彻底搞懂 Dart 的异步
前言一：接下来一段时间我会陆续更新一些列 Flutter 文字教程
更新进度： 每周至少两篇；
更新地点： 首发于公众号，第二天更新于掘金、思否等地方；
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希望大家可以 帮忙转发，点击在看，给我更多的创作动力。
前言二：在写这篇文章之前，我一直在犹豫，要不要在这里讲解 Dart 的异步相关话题，因为这部分内容很容易让初学者望而却步：
1、关于单线程和异步之间的关系，比较容易让人迷惑，虽然我一定会用自己的方式尽可能让你听懂。
2、大量的异步操作方式（Future、await、async 等），目前你看不到具体的应用场景。（比如你学习过前端中的 Promise、await、async 可能会比较简单，但是我会假设你没有这样的基础）。
不过，听我说：如果这一个章节你学完之后还有很多疑惑，没有关系，在后面用到相关知识时，回头来看，你会豁然开朗。
一. Dart 的异步模型
我们先来搞清楚 Dart 是如何搞定异步操作的
1.1. Dart 是单线程的
1.1.1. 程序中的耗时操作
开发中的耗时操作：
- 在开发中，我们经常会遇到一些耗时的操作需要完成，比如网络请求、文件读取等等；
- 如果我们的主线程一直在等待这些耗时的操作完成，那么就会进行阻塞，无法响应其它事件，比如用户的点击；
- 显然，我们不能这么干！！
如何处理耗时的操作呢？
- 针对如何处理耗时的操作，不同的语言有不同的处理方式。
- 处理方式一： 多线程，比如 Java、C++，我们普遍的做法是开启一个新的线程（Thread），在新的线程中完成这些异步的操作，再通过线程间通信的方式，将拿到的数据传递给主线程。
- 处理方式二： 单线程 + 事件循环，比如 JavaScript、Dart 都是基于单线程加事件循环来完成耗时操作的处理。不过单线程如何能进行耗时的操作呢？！
1.1.2. 单线程的异步操作
我之前碰到很多开发者都对单线程的异步操作充满了问号？？？
其实它们并不冲突：
- 因为我们的一个应用程序大部分时间都是处于空闲的状态的，并不是无限制的在和用户进行交互。
- 比如等待用户点击、网络请求数据的返回、文件读写的 IO 操作，这些等待的行为并不会阻塞我们的线程；
- 这是因为类似于网络请求、文件读写的 IO，我们都可以基于非阻塞调用；
阻塞式调用和非阻塞式调用
如果想搞懂这个点，我们需要知道操作系统中的 阻塞式调用 和非阻塞式调用 的概念。
- 阻塞和非阻塞关注的是 程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。
- 阻塞式调用： 调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到调用结果之后才会继续执行。
- 非阻塞式调用： 调用执行之后，当前线程不会停止执行，只需要过一段时间来检查一下有没有结果返回即可。
我们用一个生活中的例子来模拟：
- 你中午饿了，需要点一份外卖，点
外卖的动作就是我们的调用，拿到最后点的外卖就是我们要等待的结果。 - 阻塞式调用： 点了外卖，不再做任何事情，就是在傻傻的等待，你的线程停止了任何其他的工作。
- 非阻塞式调用： 点了外卖，继续做其他事情：继续工作、打把游戏，你的线程没有继续执行其他事情，只需要偶尔去看一下有没有人敲门，外卖有没有送到即可。
而我们开发中的很多耗时操作，都可以基于这样的 非阻塞式调用：
- 比如网络请求本身使用了 Socket 通信，而 Socket 本身提供了 select 模型，可以进行
非阻塞方式的工作； - 比如文件读写的 IO 操作，我们可以使用操作系统提供的
基于事件的回调机制；
这些操作都不会阻塞我们单线程的继续执行，我们的线程在等待的过程中可以继续去做别的事情：喝杯咖啡、打把游戏，等真正有了响应，再去进行对应的处理即可。
这时，我们可能有两个问题：
- 问题一： 如果在多核 CPU 中，单线程是不是就没有充分利用 CPU 呢？这个问题，我会放在后面来讲解。
- 问题二： 单线程是如何来处理网络通信、IO 操作它们返回的结果呢？答案就是事件循环（Event Loop）。
1.2. Dart 事件循环
1.2.1. 什么是事件循环
单线程模型中主要就是在维护着一个事件循环（Event Loop）。
事件循环是什么呢？
- 事实上事件循环并不复杂，它就是将需要处理的一系列事件（包括点击事件、IO 事件、网络事件）放在一个事件队列（Event Queue）中。
- 不断的从事件队列（Event Queue）中取出事件，并执行其对应需要执行的代码块，直到事件队列清空位置。
我们来写一个事件循环的伪代码：
// 这里我使用数组模拟队列, 先进先出的原则
List eventQueue = [];
var event;
// 事件循环从启动的一刻，永远在执行
while (true) {if (eventQueue.length > 0) {
// 取出一个事件
event = eventQueue.removeAt(0);
// 执行该事件
event();}
}当我们有一些事件时，比如点击事件、IO 事件、网络事件时，它们就会被加入到 eventLoop 中，当发现事件队列不为空时发现，就会取出事件，并且执行。
- 齿轮就是我们的事件循环，它会从队列中一次取出事件来执行。
1.2.2. 事件循环代码模拟
这里我们来看一段伪代码，理解点击事件和网络请求的事件是如何被执行的：
- 这是一段 Flutter 代码，很多东西大家可能不是特别理解，但是耐心阅读你会读懂我们在做什么。
- 一个按钮 RaisedButton，当发生点击时执行 onPressed 函数。
- onPressed 函数中，我们发送了一个网络请求，请求成功后会执行 then 中的回调函数。
RaisedButton(child: Text('Click me'),
onPressed: () {final myFuture = http.get('https://example.com');
myFuture.then((response) {if (response.statusCode == 200) {print('Success!');
}
});
},
)这些代码是如何放在事件循环中执行呢？
- 1、当用户发生点击的时候，onPressed 回调函数被放入事件循环中执行，执行的过程中发送了一个网络请求。
- 2、网络请求发出去后，该事件循环不会被阻塞，而是发现要执行的 onPressed 函数已经结束，会将它丢弃掉。
- 3、网络请求成功后，会执行 then 中传入的回调函数，这也是一个事件，该事件被放入到事件循环中执行，执行完毕后，事件循环将其丢弃。
尽管 onPressed 和 then 中的回调有一些差异，但是它们对于事件循环来说，都是告诉它：我有一段代码需要执行，快点帮我完成。
二. Dart 的异步操作
Dart 中的异步操作主要使用 Future 以及 async、await。
如果你之前有过前端的 ES6、ES7 编程经验，那么完全可以将 Future 理解成 Promise，async、await 和 ES7 中基本一致。
但是如果没有前端开发经验，Future 以及 async、await 如何理解呢？
2.1. 认识 Future
我思考了很久，这个 Future 到底应该如何讲解
2.1.1. 同步的网络请求
我们先来看一个例子吧：
- 在这个例子中，我使用 getNetworkData 来模拟了一个网络请求；
- 该网络请求需要 3 秒钟的时间，之后返回数据；
import "dart:io";
main(List<String> args) {print("main function start");
print(getNetworkData());
print("main function end");
}
String getNetworkData() {sleep(Duration(seconds: 3));
return "network data";
}这段代码会运行怎么的结果呢？
- getNetworkData 会阻塞 main 函数的执行
main function start
// 等待 3 秒
network data
main function end显然，上面的代码不是我们想要的执行效果，因为网络请求阻塞了 main 函数，那么意味着其后所有的代码都无法正常的继续执行。
2.1.2. 异步的网络请求
我们来对我们上面的代码进行改进，代码如下：
- 和刚才的代码唯一的区别在于我使用了 Future 对象来将耗时的操作放在了其中传入的函数中；
- 稍后，我们会讲解它具体的一些 API，我们就暂时知道我创建了一个 Future 实例即可；
import "dart:io";
main(List<String> args) {print("main function start");
print(getNetworkData());
print("main function end");
}
Future<String> getNetworkData() {return Future<String>(() {sleep(Duration(seconds: 3));
return "network data";
});
}我们来看一下代码的运行结果：
- 1、这一次的代码顺序执行，没有出现任何的阻塞现象；
- 2、和之前直接打印结果不同，这次我们打印了一个 Future 实例；
- 结论：我们将一个耗时的操作隔离了起来，这个操作不会再影响我们的主线程执行了。
- 问题：我们如何去拿到最终的结果呢？
main function start
Instance of 'Future<String>'
main function end获取 Future 得到的结果
有了 Future 之后，如何去获取请求到的结果：通过.then 的回调：
main(List<String> args) {print("main function start");
// 使用变量接收 getNetworkData 返回的 future
var future = getNetworkData();
// 当 future 实例有返回结果时，会自动回调 then 中传入的函数
// 该函数会被放入到事件循环中，被执行
future.then((value) {print(value);
});
print(future);
print("main function end");
}上面代码的执行结果：
main function start
Instance of 'Future<String>'
main function end
// 3s 后执行下面的代码
network data执行中出现异常
如果调用过程中出现了异常，拿不到结果，如何获取到异常的信息呢？
import "dart:io";
main(List<String> args) {print("main function start");
var future = getNetworkData();
future.then((value) {print(value);
}).catchError((error) { // 捕获出现异常时的情况
print(error);
});
print(future);
print("main function end");
}
Future<String> getNetworkData() {return Future<String>(() {sleep(Duration(seconds: 3));
// 不再返回结果，而是出现异常
// return "network data";
throw Exception("网络请求出现错误");
});
}
上面代码的执行结果：
main function start
Instance of 'Future<String>'
main function end
// 3s 后没有拿到结果，但是我们捕获到了异常
Exception: 网络请求出现错误
2.1.3. Future 使用补充
补充一：上面案例的小结
我们通过一个案例来学习了一些 Future 的使用过程：
- 1、创建一个 Future（可能是我们创建的，也可能是调用内部 API 或者第三方 API 获取到的一个 Future，总之你需要获取到一个 Future 实例，Future 通常会对一些异步的操作进行封装）；
- 2、通过.then(成功回调函数)的方式来监听 Future 内部执行完成时获取到的结果；
- 3、通过.catchError(失败或异常回调函数)的方式来监听 Future 内部执行失败或者出现异常时的错误信息；
补充二：Future 的两种状态
事实上 Future 在执行的整个过程中，我们通常把它划分成了两种状态：
状态一：未完成状态（uncompleted）
- 执行 Future 内部的操作时（在上面的案例中就是具体的网络请求过程，我们使用了延迟来模拟），我们称这个过程为未完成状态
状态二：完成状态（completed）
- 当 Future 内部的操作执行完成，通常会返回一个值，或者抛出一个异常。
- 这两种情况，我们都称 Future 为完成状态。
Dart 官网有对这两种状态解析，之所以贴出来是区别于 Promise 的三种状态
补充三：Future 的链式调用
上面代码我们可以进行如下的改进：
- 我们可以在 then 中继续返回值，会在下一个链式的 then 调用回调函数中拿到返回的结果
import "dart:io";
main(List<String> args) {print("main function start");
getNetworkData().then((value1) {print(value1);
return "content data2";
}).then((value2) {print(value2);
return "message data3";
}).then((value3) {print(value3);
});
print("main function end");
}
Future<String> getNetworkData() {return Future<String>(() {sleep(Duration(seconds: 3));
// 不再返回结果，而是出现异常
return "network data1";
});
}
打印结果如下：
main function start
main function end
// 3s 后拿到结果
network data1
content data2
message data3
补充四：Future 其他 API
Future.value(value)
- 直接获取一个完成的 Future，该 Future 会直接调用 then 的回调函数
main(List<String> args) {print("main function start");
Future.value("哈哈哈").then((value) {print(value);
});
print("main function end");
}
打印结果如下：
main function start
main function end
哈哈哈
疑惑：为什么立即执行，但是 哈哈哈 是在最后打印的呢？
- 这是因为 Future 中的 then 会作为新的任务会加入到事件队列中（Event Queue），加入之后你肯定需要排队执行了
Future.error(object)
- 直接获取一个完成的 Future，但是是一个发生异常的 Future，该 Future 会直接调用 catchError 的回调函数
main(List<String> args) {print("main function start");
Future.error(Exception("错误信息")).catchError((error) {print(error);
});
print("main function end");
}
打印结果如下：
main function start
main function end
Exception: 错误信息
Future.delayed(时间, 回调函数)
- 在延迟一定时间时执行回调函数，执行完回调函数后会执行 then 的回调；
- 之前的案例，我们也可以使用它来模拟，但是直接学习这个 API 会让大家更加疑惑；
main(List<String> args) {print("main function start");
Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {return "3 秒后的信息";}).then((value) {print(value);
});
print("main function end");
}
2.2. await、async
2.2.1. 理论概念理解
如果你已经完全搞懂了 Future，那么学习 await、async 应该没有什么难度。
await、async 是什么呢？
- 它们是 Dart 中的关键字（你这不是废话吗？废话也还是要强调的，万一你用它做变量名呢，无辜脸。）
- 它们可以让我们用
同步的代码格式，去实现异步的调用过程。 - 并且，通常一个 async 的函数会返回一个 Future（别着急，马上就看到代码了）。
我们已经知道，Future 可以做到不阻塞我们的线程，让线程继续执行，并且在完成某个操作时改变自己的状态，并且回调 then 或者 errorCatch 回调。
如何生成一个 Future 呢？
- 1、通过我们前面学习的 Future 构造函数，或者后面学习的 Future 其他 API 都可以。
- 2、还有一种就是通过 async 的函数。
2.2.2. 案例代码演练
Talk is cheap. Show me the code.
我们来对之前的 Future 异步处理代码进行改造，改成 await、async 的形式。
我们知道，如果直接这样写代码，代码是不能正常执行的：
- 因为 Future.delayed 返回的是一个 Future 对象，我们不能把它看成同步的返回数据：
"network data"去使用 - 也就是我们不能把这个异步的代码当做同步一样去使用！
import "dart:io";
main(List<String> args) {print("main function start");
print(getNetworkData());
print("main function end");
}
String getNetworkData() {var result = Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {return "network data";});
return "请求到的数据：" + result;
}
现在我使用 await 修改下面这句代码：
- 你会发现，我在
Future.delayed函数前加了一个 await。 - 一旦有了这个关键字，那么这个操作就会等待
Future.delayed的执行完毕，并且等待它的结果。
String getNetworkData() {var result = await Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {return "network data";});
return "请求到的数据：" + result;
}
修改后执行代码，会看到如下的错误：
- 错误非常明显：await 关键字必须存在于 async 函数中。
- 所以我们需要将
getNetworkData函数定义成 async 函数。
继续修改代码如下：
- 也非常简单，只需要在函数的 () 后面加上一个 async 关键字就可以了
String getNetworkData() async {var result = await Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {return "network data";});
return "请求到的数据：" + result;
}
运行代码，依然报错（心想：你妹啊）：
- 错误非常明显：使用 async 标记的函数，必须返回一个 Future 对象。
- 所以我们需要继续修改代码，将返回值写成一个 Future。
继续修改代码如下：
Future<String> getNetworkData() async {var result = await Future.delayed(Duration(seconds: 3), () {return "network data";});
return "请求到的数据：" + result;
}
这段代码应该是我们理想当中执行的代码了
- 我们现在可以像同步代码一样去使用 Future 异步返回的结果；
- 等待拿到结果之后和其他数据进行拼接，然后一起返回；
- 返回的时候并不需要包装一个 Future，直接返回即可，但是返回值会默认被包装在一个 Future 中；
2.3. 读取 json 案例
我这里给出了一个在 Flutter 项目中，读取一个本地的 json 文件，并且转换成模型对象，返回出去的案例；
这个案例作为大家学习前面 Future 和 await、async 的一个参考，我并不打算展开来讲，因为需要用到 Flutter 的相关知识；
后面我会在后面的案例中再次讲解它在 Flutter 中我使用的过程中；
读取 json 案例代码（了解一下即可）
import 'package:flutter/services.dart' show rootBundle;
import 'dart:convert';
import 'dart:async';
main(List<String> args) {getAnchors().then((anchors) {print(anchors);
});
}
class Anchor {
String nickname;
String roomName;
String imageUrl;
Anchor({
this.nickname,
this.roomName,
this.imageUrl
});
Anchor.withMap(Map<String, dynamic> parsedMap) {this.nickname = parsedMap["nickname"];
this.roomName = parsedMap["roomName"];
this.imageUrl = parsedMap["roomSrc"];
}
}
Future<List<Anchor>> getAnchors() async {
// 1. 读取 json 文件
String jsonString = await rootBundle.loadString("assets/yz.json");
// 2. 转成 List 或 Map 类型
final jsonResult = json.decode(jsonString);
// 3. 遍历 List，并且转成 Anchor 对象放到另一个 List 中
List<Anchor> anchors = new List();
for (Map<String, dynamic> map in jsonResult) {anchors.add(Anchor.withMap(map));
}
return anchors;
}
三. Dart 的异步补充
3.1. 任务执行顺序
3.1.1. 认识微任务队列
在前面学习学习中，我们知道 Dart 中有一个事件循环（Event Loop）来执行我们的代码，里面存在一个事件队列（Event Queue），事件循环不断从事件队列中取出事件执行。
但是如果我们严格来划分的话，在 Dart 中还存在另一个队列：微任务队列（Microtask Queue）。
- 微任务队列的优先级要高于事件队列；
- 也就是说
事件循环都是优先执行微任务队列中的任务，再执行事件队列中的任务；
那么在 Flutter 开发中，哪些是放在事件队列，哪些是放在微任务队列呢？
- 所有的外部事件任务都在事件队列中，如 IO、计时器、点击、以及绘制事件等；
- 而微任务通常来源于 Dart 内部，并且微任务非常少。这是因为如果微任务非常多，就会造成事件队列排不上队，会阻塞任务队列的执行（比如用户点击没有反应的情况）；
说道这里，你可能已经有点凌乱了，在 Dart 的单线程中，代码到底是怎样执行的呢？
- 1、Dart 的入口是 main 函数，所以
main 函数中的代码会优先执行； - 2、main 函数执行完后，会启动一个事件循环（Event Loop）就会启动，启动后开始执行队列中的任务；
- 3、首先，会按照先进先出的顺序，执行
微任务队列（Microtask Queue）中的所有任务； - 4、其次，会按照先进先出的顺序，执行
事件队列（Event Queue）中的所有任务；
3.1.2. 如何创建微任务
在开发中，我们可以通过 dart 中 async 下的 scheduleMicrotask 来创建一个微任务：
import "dart:async";
main(List<String> args) {scheduleMicrotask(() {print("Hello Microtask");
});
}在开发中，如果我们有一个任务不希望它放在 Event Queue 中依次排队，那么就可以创建一个微任务了。
Future 的代码是加入到事件队列还是微任务队列呢？
Future 中通常有两个函数执行体：
- Future 构造函数传入的函数体
- then 的函数体（catchError 等同看待）
那么它们是加入到什么队列中的呢？
- Future 构造函数传入的函数体放在事件队列中
- then 的函数体要分成三种情况：
- 情况一：Future 没有执行完成（有任务需要执行），那么 then 会直接被添加到 Future 的函数执行体后；
- 情况二：如果 Future 执行完后就 then，该 then 的函数体被放到如微任务队列，当前 Future 执行完后执行微任务队列；
- 情况三：如果 Future 世链式调用，意味着 then 未执行完，下一个 then 不会执行；
// future_1 加入到 eventqueue 中，紧随其后 then_1 被加入到 eventqueue 中
Future(() => print("future_1")).then((_) => print("then_1"));
// Future 没有函数执行体，then_2 被加入到 microtaskqueue 中
Future(() => null).then((_) => print("then_2"));
// future_3、then_3_a、then_3_b 依次加入到 eventqueue 中
Future(() => print("future_3")).then((_) => print("then_3_a")).then((_) => print("then_3_b"));3.1.3. 代码执行顺序
我们根据前面的规则来学习一个 极的代码执行顺序 案例：
import "dart:async";
main(List<String> args) {print("main start");
Future(() => print("task1"));
final future = Future(() => null);
Future(() => print("task2")).then((_) {print("task3");
scheduleMicrotask(() => print('task4'));
}).then((_) => print("task5"));
future.then((_) => print("task6"));
scheduleMicrotask(() => print('task7'));
Future(() => print('task8'))
.then((_) => Future(() => print('task9')))
.then((_) => print('task10'));
print("main end");
}
代码执行的结果是：
main start
main end
task7
task1
task6
task2
task3
task5
task4
task8
task9
task10
代码分析：
- 1、main 函数先执行，所以
main start和main end先执行，没有任何问题； - 2、main 函数执行
过程中，会将一些任务分别加入到EventQueue和MicrotaskQueue中； - 3、task7 通过
scheduleMicrotask函数调用，所以它被最早加入到MicrotaskQueue，会被先执行； - 4、然后开始执行
EventQueue，task1 被添加到EventQueue中被执行； - 5、通过
final future = Future(() => null);创建的 future 的 then 被添加到微任务中，微任务直接被优先执行，所以会执行 task6； - 6、一次在
EventQueue中添加 task2、task3、task5 被执行； - 7、task3 的打印执行完后，调用
scheduleMicrotask，那么在执行完这次的EventQueue后会执行，所以在 task5 后执行 task4（注意：scheduleMicrotask的调用是作为 task3 的一部分代码，所以 task4 是要在 task5 之后执行的） - 8、task8、task9、task10 一次添加到
EventQueue被执行；
事实上，上面的代码执行顺序有可能出现在面试中，我们开发中通常不会出现这种复杂的嵌套，并且需要完全搞清楚它的执行顺序；
但是，了解上面的代码执行顺序，会让你对 EventQueue 和microtaskQueue有更加深刻的理解。
3.2. 多核 CPU 的利用
3.2.1. Isolate 的理解
在 Dart 中，有一个 Isolate 的概念，它是什么呢？
- 我们已经知道 Dart 是单线程的，这个线程有自己可以访问的内存空间以及需要运行的事件循环；
- 我们可以将这个空间系统称之为是一个 Isolate；
- 比如 Flutter 中就有一个 Root Isolate，负责运行 Flutter 的代码，比如 UI 渲染、用户交互等等；
在 Isolate 中，资源隔离做得非常好，每个 Isolate 都有自己的 Event Loop 与 Queue，
- Isolate 之间不共享任何资源，只能依靠消息机制通信，因此也就没有资源抢占问题。
但是，如果只有一个 Isolate，那么意味着我们只能永远利用一个线程，这对于多核 CPU 来说，是一种资源的浪费。
如果在开发中，我们有非常多耗时的计算，完全可以自己创建 Isolate，在独立的 Isolate 中完成想要的计算操作。
如何创建 Isolate 呢？
创建 Isolate 是比较简单的，我们通过 Isolate.spawn 就可以创建了：
import "dart:isolate";
main(List<String> args) {Isolate.spawn(foo, "Hello Isolate");
}
void foo(info) {print("新的 isolate：$info");
}
3.2.2. Isolate 通信机制
但是在真实开发中，我们不会只是简单的开启一个新的 Isolate，而不关心它的运行结果：
- 我们需要新的 Isolate 进行计算，并且将计算结果告知 Main Isolate（也就是默认开启的 Isolate）；
- Isolate 通过发送管道（SendPort）实现消息通信机制；
- 我们可以在启动并发 Isolate 时将 Main Isolate 的发送管道作为参数传递给它；
- 并发在执行完毕时，可以利用这个管道给 Main Isolate 发送消息；
import "dart:isolate";
main(List<String> args) async {
// 1. 创建管道
ReceivePort receivePort= ReceivePort();
// 2. 创建新的 Isolate
Isolate isolate = await Isolate.spawn<SendPort>(foo, receivePort.sendPort);
// 3. 监听管道消息
receivePort.listen((data) {print('Data：$data');
// 不再使用时，我们会关闭管道
receivePort.close();
// 需要将 isolate 杀死
isolate?.kill(priority: Isolate.immediate);
});
}
void foo(SendPort sendPort) {sendPort.send("Hello World");
}
但是我们上面的通信变成了单向通信，如果需要双向通信呢？
- 事实上双向通信的代码会比较麻烦；
- Flutter 提供了支持并发计算的
compute函数，它内部封装了 Isolate 的创建和双向通信； - 利用它我们可以充分利用多核心 CPU，并且使用起来也非常简单；
注意：下面的代码不是 dart 的 API，而是 Flutter 的 API，所以只有在 Flutter 项目中才能运行
main(List<String> args) async {int result = await compute(powerNum, 5);
print(result);
}
int powerNum(int num) {return num * num;}
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