DartVM 异步实现原理
介绍
Dart 是一门单线程语言，基于消息队列实现异步。在日常 Dart 编程中，经常会写 Future 和 Timer。这种异步机制底层是怎么实现的呢？在本文中进行讲解。
消息队列数据结构
消息队列是存放消息的队列。如下图所示：
其中：
- 通过 Enqueue() 可以向队列尾部添加消息
- 通过 Dequeue() 可以从队列头部取出消息
注：Enqueue() 通过设置参数 before_event，可以向队列头部插入消息（插队）
Message
在 DartVM 有，专门有一个 Message 类，表示消息对列上的消息。位于 runtime/vm/message.h。
消息就像一封信，包含几个要素：
- 内容：通过消息传递的数据，payload_
- 地址：消息送到哪里去，dest_port
- 类型：消息分类两类，普通消息和控制消息（OOB）
- 优先级：先处理高优
跟生活中寄出一封信，或者寄一个快递是类似的。
Message 实例：Future 异步
Message 的实际使用场景是什么？Future 就是基于 MessageQueue 和 Message 来实现的。
在很多教程文章，都会提到，当执行 Future 时，会将任务插入到队尾，当消息队列执行到该任务时，Future 中的代码才会真正执行，因此实现异步。
Future 往消息队列上插的是什么？对应的 Message 内容是什么？
这封信的要素：
- 内容：1
- 地址：定时器专用消息处理器地址，Future 和定时器共用一套处理逻辑
- 类型：普通消息
- 优先级：普通优先级
每个消息都有一个目标地址，目标地址关联着一个消息处理器。Future 和定时器共用一套处理逻辑，对应着一个专门的消息处理器。
消息的内容是个数字，就是 1，这个值定义在 sdk/lib/_internal/vm/lib/timer_impl.dart 中：static const _ZERO_EVENT = 1;
这个 1 有什么特殊意义吗？是个枚举值，用来在处理逻辑中做类型判断用。
Future 异步处理先介绍到这里，补充点基础知识之后再回来看。
Dart Port 机制
Port 端口
Message 的地址长什么样？这套机制由 Dart 虚拟机底层的 Port 机制来提供。
Port 机制说简单也简单，它就是一个整数，在虚拟机中有一个专门的类型定义：
typedef int64_t Dart_Port;
每个数字就是一个 Port，在虚拟机中专门有一个方法用来分配端口号（PortMap::AllocatePort）。
MessageHandler
通过端口（门牌号），消息有了传送的目的地。但是送到目的地，谁负责接收呢？答案是 MessasgeHandler。
MessasgeHandler 顾名思义，消息处理器，专门用来处理消息。它位于 runtime/vm/message_handler.h，方法签名如下：
MessageHandler::MessageStatus MessageHanler::HandleMessage(
MonitorLocker* ml,
bool allow_normal_message,
bool allow_multiple_normal_messages);
在该方法的实现里，MessasgeHandler 会从消息队列中循环取出消息执行。
PortMap
Port 端口和 MessageHandler 之间是什么关系？是映射关系。
有一个专门的类，负责维护 Port 与 MessageHandler 的映射数据结构，它就是 PortMap。它位于 runtime/vm/port.h。
需要注意：在 Dart 虚拟机中有两个 PortMap，一个位于 C/C++ 层，一个位于 Dart 层，两者之间也有联系。这里我们先说 C/C++ 层的，Dart 层的后文再说。
PortMap 中 Port 与 MessageHandler 的映射关系如下图：
其中：
- 每个端口号都有一个 MessageHandler 与之关联，同时关联的还有一个端口状态 PortState
- PortSet 是虚拟机自己实现的一个集合类容器，Entry 是其中的元素，每个元素包含端口号-消息处理器-端口状态
- PortMap 对外提供一个 PortMap::CreatePort(MessageHandler* handler) 方法，用于创建一个端口，并与传入的 handler 绑定，并存入 PortSet 中
端口机制小结
对于 Dart 的端口机制，先小结一下：
- Port 端口，是一个整数，是 message 的目的地
- 每个端口都有一个唯一的消息处理器 MessageHandler 与之对应
- Port 和 MessageHandler 的映射关系，在 PortMap 中进行维护
- PortMap 对外提供一个 PortMap::CreatePort(MessageHandler* handler) 方法，用于创建一个端口，并与传入的 handler 绑定，并存入 PortSet 中
Isolate 中的消息队列
前面介绍了消息队列数据结构，消息队列在 Dart 中是如何运用的？
在 Dart 虚拟机里，代码运行在 Isolate 中，消息队列在 Isolate 里。
Isolate
Flutter/Dart 代码是事件驱动的，代码运行在 Isolate 当中。对于 Dart 开发来说，Isolate 相当于线程，基于 Isolate 可以实现无锁并发。
Isolate 的组成结构如下图所示：
其中：
- Isolate 包含 MessageHandler，MessageHandler 包含消息队列（实际有2条）
- Isolate 运行在一条线程上，称为 Mutator Thread
Isolate 创建成功后，会启动消息队列，进行消息循环处理。
（注：关于 Isolate 是如何执行 Dart 代码的，会在另一篇文章中进行说明，本文只围绕消息处理主题。）
MessageHandler
MessageHandler 是 Dart 虚拟机中的一个底层类，前文介绍了 MessageHandler 如何处理消息，这里给出 MessageHandler 的完整功能：
- 维护两条消息队列：
- quque_ 是消息队列：传递普通消息
- oob_queue_ 是控制消息队列：传递控制消息
- MessageHandler 负责创建消息队列
- 将消息队列放在线程池中执行
- 通过 MessageHandler::PostMessage 向消息队列发送消息
- 维护一个 PortSet，与 PortMap 有映射关系
重点说一下 MessageHandler 将消息队列放在线程池中执行：消息队列只是一个数据结构，需要有一个循环逻辑来消费这个队列。这部分逻辑由 MessageHandler::Run 方法提供。
MessageHandler 的组成结构如下图所示：
IsolateMessageHandler
MessageHandler 作为 Isolate 的成员，在 Isolate 创建的时候（Isolate::InitIsolate），Isolate 会通过 PortMap 创建一个新端口，并传入自己的 MessageHandler 与该端口关联。这个端口就是 Isolate 的主端口（main_port）。
MessageHandler 是一个抽象类，Isolate 的 MessageHandler 具体类型是 IsolateMessageHandler，从名称可以看出，该类专门负责 Isolate 的消息处理。
ReceivePort 机制
Port 机制很好理解，一个端口号绑着一个消息处理器，向端口号发送消息，消息处理器就能收到回调。
然而实际的情况要更加复杂。前面的讲解都是基于虚拟机 C/C++ 层的底层实现，而现实中开发者编写的都是 Dart 代码，开发者使用消息回调也都是 Dart 实现，这部分 Dart 层到 C/C++ 层是需要衔接的。为此 Dart 虚拟机提供了 ReceivePort 机制，这是一层对 Port 机制的封装。Dart 层的 Future、Timer 定时器都基于该 ReceivePort 机制。
ReceivePort 的完整类继承关系如下（覆盖 C/C++ 和 Dart 层）：
直观理解
关于这些类的细节解读，可以参见我博客中相关文章。这里以一种顶层的宏观理解来概括。
Dart 层的 ReceivePort
在学习 Dart Isolate 间通信的时候，我们知道需要先创建 ReceivePort。ReceivePort 中有一个 SendPort，把 SendPort 传给新 Isolate，新 Isolate 拿到 SendPort，就能向 ReceivePort 回传数据了。实例代码如下：
void demo() {
ReceivePort port = ReceivePort();
// 创建 isolate
isolate.spawn(func, port.sendPort);
port.listen((message) {
print(message)
});
}
void func(SendPort sendPort) {
sendPort.send(1)
}
ReceivePort 与 Port 机制
Dart 侧的 ReceivePort 是 C/C++ 底层 Port 机制的一个具体实现。
当创建 ReceivePort 实例的时候，会在底层创建一个新的端口，通过前面的章节我们知道，新端口要与 MessageHandler 相绑定。
对于 ReceivePort 来说，listen 方法起到的是 MessageHandler 的作用。那底层 C/C++ 的 PortMap 中，新端口对应的 MessageHandler，是这个 Stream 吗？
答案并不是。因为这里涉及到 Dart 到 C/C++ 的跨层，Dart 虚拟机采用了一种间接转发机制。
Dart MessageHandler 转发
当创建 ReceivePort 实例的时候，会在底层创建一个新的端口，这个端口对应的 MessageHandler 绑定的是 Isolate 的 MessageHandler。
也就是说，用 ReceivePort 的 SendPort 发送消息，首先接收到消息的是其 Isolate 的 MessageHandler。
Isolate 的 MessageHandler
Isolate 的 MessageHandler，类型为 IsolateMessageHandler，位于 sdk/lib/_internal/vm/lib/isolate_patch.dart。
解析消息的方法是 IsolateMessageHandler::HandleMessage。
IsolateMessageHandler 会处理多种消息类型：
- OOB 消息：全称是 out of band，是用于控制 Isolate 的一些控制消息
- 普通消息
Dart 侧的 ReceivePort 属于普通消息，IsolateMessageHandler::HandleMessage 解析到该消息时，会去获取 ReceivePort 的 MessageHandler。
ReceivePort 实现了 Stream 接口，它的 MessageHandler 实际上是 StreamController.add 方法（参见 sdk/lib/_internal/vm/lib/isolate_patch.dart 的 _ReceivePortImpl.fromRawReceivePort 命名构造方法）。
Dart 侧还有一个 PortMap
IsolateMessageHandler::HandleMessage 是怎么找到 ReceivePort 的 StreamController.add 呢？
前面讲的 PortMap 是一个 C++ 类，将端口与 MessageHandler 相关联，C++ 的 PortMap 关联的 MessageHandler 都是 C++ 的。ReceivePort 的 StreamController.add 是 Dart 的。
答案是 Dart 层还有一个 PortMap，存的是端口号到 Dart MessageHandler 的映射关系。Dart 层 PortMap 的类型签名是：
static final _portMap = <int, Map<String, dynamic>>{};
其中：
- key 是个 int，比较熟悉吧，他就是 Dart_Port 端口号
- value 是个嵌套 map，长这样：{ 'port': dart_handler_func }
- dart_handler_func 就是 ReceivePort 的 StreamController.add
回到 Isolate 的 MessageHandler，它拿到一条普通消息，然后查询 Dart 侧的 PortMap，找到 ReceivePort 的 处理回调（StreamController.add）执行
Isolate ReceivePort 通信机制
至此，我们梳理完成了 Dart 虚拟机 Isolate ReceivePort 通信机制。由于涉及到 Dart/C++ 跨层，中间通过 IsolateMessageHandler::HandleMessage 转发了一次，显得有些绕。
整体流程如下：
Isolate 无锁并发
Isolate 相当于传统意义上的线程，通过 ReceivePort 机制，可以实现无锁并发。通过上面分析，可以知道实现原因。
Isolate 间通信的时候，通过 ReceivePort/SendPort 机制相互首发信息，消息（Message）实际上是发送到对方的消息队列中，因此不存在一个变量同时被多个线程访问的情况。
Timer
Future 和定时器都是日常开发中常用的功能，Future 又是基于定时器实现的，因此首先分析定时器的实现原理。
关系图
定时器也是横跨 Dart 和 C++ 两界，因此涉及到的类也比较多，如下图所示：
