Kotlin协程技术在网络开发中的应用

黄文亮

（湖南省妇幼保健院，长沙 410008）

Kotlin协程技术在网络开发中的应用

黄文亮

（湖南省妇幼保健院，长沙 410008）

随着互联网的发展，新的技术与开发框架不断涌现，vertx-web是较有代表性的新型网络开发框架之一，而Kotlin则是刚刚成为Android开发语言的一款新的JVM语言，并于最新版本宣布支持协程技术，将两者结合使用会有何效果，就此展开研究。

网络开发；异步编程；vertx；Kotlin

0 引言

当前，网络用户量不断增长，传统的网站架构应对高并发请求显得越来越低效，各种异步网络编程架构也应运而生，vertx-web是其中的一款优秀产品，能够支持JVM平台上的各种语言，并且完全开源。

在传统的thread per request servlet模式下，每个HTTP请求的处理函数内部的任务都是同步依次执行，而线程占用的资源和切换的带价都比较高，如果中间有阻塞任务（例如文件读写或数据库操作）就更为严重；新型的异步框架一般是在底层使用一个线程池，然后由框架对子任务进行分配，最大化地减少线程数量和切换次数。在使用异步框架进行开发的情况下，如何在一个任务完成后继续执行接下来的其他任务，而不挂起主线程，是一个重点问题，最基础的方式是使用回调函数，但有多个任务需要依次执行时，回调的嵌套层数不断增加，会大大提高维护和调试的难度。

Kotlin语言刚刚推出的协程特性是解决异步回调问题的利器，这里我们将研究它与vertx-web结合使用的效果。

1 解决思路

vertx-web已经为我们提供了基本的网络请求监听以及路由功能，现在需要做的就是在处理请求的函数中，将可能阻塞主线程的任务（例如数据库操作和文件读写）异步执行，执行完毕后再回到主线程进行下一步的处理。

vertx对这种场景提供了一种自带的使用回调函数的处理方法，即executeBlocking接口：

这里我们将使用三种不同方式来执行Web处理器中的阻塞任务：1.同步处理；2.使用vertx回调函数方式；3.使用kotlin协程。

Kotlin协程是通过编译技术实现（不需要虚拟机VM/操作系统OS的支持），通过插入相关代码来生效，与其他语言中的协程（例如golang）类似，具有相对于线程小得多的内存占用和极快的切换速度。Kotlin协程针对Java8提供了lauch函数（启动无返回值的协程），future函数（启动需要捕获返回值的协程）和await函数（挂起父协程，异步等待子协程返回的结果），这样在代码结构上就实现了类似java.util.concurrent.Future#get（）的同步代码写法，而又不会阻塞父线程。

程序启动流程描述：

1.创建Verticle对象（vertx框架中的最小应用单元），设置 3个路由：/mode1，/mode2，/mode3分别对应三种不同的处理方法：同步处理函数，vertx异步回调处理函数，Kotlin协程处理函数。

2.启动HTTP服务对象，监听网络请求（使用8088端口）。

测试方式描述：

使用HTTP客户端测试工具模拟大批量并发HTTP请求，发往localhost:8088端口，查看并发量、响应时间和错误率等，并观察是否有卡死或内存溢出现象。

各处理器逻辑：

1.同步处理函数

接收到HTTP请求后，直接同步读取文件，读取完成后响应HTTP请求，向客户端输出文本。该过程会阻塞线程，实际性能相当于传统的thread per request servlet

2.vertx异步回调处理函数

接收到HTTP请求后，调用vertx.executeBlocking接口，注册回调函数，分别用于读取文件内容和获取读文件结果，响应HTTP请求，各个回调函数将被分配给vertx底层的线程池依次执行。该过程不阻塞主线程。

3.Kotlin协程处理函数

接收到HTTP请求后，创建一个父协程用于调度，然后在内部创建子协程用于读取文件，执行子协程时可以使用await方法挂起父协程，使代码逻辑结构接近同步代码。该过程不阻塞主线程。

2 实现

程序中的关键代码如下：

这里我们为了使程序执行情况更接近实际业务，使用了一个随机数来模拟真实业务中的阻塞与非阻塞任务比例（例如可以直接读缓存的查询就可以立即返回），只有25%的请求被判断为需要执行阻塞操作，阻塞操作使用线程的Thread.sleep来进行模拟，每个请求中挂起两次，每次50毫秒。

第一种实现方式代码最为简单，就是直接以同步方式执行，未作任何特殊处理，理论上该方式只能应对较低的并发数，每个任务都阻塞主线程将会大大降低vertx主线程接收请求的能力，并有超时风险。

第二种实现方式就是vertx自带的异步处理逻辑，用executeBlocking接口分配异步任务给底层线程池处理，可以看到代码中出现了两层嵌套的回调结构，当需要执行多个阻塞任务时，将会产生较复杂的嵌套，即“callback hell”，难以调试和维护，但这种方式性能要远高于第一种。

第三种方式是使用Kotlin协程。这里我们使用了父子两个协程，这是因为子任务内部有一个阻塞操作，在该阻塞操作完成之前，外部程序需要挂起等待，而Kotlin的协程挂起操作必须在一个协程的内部进行，所以在外部另启动了一个协程。父协程相当于普通程序中的主线程，而await操作则类似于线程中的join（但协程挂起的代价远远小于线程挂起）。当需要执行多个阻塞任务时，第二个或更多的子协程可以直接跟在第一个子协程后面，写法完全类似于同步代码，不会产生多层嵌套结构。

第二种和第三种实现理论上并发性能应在同一级别。

3 性能测试及分析

这里我们使用apache-jeter工具来模拟HTTP客户端进行高并发请求测试。测试参数配置如下：

线程组数量：1，线程数量：100，循环次数：10，服务器名：localhost

请求路径1：/mode1（对应同步处理器）

请求地址2：/mode2（对应vertx回调处理器

请求地址3：/mode3（对应Kotlin协程处理器）

目标端口：8088，http method：GET

流量定时器限制：target throughput（in samples per minute）=240000.0（即每秒 4000）

测试输出数据如下：

图1

图2

可以看到/mode1的最大响应时间高达6.2秒，平均响应时间和中位数响应时间都超过了2.7秒，这主要是由于每个请求都阻塞了vertx调度线程，后面的请求自然不得不浪费大量的时间用于等待。而/mode2和/mode3的表现都相当不错，最大响应时间分别控制在了300毫秒和200毫秒，/mode3的中位数响应时间甚至只有1毫秒。

图3

同时，/mode2和/mode3的CPU占用率只在极短时间内超过了90%，大部分时间维持在20%以下，内存占用率由于测试客户端提前分配了线程，测试过程中几乎没有发生变化，也就是说，服务端只使用了预分配的内存就完全响应了所有请求，由此可见vertx-web+Kot⁃lin协程组合的高并发性能是十分强劲的。

4 结语

本文对新型网络开发框架vertx-web与新型异步编程技术Kotlin协程的结合使用展开了探索，并给出了具体实现，经过实际测试对比，该方案确实能提供优异的并发性能，同时还具有协程的易于开发、调试和维护的特点，兼顾了程序性能和开发易用性，有助于快速开发高性能的网络应用。

[1]Roman Elizarov.Module Kotlinx-coroutines-jdk8[DB/OL]．https://github.com/Kotlin/kotlinx.coroutines/blob/master/integration/kotlinx-coroutines-jdk8/README.md，2017-5-17.

Kotlin Coroutine in Web Development

HUANG Wen-liang
（Maternal and Child Health Hospital of Hunan,Changsha 410008）

With the development of the Internet technology and the emergence of new development framework,vertx-web is one of the representative of the new network development framework,Kotlin is Android's official language development has just become a new JVM language,which announced support Coroutine technology in the latest version,so as to study the combine effect on them.

Web Development;Async Coding;Vertx;Kotlin

1007-1423（2017）33-0080-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.33.019

黄文亮（1987-），男，湖南长沙人，软件工程师，本科

2017-10-12

2017-11-20