Android的线程和线程池

除了Thread外，在Android中扮演线程的角色还有很多，比如AsyncTask和IntentService，同时HandlerThread也是一种特殊的线程。
尽管AsyncTask和IntentService以及HandlerThread的表现形式有区别于传统的线程，但是本质上仍然是传统的线程。

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，并把执行进度和最终结果传递到主线程并在主线程中更新UI。
AsyncTask封装了Thread和Handler。
AsyncTask并不适合特别耗时的后台任务，对于特别耗时的后台任务，建议交给线程池。

  • AsyncTask的类声明
/**
*@Params 参数类型
*@Progress 后台任务的执行进度类型
*@Result 后台任务的返回结果的类型
public abstract class AsyncTask<Params,Progress,Result>

AsyncTask提供了4个核心方法，他们的含义如下：

  • onPreExecute() 在主线程中执行，在异步任务执行前被调用，一般可以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参数表示异步任务输入的参数。在此方法中可以通过publicProgress方法来更新任务的进度，publicProgress方法会调用onPublicUpdate方法。另外此方法需要返回计算机过给onPostExecute方法。
  • onProgressUpdate(Progress...values)在主线程中执行，当后台任务的执行进度放生改变时被调用。
  • 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是后台任务被取消时调用。这个时候onPostExecute()不会被调用

除了上述的四个方法外，AsyncTask还提供onCancelled()方法，它同样在主线程中执行，当异步任务被取消时调用。这个时候onPostExecute()不会被调用。

  • 示例
private class DownloadFilesTask extends AsyncTask<URL,Interger,Long>{

    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));
            // Escape early if cancel() is called
            if (isCancelled()){
                break;
            }
        }
        return totalSize;
    }

    protected void onProgressUpdate(Interger... progress){
        setProgressPercent(progress[0]);
    }

    protected void onPostExecute(Long result){
        showDialog("Download"+result+"bytes");
    }
}
  • 使用限制
  1. AsyncTask的类必须在主线程中加载。
  2. AsyncTask的对象必须在主线程中加载。
  3. execute必须在UI线程中调用。
  4. 不要在程序中直接调用onPreExecute()，onPostExecute，doInBackground()和onProgressUpdate方法。
  5. 一个AsyncTask对象只能执行一次，即只能调用一次execute方法，否则回报异常。
  6. 从Android3.0开始，为避免AsyncTask所带来的并发错误，AsyncTask又采用一个线程来执行任务。尽管如此，Android3.0的后续版本，我们仍可以通过AsyncTask的executeOnExecutor方法来并行执行任务。

AsyncTask的工作原理

  • execute方法
public final AsyncTask<Params,Progress,Result> execute(Params... params){
    return executeExecutor(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;
}

sDefaultExecutor实际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执行。

  • 线程池执行
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 synchroized void execute (final Runnable r){
        mTasks.offer(new Runnable(){
            public void run(){
                try{
                    r.run();
                }finally{
                    scheduleNext();
                }
            }
        });
        if(mActive==null){
            scheduleNext();
        }
    }

    protected synchroized 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FutureTask对象，FutureTask是一个并发类，在这个它充当Runnable的作用。
接着FutureTask会交给SerialExecutor的execute去处理，SerialExecutor的execute方法首先会把FutureTask对象插入到任务队列mTasks中，如果这时候没有正在活动的AsyncTask任务，那么就会调用SerialExcutor的scheduleNext方法来执行下一个AsyncTask任务。
同时当一个AsyncTask执行完之后，AsyncTask会继续执行其他任务直到所有任务都被执行为止，从这一点可以看出，默认情况下AsyncTask是串行执行。

AsyncTask有两个线程池（SerialExcutor和THREAD_POOL_EXECUTOR）和一个Handler（IntentHandler）

SerialExecutor用于任务排队，THREAD_POOL_EXECUTOR
用于真正的执行任务。
IntentHandler用于将执行环境从线程池切换到主线程。

AsyncTask的构造方法中如下一段代码，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<Params,Result>(){
    public Result call() throws Exception{
        mTaskInvoked.set(true);

        Process.setThreadPriority(Progress.THREAD_PRIORITY_BACKGROUND);
        // noinspection unchecked
        return postResult(doInBackground(mParams));
    }
};

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

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

postResult方法会通过sHandler发送一个MESSAGE_POST_RESULT的消息，这个sHandler定义如下：

private static final InternalHandler sHandler = new InternalHandler();

private static class InteralHandler extends Handler{
    @SuppressWarnings({"unchecked","RawUseOfParameterizedType"})
    @Override
    public void handleMessage(Message msg){
        AsyncTaskResult result = (AsyncTaskResult)msg.obj;
        switch(msg.what){
            case MESSAGE_POST_RESULT:
                //Thread is only one result
                result.mTask.finish(result.mData[0]);
                break;
            case MESSAGE_POST_PROGRESS:
                result.mTask.onProgressUpdate(result.mData);
                break;
        }
    }
}

sHandler会一个静态的Handler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，因此变相要求AsyncTask的类必须在主线程中加载，否则同一线程中的AsyncTask都无法工作。sHandler收到MESSAGE_POST_RESULT这个消息后回调AsyncTask的finish方法。

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

如果AsyncTask被取消了被调用onCancelled方法，否则就调用onPostExecute方法，可以看出doInBackground中的result会传递给onPostExecute方法。

如果要并行执行，要使用executeOnExcutor方法。

HandlerThread

HandlerThread继承了Thread，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
创建消息队列，并通过Looper.loop来开启消息循环，这样在实际中就允许在HandlerThread中创建Handler了，HandlerThread的run方法如下所示：

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

HnadlerThread在内部创建了一个消息队列，外部需要通过Handler的消息方式来通知HandlerThread执行一个具体任务。

HandlerThread的run是一个无限循环，因此当明确不需要时通过它的quit或者quitSafely方法终止线程运行。
一个具体的应用场景就是IntentService。

IntentService

IntentService是一种特殊的Service，它继承Service并且它是一个抽象类，因此创建它的子类才能使用IntentService。
IntentService可用于执行后台耗时任务，当任务执行后它会自动停止，同时由于IntentService是服务的原因，导致它的优先级比单纯的线程要高很多，所以IntentService适合执行一些高优先级的后台任务。
IntentService封装了HandlerThread和Handler。

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

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

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发送的消息都会在HandlerThread中执行，从这个角度看， 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中处理每个任务的Intent。onStartCommand方法中调用start方法处理Intent。

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

IntentService仅仅是用过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，通过这些参数就可区分具体的后台任务，这个在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()来停止服务，那是因为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读最近启动服务的次数是否和startId相等，如果相等就立即停止服务，不相等则不停止服务。

  • ServiceHandler的实现
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onHandleIntent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onHandleIntent方法执行完最后一个任务时，stopSelf（int startId）才会直接停止服务。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Looper是顺序处理消息的，这意味着IntentService也会顺序执行后台任务，当有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。

Android中的线程池

线程池的优点
  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. 能有效的控制线程池的最大并发量，避免大量的线程因为抢占系统资源而造成的堵塞的现象。
  3. 能够对线程进行简单的管理，提供定时执行以及执行间隔循环等功能。
ThreadPoolExecutor
  • 构造方法
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                        int maximumPoolSize,
                        long keepAliveTime,
                        TimeUnit unit,
                        BlockingQueue<Runnable> 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allowCorePoolTimeOut属性设为true，那么闲置的核心线程在等待执行任务时会有超时策略，超时时间由keepAliveTime所指定。当等待时间超过keepAliveTime所指定的时长后，核心线程就会停止。

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，后续的新任务就会被堵塞。

keepAliveTime 非核心线程闲置时的超时时长，超过这个时长，非核心线程就会被回收。当ThreadPoolExecutor的

allowCorePoolTimeOut属性为true时，keepAliveTime同样会作用于核心线程。

unit 用于指定keepAliveTime的时间单位。

workQueue 线程池中的任务队列，通过execute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，它只有一个方法：Thread newThread
(Runnable r)。

除了上面的这些主要参数外，ThreadPoolExecutor还有一个不常用的参数RejectedExecutionHandler handler。当线程无法执行新任务时，这可能是由于任务队列已满或者是无法成功执行任务，这个时候ThreadPoolExecutor会调用handler的rejectedExecution方法来通知调用者，默认情况下rejectedExecution方法会抛出一个RejectedExecutionexception。
ThreadPoolExecutor为RejectExecutionHandler提供了几个可选值：
CallerRunsPolicy、AbortPolicy、DiscardOldestPolicy，其中AbortPolicy是默认值，它会直接抛出RejectedExecutionException，handler这个参数不常用。

  • ThreadPoolExecutor执行任务时大致遵循以下原则：
  1. 如果线程池的数量未达到核心线程数量，那么就会启动一个核心线程来执行任务。
  2. 如果线程池的线程数量已达到或者超过核心线程数量，那么任务会被插入到任务队列中排队执行。
  3. 如果步骤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，那么就会立即启动一个非核心线程来执行任务。
  4. 如果步骤3中线程数量已达到线程池所规定的最大值，那么就拒绝执行这次任务，ThreadPoolExecutor会调用RejectedExcutionHandler的rejectedExecution来通知调用者。
  • ThreadPoolExecutor在AsyncTask中的体现。
private static final int CPU_COUNT = Runtime.getRuntime().AcailableProcessors();

private static final int CORE_POOL_SIZE = CPU_COUNT+1;

private static final int MAXIMUM_POOL_SIZE = CPU_COUNT*2+1;

private static final int KEEP_ALIVE = 1;

private static final ThreadFactory sThreadFactory = new ThreadFactory(){
    private final AtomicInteger mCount = new AtomicInteger(1);

    public Thread newThread(Runnable r){
        return new Thread(r,"AsyncTask #"+mCount.getAndIncrement());
    }
};

private static final BlockingQueue<Runnable> sPoolWorkQueue = new LinkedBlockingQueue<Runnable>(128);

public static final Executor THREAD_POOL_EXECUTOR = new ThreadPoolExecutor(CORE_POOL_SIZE,
                                MAXIMUM_POOL_SIZE,
                                KEEP_ALIVE,
                                TimeUnit.SECONDS,
                                sPoolWorkQueue,
                                sThreadFactory)

线程池的分类

FixedThreadPool

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

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。当所有线程都处于活动状态时，新任务都会处于等待状态，直到线程空闲出来。由于FixedThreadPool只有核心线程并且核心线程不会被回收，这意味着他能够更加快速的响应外界的请求。FixedThreadPool中只有核心线程并且核心线程没有超时机制，另外任务队列也是没有大小限制。

CachedThreadPool

public static ExecutorService newCachedThreadPool(){
    return new ThreadPoolExecutor(0,Integer.MAX_VALUE,60L,TimeUnit.SECONEDS,new SynchronousQueue<Runnable>())
}

通过Executors的呢我CachedThreadPool方法来创建。它是一种线程数量不定的线程池，它只是非核心线程，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死任意大。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。线程池中的空闲线程都有超时机制，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，由于它实际中较少使用，这里就不深入探讨它了。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。当中整个线程池都处于闲置状态时，线程池中的线程都或超时而被停止，这个时候CachedThreadPool之中实际上是没有任何线程的，它几乎不占任何系统资源的。

ScheduledThreadPool

public static ScheduleExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize){
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize){
    super(corePoolSize,Integer.MAX_VALUE,0,NAMOSECONEDS,new DelayWorkQueue());
}

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这列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。

SingleThreadPool

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

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，它确保所有任务都在同一个线程中顺序执行。SingleThreadExecutor的意义在于统一所有外界任务到一个线程中，这使得在这些任务之间不需要出来线程同步的问题。

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

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

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

ScheduleExecutorsService 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);
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