Android的线程和线程池

Android的线程和线程池

  线程在Android中是一个很重要的概念，从用途上来说，分为主线程和子线程，主线程主要处理和界面相关的事情，而子线程则往往是用于执行耗时操作。除了Thread本身以外，在Android中可以扮演线程角色的还有很多，比如AsyncTask和IntentService，同时HandlerThread也是一种特殊的线程。尽管它们的表现形式有别于传统线程，但是它们的本质仍然是传统的线程。对于AsyncTask来说，它的底层用到了线程池，对于IntentService和HandlerThread来说，它们底层则直接使用了线程。

Android中的线程形态

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，然后吧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以及在主线程中访问UI，但是AsyncTask并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，建议使用线程池。

  AsyncTask是一个抽象泛型类，它提供了Params、Progress和Result这三个泛型参数，其中Params表示参数的类型，Progress表示后台任务的执行进度的类型，而Result则表示后台任务返回结果的类型，如果AsyncTask确实不需要传递具体的参数类型，那么这三个泛型参数可以用Void来代替。

public abstract class AsyncTask

AsyncTask提供了4个核心方法，

1. onPreExecute()， 在主线程中执行，在异步任务之前调用，一般用于做一些准备工作。
2. doInBackground(Params… params)，在线程池中执行，用于执行异步任务，params表示异步任务输入参数。在此方法中可以通过publishProgress方法来更新任务进度，publishProgress方法会调onProgressUpdate方法。另外此方法需要返回计算结果给onPostExecute方法。
3. onProgressUpdate(Progress… values)，在主线程中执行，当后台任务的执行进度发生改变是此方法被调用
4. onPostExecute(Result result)， 在主线程中执行，在异步任务执行之后，此方法被调用，其中result参数是后台任务的返回值，即doInBackground的返回值。

上面这几个方法，onPreExecute先执行，接着是doInBackground，最后才是onPostExecute，除了上述四个方法以外，AsyncTask还提供了onCancelled()方法，它同样在主线程中执行，当异步任务被取消时，onCancelled会被调用，这个时候onPostExecute则不会调用。

AsyncTask在具体的使用过程中也是有一些条件限制的，

1. AsyncTask的类必须在主线程中加载， 这就意味着第一次访问AsyncTask必须发生在主线程，当然这个过程在Android4.1及以上版本中以及被系统自动完成，在Android的源码中，可以查看ActivityThread的main方法，它会调用AsyncTask的init方法，这就满足了AsyncTask的类必须在主线程中进行加载这个条件了。至于为什么必须要满足这个条件，是因为在AsyncTask有一个静态的Handler对象sHandler，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，因此这就变相要求AsyncTask的类必须在主线程中加载，否则同一个进程中的AsyncTask都将无法正常工作。
2. AsyncTask的对象必须在主线程中创建
3. execute方法必须在UI线程调用
4. 不要在程序中直接调用onPreExecute、doInBackground、onProgressUpdate和onPostExecute方法。
5. 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
6. 在Android1.6之前，AsyncTask是串行执行任务的，Android1.6的时候AsyncTask开始采用线程池里处理并行任务，但是从Android3.0开始，为了避免AsyncTask所带来的并发错误，AsyncTask又采用了一个线程来串行执行任务。尽管如此，在Android3.0以及后续版本中，我们仍然可以通过AsyncTask的executeOnExecutor方法来并行的执行任务。

2、AsyncTask的工作原理

我们先从execute方法开始分析，execute方法调又用了executeOnExecutor

@MainThread
public final AsyncTask execute(Params... params) {
    return executeOnExecutor(sDefaultExecutor, params);
}

@MainThread
public final AsyncTask 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;
}

在上面代码中，sDefaultExecutor实际上是一个串行的线程池，一个进程中所有的AsyncTask全部在这个串行的线程池中排队执行，这个排队执行的过程我们后面再分析。在executeOnExecutor方法中， onPreExecute方法最先执行，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 mTasks = new ArrayDeque();
    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);
        }
    }
}

从SerialExecutor的实现可以分析AsyncTask的排队执行的过程。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任务都被执行完为止，从这一点可以看出，在默认情况下，AsyncTask是串行执行的。

  AsyncTask中有两个线程池（SerialExecutor 和 THREAD_POOL_EXECUTOR）和一个Handler（InternalHanlder），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，InternalHanlder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这么一段代码，由于FutureTask的run方法会调用mWorker的call方法，因此mWorker的call方法最终会在线程池中执行。

mWorker = new WorkerRunnable() {
    public Result call() throws Exception {
        mTaskInvoked.set(true);
        Result result = null;
        try {
            Process.setThreadPriority(Process.THREAD_PRIORITY_BACKGROUND);
            //noinspection unchecked
            result = doInBackground(mParams);
            Binder.flushPendingCommands();
        } catch (Throwable tr) {
            mCancelled.set(true);
            throw tr;
        } finally {
            postResult(result);
        }
        return result;
    }
};

在mWorker的call方法中，首先将mTaskInvoked设置为true，表示当前任务已经被调用了过了，然后执行AsyncTask的doInBackground方法，接着将其结果返回值传递给postResult方法。

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

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

上面代码中，postResult方法会通过sHandler发送一个MESSAGE_POST_RESULT。

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;
        }
    }
}

sHandler收到MESSAGE_POST_RESULT会调用AsyncTask的finish方法。

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

finish方法比较简单，如果AsyncTask被取消了就调用onCancelled方法，否则就调用onPostExecute方法。到此，AsyncTask的整个工作过程就分析完毕了。

通过分析AsyncTask的源码，可以进一步确定，从Android3.0开始，默认情况下是串行执行的，这里我们再通过代码来验证下。

private static class MyAsyncTask extends AsyncTask{
    private String mName;

    public MyAsyncTask(String name){
        mName = name;
    }
    @Override
    protected String doInBackground(String... params) {
        SystemClock.sleep(3000);
        return mName;
    }

    @Override
    protected void onPostExecute(String result) {
        SimpleDateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        System.out.println(">>> " + result + " execute finish at " + df.format(new Date()));
    }
}

public void onClick(View v){
    new MyAsyncTask("AsyncTask#1").execute();
    new MyAsyncTask("AsyncTask#2").execute();
    new MyAsyncTask("AsyncTask#3").execute();
    new MyAsyncTask("AsyncTask#4").execute();
    new MyAsyncTask("AsyncTask#5").execute();
}

Android4.1.1上执行：很显然是串行执行的

AsyncTask#1 execute finish at 2017-8-14 10：20 : 13
AsyncTask#2 execute finish at 2017-8-14 10：20 : 16
AsyncTask#3 execute finish at 2017-8-14 10：20 : 19
AsyncTask#4 execute finish at 2017-8-14 10：20 : 22
AsyncTask#5 execute finish at 2017-8-14 10：20 : 25

Android2.3.3上执行：很显然是并行执行的

AsyncTask#1 execute finish at 2017-8-14 10：21 : 36
AsyncTask#2 execute finish at 2017-8-14 10：21 : 36
AsyncTask#3 execute finish at 2017-8-14 10：21 : 36
AsyncTask#4 execute finish at 2017-8-14 10：21 : 36
AsyncTask#5 execute finish at 2017-8-14 10：21 : 36

若需在Android3.0及以上版本并行，可采用executeOnExecutor方法，需要注意的是这个方法是Android3.0新添加的方法。

if(Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.HONEYCOMB){
    new MyAsyncTask("AsyncTask#1").executeOnExecutor(AsyncTask.THREAD_POOL_EXECUTOR);
    new MyAsyncTask("AsyncTask#2").executeOnExecutor(AsyncTask.THREAD_POOL_EXECUTOR);
    new MyAsyncTask("AsyncTask#3").executeOnExecutor(AsyncTask.THREAD_POOL_EXECUTOR);
    new MyAsyncTask("AsyncTask#4").executeOnExecutor(AsyncTask.THREAD_POOL_EXECUTOR);
    new MyAsyncTask("AsyncTask#5").executeOnExecutor(AsyncTask.THREAD_POOL_EXECUTOR);
}

OK，完美到的并行的目的。

3、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。如下HandlerThread的run方法。

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

HandlerThread的run方法是一个无限循环，因此当明确不再使用HandlerThread时，可以通过它的quit或者quitSafely方法来终止线程的执行，这是一个良好的编程习惯。

4、IntentService

  IntentService是一种特殊的Service，它继承了Service并且它是一个抽象列，因此必须创建它的子类才能使用。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。在实际上，IntentService封装了HandlerThread和Handler，这一点可以从它的onCreate方法中看出来，

 @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方法是如何处理外面的Intent的，onStartCommand调用了onStart。

@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，这里仅仅是发送了一个消息，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startService(intent)中的intent的内容完全一致的，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鹅后台任务做处理了。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)则会等待所有消息都处理完毕才终止服务。

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);
    }
}

onHandlerIntent是一个抽象方法，需要我们在子类实现，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，如果当前存在多个后台任务，那么当onHandleIntent方法执行完最后一个任务是，stopSelf(int startId)才会直接停止服务。另外，它内部是消息的方式向HandlerThread请求执行任务，Handler中的Looper是顺序处理消息的，这就意味着IntentService也是顺序执行后台任务的，当有多个任务时，会按照外界发起顺序排队执行。下面也用一个简单示例来验证下，

public class LocalIntentService extends IntentService{
    private static final String TAG = "LocalIntentService";

    public LocalIntentService() {
        super(TAG);
    }

    @Override
    protected void onHandleIntent(@Nullable Intent intent) {
        String action = intent.getStringExtra("task_action");
        SimpleDateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        System.out.println(">>> receive task: "+ action + " execute finish at " + df.format(new Date()));
        SystemClock.sleep(3000);
    }

    @Override
    public void onDestroy() {
        SimpleDateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        System.out.println(">>> service destroy. execute finish at " + df.format(new Date()));
        super.onDestroy();
    }
}

// ------ test

public void test(){
    Intent intent = new Intent(this, LocalIntentService.class);
    intent.putExtra("task_action", "com.ctao.action.TASK1");
    stopService(intent);
    intent.putExtra("task_action", "com.ctao.action.TASK2");
    stopService(intent);
    intent.putExtra("task_action", "com.ctao.action.TASK3");
    stopService(intent);
}

运行程序，观察日志。

receive task: com.ctao.action.TASK1 execute finish at 2017-8-14 11：13 : 23
receive task: com.ctao.action.TASK2 execute finish at 2017-8-14 11：13 : 26
receive task: com.ctao.action.TASK3 execute finish at 2017-8-14 11：13 : 29
service destroy. execute finish at 2017-8-14 11：13 : 32

从上面日志可以看出，三个后台任务是排队执行的，另外就是TASK3执行完之后，LocalIntentService才真正地停止。

Android中的线程池

  提到线程池就必须说下线程池的好处，相信读者都会有所体会，线程池的有点可以概括为一下三点：

1. 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性能开销。
2. 能有效控制线程池的最大并发数，避免大量的线程之前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中的线程池的概念来源于Java的Executor， Executor是一个接口，真正的线程池的实现为ThreadPoolExecutor。ThreadPoolExecutor提供了一系列参数来配置线程池，通过不同的参数可以创建不同的线程池，从线程池的功能特性上来说，Android的线程池主要分为4类，这4类线程池可以通过Executors所提供的工厂方法来得到。

1、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。下面介绍其构造方法中各参数的含义，这些参数将会直接影响到线程池的功能性。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory)

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时会有超时策略，这个时间间隔由keepAliveTime所指定，当等待时间超过keepAliveTime后，核心线程就会被终止。

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后，后续的新任务将会被阻塞。

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。当ThreadPoolExecutor的allowCoreThreadTimeOut属性设置为true，keepAliveTime同样作用于核心线程。

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，它只有一个方法：Thread newThread(Runnable r);

  除了上面这些主要参数外，它还有一个不常用参数RejectedExecutionHandler handler。当线程无法执行新任务时，这可能由于任务队列已满或者是无法成功执行任务，这个时候，会调用handler的rejectedExecution方法来通知调用者，默认情况下rejectedExecution方法会直接抛出一个RejectedExecutionException。ThreadPoolExecutor为RejectedExecutionHandler提供了几个可选值：CallerRunsPolicy、AbortPolicy、DiscardPolicy和DiscardOldestPolicy，其中AbortPolicy是默认值，它会直接抛出RejectedExecutionException，由于handler参数不常用，这里就不具体介绍了。

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。

2、线程池的分类

  接下来介绍Android中最常见的四类具有不同功能特性的线程池，它们都是直接或者间接地通过配置ThreadPoolExecutor来实现直接的功能特性。

a、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。它只有核心线程并且这些核心线程不会被回收，这意味着它能够更快速的响应外界的请求。如下，核心线程没有超时机制，任务队列也是没有大小限制

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue());
}

b、CachedThreadPool

通过Executors的newCachedThreadPool方法来创建。它是一种线程数量不一定的线程池，它只有非核心线程，并且其最大线程数量为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，否则就会利用空闲的线程来处理新任务。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，都会超时而被停止（超时为60秒），这个时候它几乎不占用任何系统资源。

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                  60L, TimeUnit.SECONDS,
                                  new SynchronousQueue());
}

c、ScheduledThreadPool

通过Executors的newScheduledThreadPool方法来创建。它的核心线程数量是固定的，而非核心线程数量是没有限制的，并且当非核心线程闲置时会被立即回收。这类线程池主要用于执行定时任务和具体固定周期的重复任务。

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());
}

d、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。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue()));
}

以上，就是本文全部内容了。

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学习摘录于《Android开发艺术探索》第11章