Android的线程和线程池

导语

在Android系统,线程主要分为主线程和子线程,主线程处理和界面相关的事情,而子线程一般用于执行耗时操作。频繁创建销毁线程不明智,使用线程池是正确的做法。线程池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。AsyncTask底层是线程池,IntentService/HandlerThread底层是线程。

主要内容

  • 主线程和子线程
  • Android中的线程形态
  • Android线程池

具体内容

在Android中,线程的形态有很多种:

  • AsyncTask封装了线程池和Handler。
  • HandlerThread是具有消息循环的线程,内部可以使用handler
  • IntentService是一种Service,内部采用HandlerThread来执行任务,当任务执行完毕后IntentService会自动退出。由于它是一种Service,所以不容易被系统杀死。

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,其创建和销毁都会有相应的开销。同时当系统存在大量线程时,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,除非线程数量小于等于CPU的核心数。

主线程和子线程

主线程主要处理界面交互逻辑,由于用户随时会和界面交互,所以主线程在任何时候都需要有较高响应速度,则不能执行耗时的任务。

Android3.0开始,网络访问将会失败并抛出NetworkOnMainThreadException这个异常,这样做是为了避免主线程由于被耗时操作所阻塞从而现ANR现象。

Android中的线程形态

AsyncTask

AsyncTask是一种轻量级的异步任务类, 他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可以更加方便地执行后台任务,但是AsyncTask并不适合进行特别耗时的后台任务,对于特别耗时的任务来说, 建议使用线程池。

AsyncTask就是一个抽象的泛型类. 这三个泛型的意义:

  1. Params:参数的类型
  2. Progress:后台任务的执行进度的类型
  3. Result: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用Void来代替。

四个方法:

  • onPreExecute()
    在主线程执行,在异步任务执行之前,此方法会被调用,一般可以用于做一些准备工作。
  • doInBackground()
    在线程池中执行,此方法用于执行异步任务,参数params表示异步任务的输入参数。在此方法中可以通过publishProgress()方法来更新任务的进度,publishProgress()方法会调用onProgressUpdate()方法,另外此方法需要返回计算结果给onPostExecute()。
  • onProgressUpdate()
    在主线程执行,在异步任务执行之后,此方法会被调用,其中result参数是后台任务的返回值,即doInBackground()的返回值。
  • onPostExecute()
    在主线程执行,在异步任务执行之后,此方法会被调用,其中result参数是后台任务的返回值,即doInBackground的返回值。

除了上述的四种方法,还有onCancelled(),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在使用过程中有一些条件限制:

  • AsyncTask的类必须在主线程被加载,这就意味着第一次访问AsyncTask必须发生在主线程,这个问题不是绝对,因为在Android 4.1及以上的版本已经被系统自动完成。在Android 5.0的源码中,可以看到ActivityThread#main()会调用AsyncTask#init()方法。
  • AsyncTask的对象必须在主线程中创建。
  • execute方法必须在UI线程调用。
  • 不要在程序中直接调用onPreExecute(),onPostExecute(),doInBackground和onProgressUpdate()。
  • 一个AsyncTask对象只能执行一次,即只能调用一次execute()方法,否则会报运行时异常。
  • 在Android 1.6之前,AsyncTask是串行执行任务的;Android 1.6的时候AsyncTask开始采用线程池里处理并行任务;但是Android 3.0开始,为了避免AsyncTask带来的并发错误,AsyncTask又采用了一个线程来串行的执行任务。尽管如此在3.0以后,仍然可以通过AsyncTask#executeOnExecutor()方法来并行执行任务。
AsyncTask的工作原理

AsyncTask中有两个线程池(SerialExecutor和THREAD_POOL_EXECUTOR)和一个Handler(InternalHandler),其中线程池SerialExecutor用于任务的排列,而线程池THREAD_POOL_EXECUTOR用于真正的执行任务,而InternalHandler用于将执行环境从线程切换到主线程,其本质仍然是线程的调用过程。

AsyncTask的排队过程:首先系统会把AsyncTask#Params参数封装成FutureTask对象,FutureTask是一个并发类,在这里充当了Runnable的作用。接着这个FutureTask会交给SerialExecutor#execute()方法去处理。这个方法首先会把FutureTask对象插入到任务队列mTasks中,如果这个时候没有正在活动AsyncTask任务,那么就会调用SerialExecutor#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执行完毕为止,从这一点可以看出,在默认情况下,AsyncTask是串行执行的。

HandlerThread

HandlerThread继承了Thread,它是一种可以使用Handler的Thread,它的实现也很简单,就是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,这样在实际的使用中就允许在HandlerThread中创建Handler。

从HandlerThread的实现来看,它和普通的Thread有显著的不同之处。普通的Thread主要用于在run方法中执行一个耗时任务;而HandlerThread在内部创建了消息队列,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是一个很有用的类,在Android中一个具体使用场景就是IntentService。

由于HandlerThread#run()是一个无线循环方法,因此当明确不需要再使用HandlerThread时,最好通过quit()或者quitSafely()方法来终止线程的执行。

IntentService

IntentSercie是一种特殊的Service,继承了Service并且是抽象类,任务执行完成后会自动停止,优先级远高于普通线程,适合执行一些高优先级的后台任务;IntentService封装了HandlerThread和Handler

  1. onCreate方法自动创建一个HandlerThread
  2. 用它的Looper构造了一个Handler对象mServiceHandler,这样通过mServiceHandler发送的消息都会在HandlerThread执行。
  3. IntentServiced的onHandlerIntent方法是一个抽象方法,需要在子类实现,onHandlerIntent方法执行后,stopSelt(int startId)就会停止服务,如果存在多个后台任务,执行完最后一个stopSelf(int startId)才会停止服务。

Android线程池

优点:

  • 重用线程池的线程,减少线程创建和销毁带来的性能开销。
  • 控制线程池的最大并发数,避免大量线程互相抢系统资源导致阻塞。
  • 提供定时执行和间隔循环执行功能。

Android中的线程池的概念来源于Java中的Executor,Executor是一个接口,真正的线程池的实现为ThreadPoolExecutor.Android的线程池大部分都是通过Executor提供的工厂方法创建的。ThreadPoolExecutor提供了一系列参数来配制线程池,通过不同的参数可以创建不同的线程池。而从功能的特性来分的话可以分成四类。

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,这些参数将会直接影响到线程池的功能特性。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                 int maximumPoolSize,
                 long keepAliveTime,
                 TimeUnit unit,
                 BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
    Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
  • corePoolSize: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,即使都处于闲置状态。如果将ThreadPoolExecutor#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的策略,这个时间间隔由keepAliveTime属性来决定。当等待时间超过了keepAliveTime设定的值那么核心线程将会终止。
  • maximumPoolSize:线程池所能容纳的最大线程数,当活动线程数达到这个数值之后,后续的任务将会被阻塞。
  • keepAliveTime:非核心线程闲置的超时时长,超过这个时长,非核心线程就会被回收。allowCoreThreadTimeOut这个属性为true的时候,这个属性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TimeUtil.MILLISECONDS(毫秒),TimeUtil.SECONDS(秒)以及TimeUtil.MINUTES(分)
  • 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,为线程池提供创建新线程的功能。ThreadFactory是一个接口。

ThreadPoolExecutor执行任务大致遵循如下规则:

  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,那么任务会被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中,这通常是因为任务队列已满,这个时候如果线程数量未达到线程池的规定的最大值,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中的线程数量已经达到最大值的时候,那么会拒绝执行此任务,ThreadPoolExecutor会调用RejectedExecution方法来通知调用者。

AsyncTask的THREAD_POOL_EXECUTOR线程池配置:

  • 核心线程数等于CPU核心数+1。
  • 线程池最大线程数为CPU核心数的2倍+1。
  • 核心线程无超时机制,非核心线程的闲置超时时间为1秒。
  • 任务队列容量是128。
线程池的分类
  • FixedThreadPool
    通过Executor#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, 它们并不会被回收, 除非线程池关闭了. 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, 直到有线程空闲出来. 由于FixedThreadPool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.

  • CachedThreadPool
    通过Executor#newCachedThreadPool()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, 并且其最大值线程数为Integer.MAX_VALUE. 这就可以认为这个最大线程数为任意大了. 当线程池中的线程都处于活动的时候, 线程池会创建新的线程来处理新任务, 否则就会利用空闲的线程来处理新任务. 线程池中的空闲线程都有超时机制, 这个超时时长为60S, 超过这个时间那么空闲线程就会被回收。
    和FixedThreadPool不同的是, CachedThreadPool的任务队列其实相当于一个空集合, 这将导致任何任务都会立即被执行, 因为在这种场景下SynchronousQueue是无法插入任务的. SynchronousQueue是一个非常特殊的队列, 在很多情况下可以把它简单理解为一个无法存储元素的队列. 在实际使用中很少使用.这类线程比较适合执行大量的耗时较少的任务。

  • ScheduledThreadPool
    通过Executor#newScheduledThreadPool()方法来创建. 它的核心线程数量是固定的, 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立刻被回收掉. 这类线程池用于执行定时任务和具有固定周期的重复任务。

  • SingleThreadExecutor
    通过Executor#newSingleThreadPool()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. 这类线程池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。

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    原文作者:一个有故事的程序员
    原文地址: https://www.jianshu.com/p/b7680344cd70
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