Android 的线程(AsyncTaskHandlerThreadIntentService详解)和线程池

Posted 2020-08-02 Young_xiaoT

android 的线程和线程池

在操作系统中，线程是操作系统调度的最小单元，同时线程又是一种受限的系统资源，即线程不可能无限制的产生，并且线程的创建和销毁都有一定的开销。

当系统中存在大量的线程时，系统会通过时间片轮转的方式调度每个线程，因此线程不可能做到绝对的并发，除非线程数小于等于CUP的核心数，一般来说这是不可能的。如果在一个进程中频繁的创建和销毁线程，这显然不是高效的做法。正确的做法是采用线程池，一个线程池中会缓存一定数量的线程，通过线程池就可以避免因为频繁创建和销毁线程所带来的系统开销。Android中的线程池来源于Java，主要是通过Executor来派生特定类型的线程池，不同种类的线程池又具有各自的特性。

主线程和子线程

主线程是指进程所拥有的线程，在Java中默认情况下一个进程只有一个线程，这个线程就是主线程。
子线程也叫工作线程，除了主线程以为的线程都是子线程。

Android 中的线程形态

除了传统的 Thread 以外，还包括 AsyncTask、HandlerThread 以及 IntentService，这三者底层实现也是线程。

AsyncTask

AsyncTask 是一种轻量级的异步任务类，它可以在线程池中执行后台任务，然后把执行的进度和最终的结果传递给主线程并在主线程中更新UI。

从实现上来说，AsyncTask封装了 Thread 和 Handler，通过 AsyncTask 可以更加方便的执行后台任务以及在主线程中访问UI，但是不适合执行特别耗时的后台任务，对于特别耗时的任务来说，还是使用线程池比较好。

AsyncTask 是一个抽象的泛型类，它提供了 Params、Progerss 和 Result 这三个泛型参数，其中 Params 表示参数的类型，Progress 表示后台任务执行进度的类型，而 Result 则表示后台任务的返回结果的类型，如果不需要传递具体的参数，那么这三个泛型参数可以使用 Void 来代替：

public abstract class AsyncTask<Params, Progress, Result>

AsyncTask 提供了4个核心方法，它们的含义如下：

1. onPreExecute()
   这个方法会在后台任务开始执行之间调用，用于进行一些界面上的初始化操作，比如显示一个进度条对话框等。
2. doInBackground(Params…)
   这个方法中的所有代码都会在子线程中运行，我们应该在这里去处理所有的耗时任务。任务一旦完成就可以通过return语句来将任务的执行结果进行返回，如果AsyncTask的第三个泛型参数指定的是Void，就可以不返回任务执行结果。注意，在这个方法中是不可以进行UI操作的，如果需要更新UI元素，比如说反馈当前任务的执行进度，可以调用publishProgress(Progress…)方法来完成 。
3. onProgressUpdate(Progress…)
   当在后台任务中调用了publishProgress(Progress…)方法后，这个方法就很快会被调用，方法中携带的参数就是在后台任务中传递过来的。在这个方法中可以对UI进行操作，利用参数中的数值就可以对界面元素进行相应的更新。
4. onPostExecute(Result)
   当后台任务执行完毕并通过return语句进行返回时，这个方法就很快会被调用。返回的数据会作为参数传递到此方法中，可以利用返回的数据来进行一些UI操作，比如说提醒任务执行的结果，以及关闭掉进度条对话框等。

除了上述四个方法，AsyncTask 还提供了 onCancelled()方法，它同样在主线程执行，当异步任务被取消时，onCancelled() 方法会被调用，这个时候 onPostExecute则不会被调用。

AsyncTask 的工作原理

从它的 execute 方法开始分析，execute 方法又会调用 executeOnExecutor 方法：

    public final AsyncTask<Params, Progress, Result> execute(Params... params) {
        return executeOnExecutor(sDefaultExecutor, params);
    }

    public final AsyncTask<Params, Progress, Result> executeOnExecutor(Executor exec,
            Params... params) {
        if (mStatus != Status.PENDING) {
            switch (mStatus) {
                case RUNNING:
                    throw new IllegalStateException("Cannot execute task:"
                            + " the task is already running.");
                case FINISHED:
                    throw new IllegalStateException("Cannot execute task:"
                            + " the task has already been executed "
                            + "(a task can be executed only once)");
            }
        }

        mStatus = Status.RUNNING;

        onPreExecute();

        mWorker.mParams = params;
        exec.execute(mFuture);

        return this;
    }

在上面的代码中，sDefaultExecutor 实际上是一个串行的线程池，一个进程中的所有的 AsyncTask 全部在这个串行的线程池中排队执行。

在 executeOnExecutor 中，AsyncTask 的 onPreExecute() 方法最先被执行，然后线程池开始执行。

    public static final Executor SERIAL_EXECUTOR = new SerialExecutor();

    private static volatile Executor sDefaultExecutor = SERIAL_EXECUTOR;

    private static class SerialExecutor implements Executor {
        final ArrayDeque<Runnable> mTasks = new ArrayDeque<Runnable>();
        Runnable mActive;

        public synchronized void execute(final Runnable r) {
            mTasks.offer(new Runnable() {
                public void run() {
                    try {
                        r.run();
                    } finally {
                        scheduleNext();
                    }
                }
            });
            if (mActive == null) {
                scheduleNext();
            }
        }

        protected synchronized void scheduleNext() {
            if ((mActive = mTasks.poll()) != null) {
                THREAD_POOL_EXECUTOR.execute(mActive);
            }
        }
    }

        protected synchronized void scheduleNext() {
            if ((mActive = mTasks.poll()) != null) {
                THREAD_POOL_EXECUTOR.execute(mActive);
            }
        }

首先系统会把 AsyncTask 的 Params 参数封装为 FutureTask 对象,FutureTask 是一个并发类，在这里它充当了 Runnable 的作用。接着这个FutureTask会交给 SerialExecutor 的 execute 方法去处理，SerialExecutor 的 execute 方法首先会把 FutureTask 对象插入到任务队列 mTask中，如果这个时候没有正在活动的 AsyncTask 任务，那么就会调用SerialExecutor的scheduleNext方法来执行下一个AsyncTask任务。

同时当一个 AsyncTask 任务执行完后，AsyncTask 会继续执行其他任务直到所有的任务都被执行为止，从这一点可以看出，在默认情况下， AsyncTask 是串行执行的。

AsyncTask 有两个线程池（SerialExecutor 和 THREAD_POOL_EXECUTOR）和一个 Handler（IntentHandler），其中线程池 SerialExecutor 用于任务的排队，而线程池 THREAD_POOL_EXECUTOR 用于真正的执行任务，InternalHandler 用于将执行环境从线程池切换到主线程。

在 AsyncTask 的构造方法中有如下一段代码，由于 FutureTask 的 run 方法会调用 mWork 的 call 方法，因此 mWork 的 call 方法最终会在线程池中执行。

    public AsyncTask() {
        mWorker = new WorkerRunnable<Params, Result>() {
            public Result call() throws Exception {
                mTaskInvoked.set(true);

                Process.setThreadPriority(Process.THREAD_PRIORITY_BACKGROUND);
                //noinspection unchecked
                Result result = doInBackground(mParams);
                Binder.flushPendingCommands();
                return postResult(result);
            }
        };

        mFuture = new FutureTask<Result>(mWorker) {
            @Override
            protected void done() {
                try {
                    postResultIfNotInvoked(get());
                } catch (InterruptedException e) {
                    android.util.Log.w(LOG_TAG, e);
                } catch (ExecutionException e) {
                    throw new RuntimeException("An error occurred while executing doInBackground()",
                            e.getCause());
                } catch (CancellationException e) {
                    postResultIfNotInvoked(null);
                }
            }
        };
    }

在 mWorker 的call方法中，首先将 mTaskInvoked 设置为true，表示当前任务已经调用过了，然后执行 AsyncTask 的 doBackground 方法，接着将其返回值传递给 postResult 方法。

    private Result postResult(Result result) {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Message message = getHandler().obtainMessage(MESSAGE_POST_RESULT,
                new AsyncTaskResult<Result>(this, result));
        message.sendToTarget();
        return result;
    }

    private static Handler getHandler() {
        synchronized (AsyncTask.class) {
            if (sHandler == null) {
                sHandler = new InternalHandler();
            }
            return sHandler;
        }
    }

postResult 方法会通过 sHandler 发送一个 MESSAGE_POST_RESULT 的消息：

    private static class InternalHandler extends Handler {
        public InternalHandler() {
            super(Looper.getMainLooper());
        }

        @SuppressWarnings({"unchecked", "RawUseOfParameterizedType"})
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            AsyncTaskResult<?> result = (AsyncTaskResult<?>) msg.obj;
            switch (msg.what) {
                case MESSAGE_POST_RESULT:
                    // There is only one result
                    result.mTask.finish(result.mData[0]);
                    break;
                case MESSAGE_POST_PROGRESS:
                    result.mTask.onProgressUpdate(result.mData);
                    break;
            }
        }
    }

可以发现，sHandler 是一个静态对象，为了能够将执行环境切换到主线程，这就要求 sHandler 这个对象必须在主线程中创建。由于静态成员会在加载类的时候进行初始化，因此这就要求 AsyncTask 的类必须要在主线程中加载，否则同一个进程中的 AsyncTask 都将无法正常工作。

sHandler 收到 MESSAGE_POST_RESULT 这个消息后会调用 AsyncTask 的 finish 方法：

    private void finish(Result result) {
        if (isCancelled()) {
            onCancelled(result);
        } else {
            onPostExecute(result);
        }
        mStatus = Status.FINISHED;
    }

如果 AsyncTask 被取消的话，那么就会调用onCancelled 方法，否则就会调用 onPostExecute 方法，doBackground 的返回结果会传递给 onPostExecute 方法，到这里整个 AsyncTask 的工作工程分析完毕了。

HandlerThread

HandlerThread 继承了Thread，它是一种可以使用 Handler 的 Thread，在 run 方法中通过 Looper.prepare() 来创建消息队列，并通过 Looper.loop() 来开启消息循环。

HandlerThread 的 run 方法：

    public void run() {
        mTid = Process.myTid();
        Looper.prepare();
        synchronized (this) {
            mLooper = Looper.myLooper();
            notifyAll();
        }
        Process.setThreadPriority(mPriority);
        onLooperPrepared();
        Looper.loop();
        mTid = -1;
    }

在 HandlerThread 的内部创建了一个具体的任务，外界需要通过Handler的消息方式来通知 HandlerThread 执行一个具体的任务。HandlerThread 的 run 方法是无限循环的，因此当明确不需要再使用 HandlerThread 时，可以通过它的 quit 或者 quitSafely 方法来终止线程的执行。

IntentService

IntentService 是一种特殊的 Service ，它继承了 Service 并且它是一个抽象类，因此必须创建它的子类才能使用 IntentService。

IntentService 可用于执行后台耗时的任务，当任务执行后它会自动停止，同时由于 IntentService 是服务的原因，这导致它的优先级比单纯的线程要高很多，比较适合一些高优先级的后台任务。

IntentService 封装了 HandlerThread 和 Handler:

    public void onCreate() {
        // TODO: It would be nice to have an option to hold a partial wakelock
        // during processing, and to have a static startService(Context, Intent)
        // method that would launch the service & hand off a wakelock.

        super.onCreate();
        HandlerThread thread = new HandlerThread("IntentService[" + mName + "]");
        thread.start();

        mServiceLooper = thread.getLooper();
        mServiceHandler = new ServiceHandler(mServiceLooper);
    }

当 IntentService 被第一次启动时，它的 onCreate 方法就会被调用，onCreate方法会创建一个 HandlerThread，然后使用它的 Looper 来构造一个 Handler 对象 mServiceHandler，这样通过mServiceHandler 发送的消息最终都会在 HandlerThread 中执行，从这个角度来看，IntentService 也可用于执行后台任务。

每次启动 IntentService，它的 onStartCommand 方法就会调用一次，IntentService 在 onStartCommand 中处理每个后台任务的 Intent。

    public void onStart(Intent intent, int startId) {
        Message msg = mServiceHandler.obtainMessage();
        msg.arg1 = startId;
        msg.obj = intent;
        mServiceHandler.sendMessage(msg);
    }

IntentService 仅仅通过 mServiceHandler 发送一个消息，这个消息会在 HandlerThread 中处理。 mServiceHandler 收到消息后，会将 Intent 对象传递给 onHandleIntent 方法去处理。

注意：这个 Intent 对象的内容和外界的 startService(intent) 中的内容是完全一致的，通过这个 Intent 对象即可解析出外界启动 IntentService 时所传入的参数，这样 onHandleIntent 方法就可以对不同的后台任务做处理了。当 onHandleIntent 方法执行结束后，IntentService 会通过 stopSelf(int startId) 方法来尝试停止服务。

    private final class ServiceHandler extends Handler {
        public ServiceHandler(Looper looper) {
            super(looper);
        }

        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            onHandleIntent((Intent)msg.obj);
            stopSelf(msg.arg1);
        }
    }

IntentService 的 onHandleIntent 方法是一个抽象方法，它的作用就是从 Intent 参数中区分具体的任务并执行这些任务。 如果目前只存在一个后台任务，那么 onHandleIntent 方法执行完这个任务后，stopSelf(int starId)就会直接停止任务，如果有多个任务，会执行完最后一个任务再停止服务，这些任务会按照外界发起的顺序排队执行。

Android中的线程池

线程池的优点：

1. 重用线程池的线程，避免因为线程的创建和销毁所带来的性能开销；
2. 能有效的控制线程池的最大并发数，避免大量的线程之间因互相抢占系统资源而导致的阻塞现象；
3. 能够对线程进行简单的管理，并提供定时执行以及指定间隔循环执行等功能；

Android 中的线程池来源于 Java 中的 Executor，Executor 是一个接口，真正的线程池实现为 ThreadPOOLExecutor。

ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor 是线程池的真正实现，它的构造方法提供了一系列参数来配置线程池：

    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             threadFactory, defaultHandler);
    }

• corePoolSie
  线程池的核心线程数，默认情况下，核心线程会在线程池中一直存活，即使它们处于闲置状态。如果将 ThreadPoolExecutor 的 allowCoreThreadTimeOut 属性设置为 true，那么闲置的核心线程在等待新任务到来时会有超时策略，这个事件间隔由keepAliveTime 所指定，当等待事件超过 keepAliveTime 所指定的时间，核心线程会被终止。

• maximumPoolSize
  线程池中所能容纳的最大线程数，当活动线程数达到这个数值后，后续的任务会被阻塞。

• keepAliveTime
  非核心线程闲置是的超时时长，超过这个时长，非核心线程就会被回收。如果将 ThreadPoolExecutor 的 allowCoreThreadTimeOut 属性设置为 true，keepAliveTime 同样会作用于核心线程。

• unit
  用于指定 keepAliveTime 参数的时间单位，这是一个枚举，常用的有 TimeUnit.MILLISECONDS(毫秒)、TimeUnit.SECONDS(秒)以及TimeUnit.MINUTES(分钟)等。

• workQueue
  线程池中的任务队列，通过线程池的 execute 方法提交的 Runnable 对象会存储在这个参数中。

• threadFactory
  线程工厂，为线程池创建新线程的功能。ThreadFactory 是一个接口，它只有一个方法： Thread newThread(Runnable r).

ThreadPoolExecutor 执行任务时大致遵循如下规则：

1. 如果线程池中的线程数量未达到核心线程的数量，那么会直接启动一个核心线程来执行任务。
2. 如果线程池中的线程数量已经达到或者超过核心线程的数量，那么任务会直接插入到任务队列中排队等待执行。
3. 如果在步骤2中无法将任务插入到任务队列里，这往往是由于任务队列已满，这个时候如果线程数量未达到线程池规定的最大值，那么会立刻启动一个非核心线程来执行任务。
4. 如果步骤3中线程数量已经达到线程池规定的最大值，那么就拒绝执行此任务，ThreadPoolExecutor 会调用 RejectedExecutionHandler 的 rejectedExecution 方法来通知调用者。

线程池的分类

1. FixedThread
通过Executors 的 newFixedThreadPool 方法来创建，它是一种线程数量固定的线程池，当线程处于空闲状态时，它们不会被回收，除非线程池被关闭了。

当所有的线程都处于活动状态时，新任务都会处于等待状态，直到有空闲线程。由于此线程池只有核心线程并且这些核心线程不会被回收，这意味着它能够更加快速地响应外界的请求。

2. CacheThreadPool
通过Executors 的 newCacheThreadPool 方法来创建，它是一种线程数量不定的线程池，它只有非核心线程，并且最大线程数为 Integer.MAX_VALUE。当线程池中的线程都处于活动状态时，线程池会创建新的线程来处理新任务，否则就利用空闲的线程来处理新任务。线程池中的空闲线程超时时长为60s，超过就会被回收，线程池的任务会立即执行。所以这类线程池比较适合执行大量的耗时较少的任务。当整个线程池都处于闲置状态时，线程池中的线程都会超时而被停止，这个时候CacheThreadPool 之中实际上是没有任何线程的，它几乎是不占用任何系统资源的。

3. ScheduleThreadPool
通过Executors 的 ScheduleThreadPool 方法来创建，它的核心线程数是固定的，而非核心线程数是没有限制的，并且当非核心线程闲置时会被立即回收。ScheduleThreadPool 这类线程池主要用来执行定时任务和具有固定周期的重复任务。

4. SingleThreadExecutor
通过Executors 的 SingleThreadExecutor 方法来创建，这类线程池内部只有一个核心线程，它确保所有的任务都在同一个线程中按顺序执行。SingleThreadExecutor 的意义在于统一所有的外界任务到一个线程中，这使得在这些任务之间不需要处理线程同步的问题。