AsyncTask 工作原理及线程池

发布日期: 2017-01-06

更新日期: 2020-03-13

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读书笔记：《Android 开发艺术探索》 ——第十一章：android 线程及线程池

在 android 中，线程通常为主线程和子线程，前者主要处理和界面相关的事情，而后者主要用于耗时操作。
android 中的线程主要有 Thread、AsyncTask、IntentService 和 HandlerThread 。

一、android 中的线程形态

AsyncTask、IntentService 和 HandlerThread 的底层实现都是线程，但都有特殊的表现形式，各有优缺点。
AsyncTask 封装了线程池和 Handler ，主要用于子线程更新UI；HandlerThread 是一种具有消息循环的线程，内部可以使用 Handler ； IntentService 是一个服务，内部采用 HandlerThread 执行任务，它类似一个后台线程，但是一个服务，不容易被杀死。

1.1 AsyncTask

AsyncTask 是一个轻量级的异步线程任务类，它在线程池中执行后台任务，然后把进度和最终结果传递给主线程并在主线程中更新UI，它封装了 Thread 和 Handler，但不适合特别耗时的后台任务，对于特别耗时的任务可以用线程池。

AsyncTask 是一个抽象的泛型类，有 Params, Progress, Result 三个泛型参数，分别表示参数类型、后台任务执行进度类型、后台任务返回结果类型。如果不需要具体的参数，可用 Void 代替。

public abstract class AsyncTask<Params, Progress, Result> {}

核心方法如下：

onPreExecute()
在主线程中执行，异步任务之前调用，一般用于做准备工作。
doInBackground(Params… params)
在线程池中执行异步任务，可以通过 publishProgress （最终会调用onProgressUpdate）方法更新任务进度，次啊外该方法需要计算返回结果给onPostExecute。
onProgressUpdate((Progress… values)
在主线程中当任务进度改变后被调用
onPostExecute(Result result)
在主线程中执行，异步任务执行完后，result 是 doInBackground 返回的值。

使用时注意事项：

AsyncTask 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线程中调用
不要在程序中直接调用上述和新方法
一个 AsyncTask 对象只能调用一次 execute 方法
AsyncTask 在 android3.0后，用一个线程串行执行任务。

在使用 AsyncTask 时调用了 execute方法，而该方法调用了 executeOnExecutor ，如下源码：

 @MainThread
public final AsyncTask<Params, Progress, Result> execute(Params... params) {
        return executeOnExecutor(sDefaultExecutor, params);
}
@MainThread
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 是一个串行的线程池，所有的任务都在该线程池中排队执行。这里也可以发现 AsyncTask 的 onPreExecute 方法是先执行的。mFuture 是一个 FutureTask（一个并发类）对象，在AsyncTask的构造函数中通过 mWorker 进行实例化，而 mWorker 中保存的有AsyncTask的参数。
如下 AsyncTask 的构造方法：

public AsyncTask() {
    mWorker = new WorkerRunnable<Params, Result>() {
        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;
        }
    };

    mFuture = new FutureTask<Result>(mWorker) {
        @Override
        protected void done() {
            try {
                postResultIfNotInvoked(get());
            } catch (InterruptedException e) {
                android.util.Log.w(LOG_TAG, e);
            } catch (ExecutionException e) {
                throw new RuntimeException("An error occurred while executing doInBackground()",
                        e.getCause());
            } catch (CancellationException e) {
                postResultIfNotInvoked(null);
            }
        }
    };
}

下面是线程池的执行过程：

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 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);
        }
    }
}

在 AsyncTask 执行时，首先将参数封装成 FutureTask 对象，然后将其传入到 SerialExecutor 的 execute 方法中处理，首先通过 mTasks.offer() 方法将其添加到任务队列中，如果没有正在活动的任务，执行下一个任务 scheduleNext()。这里可以发现 AsyncTask 是串行执行的。 THREAD_POOL_EXECUTOR 是一个线程池，真正的执行任务，而 SerialExecutor 负责任务的排队，InternalHandler 负责将执行环境从线程池切换到主线程中。

由于 FutureTask 的run方法最终会调用 mWorker 中call方法，这里回看前面 AsyncTask 的构造方法，在 mWorker 中call方法中先将 mTaskInvoked 设置为true ，表示当前任务已被调用过，然后执行 doInBackground 方法，并将其结果传给 postResult 方法，而 postResult 方法主要是通过 sHandler （InternalHandler对象）发送一个 MESSAGE_POST_PROGRESS 消息，最后调用到 AsyncTask 的 finish方法，通过传入的 Result ，在 finish 中最后确定是调用取消（onCancelled(result)）还是执行完成（onPostExecute(result)）。到此，AsyncTask 的整个工作流程结束。

InternalHandler 是一个静态的 Handler 对象，为了能将执行环境切换到主线程，则 sHandler 必须在主线程中创建，同时变相要求了 AsyncTask 要在主线程中创建。

1.2 HandlerThread

HandlerThread 类继承自 Thread ，是一个可以使用 Handler 的 Thread。主要是在其 run 方法中创建了消息队列和开启消息循环。这样就可以在 HandlerThread 中创建Handler。
如下其 run方法：

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 方法是一个无线循环方法，在不需要时可以通过 quit 或者 quitSafely 进行终止。 HandlerThread 主要用在 IntentService 中，

1.3 IntentService

IntentService 是一个特殊的 service ，继承自 Service，并且是一个抽象类，使用时必须创建其子类方可使用，它主要用于执行后台耗时任务，完成后自动关闭，它的优先级比普通的线程高，比较适合执行一些高优先级的后台任务。在其内部封装了 HandlerThread 和 Handler（ServiceHandler） 。如下其 onCreate 方法：

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

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

IntentService 在初次启动时调用 onCreate 方法，此时创建 HandlerThread ，然后通过它的 Looper 来构造一个 Handler 对象 mServiceHandler，这样通过 mServiceHandler 发送的消息最后都在 HandlerThread 中处理，这导致 IntentService 也是顺序执行后台任务的。

每次启动 IntentService ，它的 onStartCommand 会被调用，处理每一个后台任务，调用了 onStart 方法 ,通过 mServiceHandler 发送一个消息，最后在 HandlerThread 中处理。

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

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

如下是 ServiceHandler 类的定义：

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);
    }
}

mServiceHandler 收到消息后会将 Intent 对象传递给 onHandleIntent 处理，这里的 Intent 和 startService(intent) 中的 intent 完全一致，这样通过这个 intent 就可以解析出外界启动 IntentService 所传递的参数，在 onHandleIntent 方法中对不同的后台任务做处理。当 onHandleIntent 执行完后调用 stopSelf ，停止服务。

上面提到的 onHandleIntent 方法是一个抽象方法，在使用时需要实现。

二、android中的线程池

线程池主要有如下几个优点：

重用线程池中的线程，避免因线程的重复创建和销毁导致的性能开销；
能有效控制线程池的最大并发数，避免线程相互抢占资源导致阻塞；
能够对线程进行简单的管理，提供定时执行等功能。

2.1 ThreadPoolExecutor

android 中的线程池源于 java 中的 Exector,Exector是一个接口，真正的线程池的实现类为 ThreadPoolExecutor 类，它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。
如下他它的一个常用构造方法的声明：

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

参数说明：

corePoolSize
核心线程数，默认情况下一直存活着，即使处于闲置状态。将 allowCoreThreadTimeOut 属性设置为 true 时，闲置的核心线程等待新任务到来时会有超时策略，改时间间隔由 keepAliveTime 所指定，当时间超过 keepAliveTime 后，线程会被终止。
maximumPoolSize
最大线程数，当线程数达到该值后，后续的线程会被阻塞。
keepAliveTime
非核心线程闲置的超时时长，超过后就会被回收。
unit
指定 keepAliveTime 参数的时间单位，常用的有 TimeUnit.MILLISECONDS（毫秒）、TimeUnit.SECONDS（秒）、TimeUnit.MINUTES（分）等
workQueue
线程池中的任务队列
threadFactory
线程工厂，为线程池提供创建新线程的功能，是一个接口。

如下是 AsyncTask 中 THREAD_POOL_EXECUTOR 线程池的配置：

//cpu 数
private static final int CPU_COUNT = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
//核心线程 
private static final int CORE_POOL_SIZE = Math.max (2, Math.min (CPU_COUNT - 1, 4) );
//线程池最大线程数 
private static final int MAXIMUM_POOL_SIZE = CPU_COUNT * 2 + 1;
//闲置超时时间 30s
private static final int KEEP_ALIVE_SECONDS = 30;

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() );
    }
};
//任务队列容量 128
private static final BlockingQueue<Runnable> sPoolWorkQueue =
    new LinkedBlockingQueue<Runnable> (128);
public static final Executor THREAD_POOL_EXECUTOR;

static
{
    ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor (
        CORE_POOL_SIZE, MAXIMUM_POOL_SIZE, KEEP_ALIVE_SECONDS, TimeUnit.SECONDS,
        sPoolWorkQueue, sThreadFactory);
    threadPoolExecutor.allowCoreThreadTimeOut (true);
    THREAD_POOL_EXECUTOR = threadPoolExecutor;
}

2.2 线程池的分类

除了前面的 ThreadPoolExecutor ，android 中还有如下四类线程池，他们都直接或者间接的通过配置 ThreadPoolExecutor 来实现自己的功能，通过 Executors 对应的new方法来创建。

FixedThreadPool
通过 Executors.newFixedThreadPool() 创建，线程数固定的线程池，线程空闲时不会被回收，除非线程池被关闭。这种方式创建的线程池中只有核心线程且不会超时，任务队列无大小限制，能够更快的响应外界的请求。
```
public static ExecutorService newFixedThreadPool (int nThreads)
{
  return new ThreadPoolExecutor (nThreads, nThreads,
                                 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                 new LinkedBlockingQueue<Runnable>() );
}
```

CachedThreadPool
通过 Executors.newCachedThreadPool() 创建，是一种线程数不固定的线程池，只有核心线程，最大数为 Integer.MAX_VALUE，超时时间60s。

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

ScheduledThreadPool
通过 Executors.newScheduledThreadPool() 创建，是一种核心线程数固定，非核心线程数不固定的线程池。主要用于执行定时任务和具有固定周期的重复任务。

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.newSingleThreadExecutor() 创建，内部只有一个线程，可以确保所有的任务都在同一个线程中顺序执行，可以统一外界的任务到一个线程中。
```
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
{
  return new FinalizableDelegatedExecutorService
         (new ThreadPoolExecutor (1, 1,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>() ) );
}
```
这是系统提供的四种常见的线程池，此外还可以根据自己的实际需要灵活的配置线程池。