并发与 isolate

所有 Dart 代码在 isolate 中运行，类似线程，但各有独立内存，不以任何方式共享状态，只能通过消息通信。默认情况下 Flutter 应用的所有工作都在单个 isolate——主 isolate——上完成。多数情况下该模型使编程更简单，且足够快，应用 UI 不会无响应。

但有时应用需要执行特别大的计算，可能导致「UI jank」（卡顿）。若因此出现 jank，可将计算移到辅助 isolate，让运行时环境与主 UI isolate 的工作并发执行，并利用多核设备。

每个 isolate 有独立内存和事件循环。事件循环按加入事件队列的顺序处理事件。在主 isolate 上，这些事件可以是处理 UI 点击、执行函数或在屏幕上绘制一帧等。

下图展示了一个示例事件队列，其中有 3 个事件等待处理。

为流畅渲染，Flutter 每秒向事件队列添加 60 次「paint frame」事件（60Hz 设备）。若这些事件未及时处理，应用会出现 UI jank，甚至更糟——完全无响应。

若某过程无法在帧间隔（两帧之间的时间）内完成，最好将工作卸载到另一 isolate，确保主 isolate 每秒产出 60 帧。在 Dart 中 spawn isolate 时，它可与主 isolate 并发处理工作而不阻塞主 isolate。

有关 isolate 与事件循环的更多说明，请参阅 Dart 文档的 并发页面。

Watch on YouTube in a new tab: "Isolates and the event loop | Flutter in Focus"

何时应使用 isolate 只有一条硬性规则：大型计算导致 Flutter 应用出现 UI jank。当任何计算耗时超过 Flutter 的帧间隔时就会出现 jank。

任何过程都 可能 耗时更长，具体取决于实现和输入数据，因此无法详尽列出何时需要考虑使用 isolate。

此外，isolate 常用于以下场景：

• 从本地数据库读取数据

• 发送推送通知

• 解析和解码大型数据文件

• 处理或压缩照片、音频和视频文件

• 转换音频和视频文件

• 使用 FFI 时需要异步支持

• 对复杂列表或文件系统应用过滤

Dart 的 isolate 是 Actor 模型 的实现，只能通过 Port 对象 进行消息传递通信。消息在 isolate 之间「传递」时，通常从发送 isolate 复制到接收 isolate，因此传给 isolate 的值即使在该 isolate 上被修改，也不会改变原 isolate 上的值。

传给 isolate 时 不复制的对象 仅包括不可变对象，如 String 或不可修改的字节。传递不可变对象时，为提升性能会发送引用而非复制对象。因不可变对象无法更新，这有效保持了 Actor 模型行为。

例外是使用 Isolate.exit 发送消息时 isolate 退出：因发送 isolate 发送后不再存在，可将消息所有权从一个 isolate 转给另一个，确保只有一个 isolate 能访问该消息。

发送消息的两种底层原语是 SendPort.send（发送时复制可变消息）和 Isolate.exit（发送消息引用）。 Isolate.run 和 compute 底层都使用 Isolate.exit。

在 Flutter 中将过程移到 isolate 的最简单方式是使用 Isolate.run。该方法 spawn isolate，向 spawn 的 isolate 传递回调以开始计算，返回计算结果，计算完成后关闭 isolate。这一切与主 isolate 并发进行，不会阻塞主 isolate。

Isolate.run 需要一个参数：在新 isolate 上运行的回调函数。该回调的函数签名必须恰好有一个必需的无名参数。计算完成后，将回调的返回值返回主 isolate 并退出 spawn 的 isolate。

例如，以下代码从文件加载大型 JSON 并转换为自定义 Dart 对象。若 JSON 解码未卸载到新 isolate，该方法会使 UI 数秒无响应。

// Produces a list of 211,640 photo objects.
// (The JSON file is ~20MB.)
Future<List<Photo>> getPhotos() async {
  final String jsonString = await rootBundle.loadString('assets/photos.json');
  final List<Photo> photos = await Isolate.run<List<Photo>>(() {
    final List<Object?> photoData = jsonDecode(jsonString) as List<Object?>;
    return photoData.cast<Map<String, Object?>>().map(Photo.fromJson).toList();
  });
  return photos;
}

有关在后台使用 Isolate 解析 JSON 的完整 walkthrough，请参阅 这篇 cookbook。

短期 isolate 使用方便，但 spawn 新 isolate 和在 isolate 间复制对象有性能开销。若反复用 Isolate.run 做相同计算，创建不立即退出的 isolate 可能性能更好。

为此可使用 Isolate.run 所封装的一些底层 isolate API：

• Isolate.spawn() 和 Isolate.exit()

• ReceivePort 和 SendPort

• send() 方法

使用 Isolate.run 时，新 isolate 在向主 isolate 返回单条消息后立即关闭。有时你需要长期存活、可随时间互发多条消息的 isolate。在 Dart 中可用 Isolate API 和 Port 实现，这些长期 isolate 俗称 background workers（后台 worker）。

长期 isolate 适用于需要在应用生命周期内反复运行的特定过程，或在一段时间内运行并需向主 isolate 产生多个返回值的过程。

或者，你可以使用 worker_manager 管理长期 isolate。

用两个类（除 Isolate 外）建立 isolate 间的长期通信： ReceivePort 和 SendPort。这些 port 是 isolate 之间相互通信的唯一方式。

Port 的行为类似 Stream：在一个 isolate 中创建 StreamController 或 Sink，在另一个 isolate 中设置监听器。类比中 StreamController 称为 SendPort，可用 send()「添加」消息； ReceivePort 是监听器，收到新消息时用消息作为参数调用提供的回调。

有关主 isolate 与 worker isolate 之间双向通信的深入说明，请参阅 Dart 文档 中的示例。

可在后台 isolate 中使用平台插件，使插件将繁重的平台相关计算卸载到不阻塞 UI 的 isolate。例如使用原生宿主 API 加密数据时，以前 编组数据 到宿主平台可能占用 UI 线程时间，现可在后台 isolate 完成。

平台通道 isolate 使用 BackgroundIsolateBinaryMessenger API。以下片段展示在后台 isolate 中使用 shared_preferences package 的示例。

import 'dart:isolate';
​
import 'package:flutter/services.dart';
import 'package:shared_preferences/shared_preferences.dart';
​
void main() {
  // Identify the root isolate to pass to the background isolate.
  RootIsolateToken rootIsolateToken = RootIsolateToken.instance!;
  Isolate.spawn(_isolateMain, rootIsolateToken);
}
​
Future<void> _isolateMain(RootIsolateToken rootIsolateToken) async {
  // Register the background isolate with the root isolate.
  BackgroundIsolateBinaryMessenger.ensureInitialized(rootIsolateToken);
​
  // You can now use the shared_preferences plugin.
  SharedPreferences sharedPreferences = await SharedPreferences.getInstance();
​
  print(sharedPreferences.getBool('isDebug'));
}

若你来自支持多线程的语言，可能预期 isolate 像线程一样工作，但事实并非如此。 isolate 有独立全局字段，只能通过消息传递通信，确保可变对象仅在一个 isolate 中可访问，因此受限于自身内存访问。例如应用有全局可变变量 configuration，spawn 的 isolate 会复制为新全局字段；在 spawn 的 isolate 中修改该变量，主 isolate 中不变，即使将 configuration 作为消息传给新 isolate 亦然。这是 isolate 的设计行为，考虑使用 isolate 时需牢记。

包括 Flutter web 在内的 Dart Web 平台不支持 isolate。若 Flutter 应用面向 Web，可使用 compute 确保代码能编译。 compute() 在 Web 上于主线程运行计算，在移动设备上 spawn 新线程。在移动和桌面平台上 await compute(fun, message) 等价于 await Isolate.run(() => fun(message))。

有关 Web 并发的更多信息，请参阅 dart.dev 的 并发文档。

所有 UI 任务和 Flutter 本身都与主 isolate 绑定，因此无法在 spawn 的 isolate 中用 rootBundle 访问资源，也不能在 spawn 的 isolate 中执行 widget 或 UI 工作。

通过后台 isolate 平台通道，可在 isolate 中使用平台通道向宿主平台（如 Android 或 iOS）发送消息并接收响应，但无法接收来自宿主平台的主动消息。

例如，无法在后台 isolate 中设置长期 Firestore 监听器，因为 Firestore 通过平台通道向 Flutter 推送主动更新。但可在后台查询 Firestore 获取响应。

有关 isolate 的更多信息，请参阅以下资源：

• 若使用多个 isolate，可考虑 Flutter 的 IsolateNameServer 类，或为非 Flutter 的 Dart 应用使用复制该功能的 pub package。

• Dart 的 Isolate 是 Actor 模型 的实现。

• isolate_agents 是抽象 Port、便于创建长期 isolate 的 package。

• 阅读 BackgroundIsolateBinaryMessenger API 公告 的更多内容。