Android的线程和线程池

线程

线程在Android中是一个很重要的概念，从用途上来说，线程分为主线程和子线程，主线程主要处理和界面相关的事情，而子线程则往往用于执行耗时操作。由于Android的特性，如果在主线程中执行耗时操作那么会导致程序无法及时响应（ANR），因此耗时操作必须放在子线程中执行。

除了Thread本身除外，在Android中可以扮演线程角色的的还有很多，比如AsyncTask和IntentService,同时HandlerThread也是一种特殊的线程。尽管他们的表现形式有别于传统的线程，但是他们的本质仍然是传统的线程。不同形式的线程虽然都是线程，但是它们仍然有不同的特性和使用场景。下面将分别来剖析上面所提到的三种线程：

1. 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结果传递给主线程并在主线程中更新UI。从实现来说，AsyncTask封装了Thread和Handler，通过AsyncTask可以更方便地执行后台任务以及在主线程中访问UI，但是AsyncTask并不适合进行特别耗时的后台任务，对于特别耗时的来说，建议使用线程池。

AsyncTask是一个抽象的泛型类，他提供了Params、Progress和Result三个泛型参数，分别用于表示参数的类型、后台任务的执行进度的类型、返回结果的类型。如果AsyncTask确实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。AsyncTask这个类的声明如下所示：

public abstract class AsyncTask<Params, Progress, Result>

AsyncTask提供了4个核心方法，它们的含义如下所示：

  • onPreExecute()，在主线程中执行，在异步任务执行之前，此方法会被调用，一般可用于做一些准备工作。
  • doInBackground(Params... params),在线程池中执行，此方法用于执行异步任务，params参数表示异步任务的输入参数。在此方法中可以通过publishProgress(Progress... values)来更新任务进度，publishProgress会调用onProgressUpdate方法。另外此方法需要返回计算结果给onPostExecute()方法。
  • onProgressUpdate(Progress... values)，在主线程中执行，当后台任务的执行进度发生改变时此方法会被调用。
  • onPostExecute(Result result)，在主线程中执行，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。

上面几个方法，onPreExecute()先执行，接着是doInBackground，最后是onPostExecute。除了上述四个方法外，AsyncTask还提供了onCanceled()方法，他同样在主线程中进行，当异步任务被取消时，onCanceled()方法会被调用，这个时候onPostExecute则不会被调用。下面提供一个典型的示例：

public class DownloadFilesTask extends AsyncTask<URL, Integer, Long> {

    @Override
    protected void onPreExecute() {
        super.onPreExecute();
    }

    @Override
    protected Long doInBackground(URL... urls) {
        int count = urls.length;
        long totalSize = 0;
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            totalSize += Downloader.downloadFile(urls[i]);
            publishProgress((int) ((i / (float) count) * 100));
            if (isCancelled()) {
                break;
            }
        }
        return totalSize;
    }

    @Override
    protected void onProgressUpdate(Integer... values) {
        setProgressPercent(values[0]);
    }

    @Override
    protected void onPostExecute(Long result) {
        showDialog("Downloaded" + result + " bytes");
    }


}

当要执行该任务是，可通过如下方式：

 new DownloadFilesTask().execute(url1,url2,url3);

AsyncTask在具体使用的过程中有一些条件限制，主要有如下几点：

  • AsyncTask的类必须在主线程中加载。
  • 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()、doInBackground、onProgressUpdate和onPostExecute方法。
  • 一个AsyncTask对象只能执行一次，即只能调用一个execute方法，否则会报运行时异常（IllegalStateException）。
  • AsyncTask默认是串行执行任务的，但是可以通过executeOnExecutor方法来让他并行的执行任务。

关于AsyncTask的介绍就到这了，如果想要深入了解其工作原理，请阅读：AsyncTask的工作原理（源码剖析）。

2. 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，这样在实际的使用中就允许在HandlerThread中创建Handler了。HandlerThread的run方法如下所示：

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

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，它在Android中的一个具体使用场景是IntentService。由于HandlerThread的run方法是一个无限循环，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。

3. IntentService

IntentService是一个特殊的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，所以IntentService比较适合执行一些高优先级的后台任务，因为它优先级高不容易被系统杀死。在实现上，IntentService封装了HandlerThread和Handler，这一点可以从它的onCreate方法看出来：

@Override
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也可以用于执行后台任务。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。下面看一下onStartCommand方法是如何处理外界的Intent的，onStartCommand调用了onStart，onStart方法的实现如下：

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

可以看出，IntentService仅仅是通过mServiceHandler发送了一个消息，这个消息会在HandlerThread中被处理。mServiceHandler收到消息后，会将Intent对象传递给onHandlerIntent方法去处理。注意这个Intent对象的内容和外界的startService(intent)中的intent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时所传递的参数，通过这些参数就可以区分具体的后台任务，这样在onHandlerIntent方法中就可以对不同的后台任务做处理了。当onHandlerIntent方法执行结束后，IntentService会通过stopSelf(int startId)方法来尝试停止服务。这里之所以采用stopSelf(int startId)而不是stopSelf()来停止服务，是因为stopSelf()会立刻停止服务，而这个时候可能还有其他消息未处理，stopSelf(int startId)则会等待所有的消息都处理完毕后才终止服务。
一般来说，stopSelf(int startId)在尝试停止服务之前会判断最近启动服务的次数是否和startId相等，如果相等就立刻停止服务，不相等则不停止服务。ServiceHandler的实现如下所示：

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onHandlerIntent方法是一个抽象方法，它需要我们在子类中实现，它的作用是从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onHandlerIntent方法执行完这个任务后，stopSelf(int startId)就会直接停止服务；如果目前存在多个后台任务，那么当onHandlerIntent方法执行完最后一个任务时，stopSelf(int startId)就才直接停止服务。另外，由于每执行一个后台任务就必须启动一次IntentService，而IntentService内部则通过消息的方式向HandlerThread请求执行任务，Handler中的Looper是按顺序处理消息的，这就意味着IntentService也是顺序执行后台任务的，当多个后台任务同时存在时，这些后台任务会按照外界发起的顺序排队执行。
下面通过一个例子来验证这一点，首先实现一个IntentService类：

public class LocalIntentService extends IntentService {

    private static final String TAG = "LocalIntentService";

    /**
     * Creates an IntentService.  Invoked by your subclass's constructor.
     */
    public LocalIntentService() {
        super(TAG);
    }


    @Override
    protected void onHandleIntent(@Nullable Intent intent) {
        String action = intent.getStringExtra("task_action");
        Log.d(TAG, "receive task: " + action);
        SystemClock.sleep(3000);
        if ("com.yu.hu.action.TASK1".equals(action)) {
            Log.d(TAG, "handle task: " + action);
        }
    }

    @Override
    public void onDestroy() {
        Log.d(TAG, "service onDestroy");
        super.onDestroy();
    }
}

然后添加一个按钮并写上点击事件：

Button button = findViewById(R.id.btn_start_task);
button.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
    @Override
    public void onClick(View v) {
    
        Intent intent = new Intent(MainActivity.this, LocalIntentService.class);
        intent.putExtra("task_action", "com.yu.hu.action.TASK1");
        startService(intent);
    
        intent.putExtra("task_action", "com.yu.hu.action.TASK2");
        startService(intent);
    
        intent.putExtra("task_action", "com.yu.hu.action.TASK3");
        startService(intent);
    
    }
});

运行结果：


由此可以验证出确实是排队执行的，且当TASK3执行完成后，LocalIntentService才执行onDestroy，服务才会停止。

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会有相应的开销。所以此时线程池就派上了用场。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。
线程池主要有以下三个优点：

  • 重用线程池中的线程，避免因为线程的创建和销毁所带来的的性能开销。
  • 能有效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。
  • 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，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各有各的特性。Executor是一个接口，真正的线程池的实现为ThreadPoolExecutor。ThreadPoolExecutor提供了一系列的参数来配置线程池，通过不同的参数可以创建不同的线程池。推荐阅读：ThreadPoolExecutor配置细节。

Android中有四类常见的具有不同功能特性的线程池，它们都直接或间接地通过配置ThreadPoolExecutor来实现自己的功能特性。它们分别是：FixedThreadPool、CachedThreadPool、ScheduledThreadPool以及SingleThreadExecutor。下面一一简单介绍下这四种线程池：

  • FixedThreadPool
    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，它们并不会被回收，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，直到有线程空闲下来。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。newFixedThreadPool方法的实现如下，可以发现FixedThreadPool中只有核心线程并且这些核心线程没有超时机制，另外任务队列也是没有大小限制的。
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
            0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
            new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
  • CachedThreadPool
    通过Executors的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，并且其最大线程数为 Integer.MAX_VALUE。由于 Integer.MAX_VALUE是一个很大的数，实际上就相当于最大线程数可以任意大。当线程池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60秒的超时机制，超过60秒闲置线程就会被回收。和FixedThreadPool不同的是，CachedThreadPool的任务队列相当于一个空集合，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，很多情况下可以把它理解为一个无法存储元素的队列。
    从CachedThreadPool的特性来看，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CachedThreadPool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。CachedThreadPool方法的实现如下：
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
            60L, TimeUnit.SECONDS,
            new SynchronousQueue<Runnable>());
}
  • ScheduledThreadPool
    通过Executors的newScheduledThreadPool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。ScheduledThreadPool这类线程池主要用于执行定时任务和具有固定周期的重复任务，newScheduledThreadPool方法的实现如下所示：
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
            DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
            new DelayedWorkQueue());
}
  • SingleThreadExecutor
    通过Executors的newSingleThreadExecutor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。SingleThreadExecutor方法的实现如下所示：
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

上面对Android中常见的4种线程池进行了详细的介绍，除了上面系统提供的4种线程池外，也可以根据实际需要灵活地配置线程池。最后附上一段代码用于演示这四种线程池的典型使用方法：

Runnable command = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        SystemClock.sleep(2000);
    }
};

ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(4);
fixedThreadPool.execute(command);

ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
cachedThreadPool.execute(command);

ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(4);
//2000ms后执行command
scheduledThreadPool.schedule(command, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);
//延迟10ms后，每隔1000ms执行一次command
scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(command, 10, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
singleThreadExecutor.execute(command);

参考书籍： 《Android开发艺术探索》第11章

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