {
                    emit("a")
                    emit("b")
                    emit("c")
                    emit("d")
                }
                val flow2 = flow {
                    emit("1")
                    emit("2")
                }
                flow1.combine(flow2) {
                        sex, subject->"$sex-->$subject"
                }.collect {
                    println(it)
                }
            }
            println("use time:$time")
        }
    }
//打印结果
a-->1
b-->2
c-->2
d-->2
use time:45

flow2早就发射到"2"了，会一直等到flow1发射结束。

combine原理简单来说：

zip

在combine需求的基础上，我们又有个优化：无论是学生性别还是学生课程，只要某个Flow获取结束了就取消Flow。
使用zip操作符：

    fun test017() {
        runBlocking {
            val time = measureTimeMillis {
                val flow1 = flow {
                    emit("a")
                    emit("b")
                    emit("c")
                    emit("d")
                }
                val flow2 = flow {
                    emit("1")
                    emit("2")
                }
                flow1.zip(flow2) {
                        sex, subject->"$sex-->$subject"
                }.collect {
                    println(it)
                }
            }
            println("use time:$time")
        }
    }
//打印结果
a-->1
b-->2
use time:71

可以看出flow2先结束了，并且flow1没发送完成。
zip原理简单来说：

可以看出，zip的特点：

短的Flow结束，另一个Flow也结束

5. Flow操作符该怎么学？

以上我们由浅入深分别分析了：

单个Flow操作符原理与使用场景
单个Flow操作符切换多个协程的原理与使用场景
多个Flow操作符切换多个协程的原理与使用场景

以上三者是递进关系，第1点比较简单，第2点难度适中。
尤其是第3点比较难以理解，因为涉及到了其它的知识：Channel、ChannelFlow、多协程、线程切换等。
在之前的文章中有提到过：ChannelFlow是Flow复杂操作符的基础，想要掌握复杂操作符的原理需要明白ChannelFlow的运行机制，有兴趣可移步：当，Kotlin Flow与Channel相逢

建议Flow操作符学习步骤：

先会使用简单的操作符filter、map等
再学会使用flowOn、buffer、callbackFlow等操作符
进而使用flatMapXXX以及combine、zip等操作符
最后可以看看其实现原理，达到举一反三应用到实际需求里

Flow操作符的闭坑指南：

涉及到多协程的操作符，需要关注其执行的线程环境
涉及到多协程的操作符，需要关注协程的生命周期

说实话，Flow操作符要掌握好挺难的，它几乎涉及了协程所有的知识点，也是协程实际应用的精华。这篇是我在协程系列里花费时间最长的文章了（也许也是最后一篇了），即使自己弄明白了，怎样把它很自然地递进引出也是个有挑战的事。
若你能够在本篇的分析中得到一点启发，那说明我的分享是有价值的。
由于篇幅关系，一些操作符debounce、sample等并没有分析，也没有再贴flatMapXXX的源码细节（这部分之前的文章都有分析过），若你有需要可以给我留言评论。

本文基于Kotlin 1.6.1，覆盖所有Flow操作符的demo

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