一文徹底瞭解Android中的線程和線程池

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前言

從用途上來說Android的線程主要分為主線程和子線程兩類，主線程主要處理和界面相關的工作，子線程主要處理耗時操作。除Thread之外，Android中還有其他扮演線程的角色如AsyncTask、IntentService、HandleThread，其中AsyncTask的底層用到瞭線程池，IntentService和HandleThread的底層直接使用瞭線程。

AsyncTask內部封裝瞭線程池和Handler主要是為瞭方便開發者在在線程中更新UI；HandlerThread是一個具有消息循環的線程，它的內部可以使用Handler；IntentService是一個服務，系統對其進行瞭封裝使其可以更方便的執行後臺任務，IntentService內部采用HandleThread來執行任務，當任務執行完畢後IntentService會自動退出。IntentService是一個服務但是它不容易被系統殺死因此它可以盡量的保證任務的執行。

1.主線程和子線程

主線程是指進程所擁有的的線程，在Java中默認情況下一個進程隻能有一個線程，這個線程就是主線程。主線程主要處理界面交互的相關邏輯，因為界面隨時都有可能更新因此在主線程不能做耗時操作，否則界面就會出現卡頓的現象。主線程之外的線程都是子線程，也叫做工作線程。

Android沿用瞭Java的線程模型，也有主線程和子線程之分，主線程主要工作是運行四大組件及處理他們和用戶的交互，子線程的主要工作就是處理耗時任務，例如網絡請求，I/O操作等。Android3.0開始系統要求網絡訪問必須在子線程中進行否則就會報錯，NetWorkOnMainThreadException

2.Android中的線程形態

2.1 AsyncTask

AsyncTask是一個輕量級的異步任務類，它可以在線程池中執行異步任務然後把執行進度和執行結果傳遞給主線程並在主線程更新UI。從實現上來說AsyncTask封裝瞭Thread和Handler，通過AsyncTask可以很方便的執行後臺任務以及主線程中訪問UI，但是AsyncTask不適合處理耗時任務，耗時任務還是要交給線程池執行。

AsyncTask的四個核心類如下：

    • onPreExecute()：主要用於做一些準備工作，在主線程中執行異步任務執行之前
    • doInBackground(Params … params)：在線程池執行，此方法用於執行異步任務，params表示輸入的參數，在此方法中可以通過publishProgress方法來更新任務進度，publishProgress會調用onProgressUpdate
    • onProgressUpdate(Progress .. value)：在主線程執行，當任務執行進度發生改變時會調用這個方法
    • onPostExecute(Result result)：在主線程執行，異步任務之後執行這個方法，result參數是返回值，即doInBackground的返回值。

2.2 AsyncTask的工作原理

2.3 HandleThread

HandleThread繼承自Thread，它是一種可以使用Handler的Thread，它的實現在run方法中調用Looper.prepare()來創建消息隊列然後通過Looper.loop()來開啟消息循環，這樣在實際使用中就可以在HandleThread中創建Handler瞭。

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

HandleThread和Thread的區別是什麼？

    • Thread的run方法中主要是用來執行一個耗時任務；
    • HandleThread在內部創建瞭一個消息隊列需要通過Handler的消息方式來通知HandleThread執行一個具體的任務，HandlerThread的run方法是一個無限循環因此在不使用是調用quit或者quitSafely方法終止線程的執行。HandleTread的具體使用場景是IntentService。

2.4 IntentService

IntentService繼承自Service並且是一個抽象的類因此使用它時就必須創建它的子類，IntentService可用於執行後臺耗時的任務，當任務執行完畢後就會自動停止。IntentService是一個服務因此它的優先級要比線程高並且不容易被系統殺死，因此可以利用這個特點執行一些高優先級的後臺任務，它的實現主要是HandlerThread和Handler，這點可以從onCreate方法中瞭解。

//IntentService#onCreate
@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);
}

當IntentService第一次被啟動時回調用onCreate方法，在onCreate方法中會創建HandlerThread，然後使用它的Looper創建一個Handler對象ServiceHandler，這樣通過mServiceHandler把消息發送到HandlerThread中執行。每次啟動IntentService都會調用onStartCommand，IntentService在onStartCommand中會處理每個後臺任務的Intent。

//IntentService#onStartCommand
@Override
public int onStartCommand(@Nullable Intent intent, int flags, int startId) {
    onStart(intent, startId);
    return mRedelivery ? START_REDELIVER_INTENT : START_NOT_STICKY;
}

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

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);
    }
}

onStartCommand是如何處理外界的Intent的？

在onStartCommand方法中進入瞭onStart方法，在這個方法中IntentService通過mserviceHandler發送瞭一條消息，然後這個消息會在HandlerThread中被處理。mServiceHandler接收到消息後會把intent傳遞給onHandlerIntent()，這個intent跟啟動IntentService時的startService中的intent是一樣的，因此可以通過這個intent解析出啟動IntentService傳遞的參數是什麼然後通過這些參數就可以區分具體的後臺任務，這樣onHandleIntent就可以對不同的後臺任務做處理瞭。當onHandleIntent方法執行結束後IntentService就會通過stopSelf(int startId)方法來嘗試停止服務，這裡不用stopSelf()的原因是因為這個方法被調用之後會立即停止服務但是這個時候可能還有其他消息未處理完畢，而采用stopSelf(int startId)方法則會等待所有消息都處理完畢後才會終止服務。調用stopSelf(int startId)終止服務時會根據startId判斷最近啟動的服務的startId是否相等，相等則立即終止服務否則不終止服務。

每執行一個後臺任務就會啟動一次intentService，而IntentService內部則通過消息的方式向HandlerThread請求執行任務，Handler中的Looper是順序處理消息的，這就意味著IntentService也是順序執行後臺任務的，當有多個後臺任務同時存在時這些後臺任務會按照外界發起的順序排隊執行。

3.Android中的線程池

線程池的優點：

    • 線程池中的線程可重復使用，避免因為線程的創建和銷毀帶來的性能開銷；
    • 能有效控制線程池中的最大並發數避免大量的線程之間因互相搶占系統資源導致的阻塞現象；
    • 能夠對線程進行簡單的管理並提供定時執行以及指定間隔循環執行等功能。

Android的線程池的概念來自於Java中的Executor，Executor是一個接口，真正的線程的實現是ThreadPoolExecutor，它提供瞭一些列參數來配置線程池，通過不同的參數可以創建不同的線程池。

3.1 ThreadPoolExecutor

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
    if (corePoolSize < 0 ||
        maximumPoolSize <= 0 ||
        maximumPoolSize < corePoolSize ||
        keepAliveTime < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
        throw new NullPointerException();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}

ThreadPoolExecutor是線程池的真正實現，它的構造函數中提供瞭一系列參數，先看一下每個參數的含義：

    • corePoolSize：線程池的核心線程數，默認情況下核心線程會在線程池中一直存活即使他們處於閑置狀態。如果將ThreadPoolExecutor的allowCoreThreadTimeOut置為true那麼閑置的核心線程在等待新的任務到來時會有超時策略，超時時間由keepAliveTime指定，當等待時間超過keepAliveTime設置的時間後核心線程就會被終止。
    • maxinumPoolSize：線程池中所能容納的最大線程數，當活動線程達到做大數量時後續的新任務就會被阻塞。
    • keepAliveTime：非核心線程閑置時的超時時長，超過這個時長非核心線程就會被回收。
    • unit：用於指定超時時間的單位，常用單位有毫秒、秒、分鐘等。
    • workQueue：線程池中的任務隊列，通過線程池中的execute方法提交的Runnable對象會存儲在這個參數中。
    • threadFactory：線程工廠，為線程池提供創建新的線程的功能。
    • handler：這個參數不常用，當線程池無法執行新的任務時，這可能是由於任務隊列已滿或者無法成功執行任務，這個時候ThreadPoolExecutor會調用handler的rejectExecution方法來通知調用者。

ThreadPoolExecutor執行任務時大致遵循如下規則：

  • 如果線程池中的線程數量沒有達到核心線程的數量那麼會直接啟動一個核心線程來執行任務；

    如果線程池中線程數量已經達到或者超過核心線程的數量那麼會把後續的任務插入到隊列中等待執行；

    如果任務隊列也無法插入那麼在基本可以確定是隊列已滿這時如果線程池中的線程數量沒有達到最大值就會立刻創建非核心線程來執行任務；

    如果非核心線程的創建已經達到或者超過線程池的最大數量那麼就拒絕執行此任務，同時ThreadPoolExecutor會通過RejectedExecutionHandler拋出異常rejectedExecution。

3.2線程池的分類

  • FixedThreadPool：它是一種數量固定的線程池，當線程處於空閑狀態時也不會被回收，除非線程池被關閉。當所有的線程都處於活動狀態時，新任務都會處於等待狀態，直到有空閑線程出來。FixedThreadPool隻有核心線程並且不會被回收因此它可以更加快速的響應外界的請求。
  • CacheThreadPool：它是一種線程數量不定的線程池且隻有非核心線程，線程的最大數量是Integer.MAX_VALUE，當線程池中的線程都處於活動狀態時如果有新的任務進來就會創建一個新的線程去執行任務，同時它還有超時機制，當一個線程閑置超過60秒時就會被回收。
  • ScheduleThreadPool：它是一種擁有固定數量的核心線程和不固定數量的非核心線程的線程池，當非核心線程閑置時會立即被回收。
  • SignleThreadExecutor：它是一種隻有一個核心線程的線程池，所有任務都在同一個線程中按順序執行。

總結

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