Как устроена асинхронность (async/await) в Dart?

TL;DR;

Разберем пример кода и работу async/await в Dart, объясняя, почему получается именно такой вывод.

Ключевые моменты для понимания асинхронности в Dart:

• Ключевое слово async указывает, что функция может работать асинхронно и возвращает Future. Даже если функция не содержит await, она неявно возвращает Future.
• Ключевое слово await используется внутри async функции и приостанавливает выполнение функции до тех пор, пока Future (результат работы другой асинхронной операции) не завершится. Важно: await не блокирует основной поток (isolate) Dart.
• Future представляет результат асинхронной операции. Он может находиться в одном из трех состояний:
  • Незавершенный (uncompleted): операция еще выполняется.
  • Завершенный успешно (completed): операция завершена, и Future содержит результат.
  • Завершенный с ошибкой (completed with error): операция завершена с ошибкой.
• Event Loop (Цикл событий): Dart использует цикл событий для обработки асинхронных операций. Когда встречается await, текущая функция приостанавливается, и управление возвращается в цикл событий. Цикл событий продолжает обрабатывать другие задачи. Когда Future после await завершается, цикл событий возобновляет выполнение приостановленной функции с того места, где она остановилась.

Теперь разберем пошагово выполнение вашего кода:

Давайте разберем как работает асинхронность в вашем примере:

1. Сначала выполняется main() и печатается первая строка с временем.
2. Затем вызывается func(). Поскольку она помечена как async, она возвращает Future. При этом:
   • Когда встречается await, выполнение func() приостанавливается
   • Управление возвращается в main()
   • Dart запоминает, что нужно вернуться к выполнению func() после завершения func2()
3. main() продолжает выполнение и вызывает func3(), которая сразу печатает своё сообщение.
4. Параллельно выполняется func2(). Хотя она помечена как async, в ней нет реальной асинхронности - только тяжелый синхронный цикл. Поэтому она блокирует выполнение.
5. Когда func2() завершается, управление возвращается в func() на строку после await, и печатается результат.

Тут нужно рассказать ещё подробно об Event Loop.

Event Loop содержит несколько очередей:

• Microtask queue (микрозадачи) - очередь с наивысшим приоритетом
• Event queue (события) - основная очередь для асинхронных операций

Порядок обработки:

while (true) {
  // 1. Выполняет микрозадачи
  while (microtaskQueue.isNotEmpty) {
    var task = microtaskQueue.removeFirst();
    execute(task);
  }
  
  // 2. Выполняет события
  if (eventQueue.isNotEmpty) {
    var event = eventQueue.removeFirst();
    execute(event);
  }
}

4. Пример порядка выполнения:

void main() {
  print('start'); // 1
  
  Future(() => print('event queue')); // 4
  
  Future.microtask(() => print('microtask queue')); // 2
  
  Future.delayed(
    Duration(seconds: 1),
    () => print('timer queue'), // 5
  );
  
  print('end'); // 3
}

Важные особенности:

• Event Loop начинает работу только после завершения синхронного кода
• Микрозадачи всегда выполняются до событий
• Новые микрозадачи, добавленные во время выполнения текущей микрозадачи, будут выполнены до перехода к событиям
• Таймеры выполняются только когда подойдет их время
• Event Loop работает в одном потоке

Изоляты (Isolates):

• Каждый изолят имеет свой собственный Event Loop
• Изоляты работают параллельно и не делят память
• Общаются через передачу сообщений

Если обе очереди в Event Loop (и очередь микрозадач, и очередь событий) пусты, Dart runtime (среда выполнения) переходит в состояние ожидания. Он перестает активно выполнять код и ждет появления новых событий.

Что происходит дальше, зависит от конкретной платформы и реализации Dart runtime:

• Нативные платформы (мобильные, десктоп): Dart runtime обычно взаимодействует с операционной системой, которая уведомляет его о наступлении новых событий (например, завершение I/O-операции, ввод пользователя, таймер). Runtime "спит", потребляя минимальные ресурсы, пока не получит такое уведомление. Получив уведомление, runtime "просыпается", добавляет соответствующее событие в очередь событий и возобновляет работу Event Loop.
• Веб (Dart компилируется в JavaScript): В браузере Dart runtime интегрируется с JavaScript Event Loop. Когда очереди Dart Event Loop пусты, управление возвращается в JavaScript Event Loop. Браузер обрабатывает свои собственные события (например, отрисовка страницы, обработка событий DOM). Когда происходит событие, которое должно быть обработано Dart кодом (например, завершение XMLHttpRequest), браузер добавляет соответствующее событие в очередь событий Dart, и Dart Event Loop возобновляет работу.

Ну и под конец, это тоже важно, программа на Dart завершается, когда выполняются все следующие условия:

• Выполнен весь синхронный код
• Все очереди Event Loop пусты (microtask queue, event queue)
• Нет активных таймеров
• Нет незавершенных операций ввода/вывода
• Нет других источников событий