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今天,我们细说Android下的多线程

楔子

苏格拉底曾说过:“学会了多线程,你就学会了压榨CPU,就好像资本家对无产阶级做的那事一样。”

多线程是开发人员必不可少的技术点,也是初学者不太容易掌握好的一个难点。要想设计出优秀的程序,那必然需要合理的线程调度。今天鄙人就给大家细说下Android中与多线程相关的知识点,揭开多线程神秘的面纱。

本篇文章仅介绍多线程的各种实现方式,不过多涉及深入的基础原理探究,达到“所见即所学,所学即可用”的效果。关于各种多线程原理的深入探究,有机会放在后面的专栏逐一介绍。

多线程是什么?我为什么要用多线程?

线程和进程的概念

按照操作系统中的描述,线程是CPU调度的最小单元,同时线程是一种有限的系统资源。而进程一般指一个执行单元,在PC和移动设备上指一个程序或者一个应用。一个进程可以包含多个线程。

简单点理解,一个Android APP就是一个进程,一个APP里面有多个线程,我们多线程编程的意义就是实现“一个APP多个线程”。

有杠精可能会问,那我可不可以一个APP多个进程?又可不可以一个进程只有一个线程?

我告诉你,可以,都可以。

单线程的APP只包括Android的UI线程也是能运行的;一个APP多个进程也是可以达到的,实现方式涉及到Android的IPC机制,这里不细说。

为什么要使用多线程?

这里杠精可能会说,那你单线程也能跑,我为啥还要整多线程?

我告诉你,首先这句话从Android开发的角度来讲,近似于一个假命题。因为谷歌爸爸现在强制规定了不能在UI线程进行耗时操作,必须放到子线程里面去,除非你的程序不涉及耗时操作。究其原因,是因为在UI线程进行耗时操作的话,给用户的使用体验就是界面“卡顿”。同时,如果UI线程被阻塞超过一定时间会触发ANR(Application Not Responding)错误。

从底层的角度来讲,多线程可以使得整个环境能够异步执行,这有助于防止浪费CPU时钟周期从而提高效率。换言之,多线程能更充分的利用CPU资源,从而提高程序的运行效率。

那我怎么进行多线程编程?

Thread类和Runnable接口

要想定义一个线程只需要新建一个类继承自Thread,然后重写父类的run方法即可

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        doSomething();
    }
}

//在需要的时候启动线程
new MyThread().start();
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优化一下?

我们可以没必要继承整个Thread类,只实现Runnable接口就好了

class MyThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        doSomething()
    }
}

//启动线程
MyThread myThread = new MyThread();
new Thread(myThread).start();
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那我不想专门再写一个线程类怎么办?可以使用匿名类

new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        doSomething();
    }
}).start();
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线程池

线程池的意义

既然我都会用Runnable接口来创建线程了,还要线程池干啥?其实不然,随意创建线程的操作在实际开发中是极为不推荐的。为啥?因为线程也是一种资源,反复的创建和销毁线程会带来一定性能上的额外开销。与其相比,线程池主要有以下几个优点:

  • 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相互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

线程池的结构和原理

一个完整的线程池应该有这么几个组成部分

  • 核心线程
  • 任务队列
  • 非核心线程

当我们通过线程池执行异步任务的时候,其实是依次进行了下面的流程

  1. 检查核心线程数是否到达最大值,否则创建新的核心线程执行任务,是则进行下一步
  2. 检查任务队列是否已满,否则将任务添加到任务队列中,是则进行下一步
  3. 检查非核心线程数是否到达最大值,否则创建新的非核心线程执行任务,是则说明这个线程池已经饱和了,执行饱和策略。默认的饱和策略是抛出RejectedExecutionException异常

下面手搓一个线程池的实现

//CPU核心数
private static final int CPU_COUNT = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
//核心线程数
private static final int CORE_POOL_SIZE = CPU_COUNT + 1;
//最大线程数
private static final int MAX_POOL_SIZE = CPU_COUNT * 2 + 1;
//非核心线程闲置的超时时间
private static final int KEEP_ALIVE_TIME = 1;
//任务队列
private static final BlockingQueue<Runnable> sPoolWorkQueue =
        new LinkedBlockingQueue<Runnable>(128);
//线程池
private ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(CORE_POOL_SIZE,
        MAX_POOL_SIZE, KEEP_ALIVE_TIME, TimeUnit.SECONDS, sPoolWorkQueue);

private void fun(){
    Runnable runnable = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            //子线程处理耗时操作
            doSomething();
        }
    };
    poolExecutor.execute(runnable);
}
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这样我们就实现了一个简单的线程池,核心线程数为CPU数量+1,非核心线程数为CPU数量*2+1,非核心线程的闲置时间为1秒,任务队列的大小为128。

线程池还有具体的好几种分类和相应不同的实现方式,这里不再细说。

Handler

有朋友可能会说,你讲的这些都是Java多线程里面的东西,能不能整点咱Android特有的?OK,现在进入专业时间。

Handler是Android提供的一种异步消息处理机制,要学会使用Handler我们首先来了解下消息处理四兄弟:

  • Message
  • Handler
  • MessageQueue
  • Looper

Handler可以帮助我们实现在不同的线程之间传递消息,这里的Message就是消息本体,也就是我们想要传递的那个东西。

Handler在这里扮演的角色是消息处理者,它的主要作用是发送和处理消息。

MessageQueue是一个消息队列,Handler发送过来的消息会放在这个队列里面,每个线程只会有一个MessageQueue对象。

Looper是线程中消息队列的管家,它会无限循环运行,每发现MessageQueue中存在一条消息,它就会把消息取出然后发送给Handler。每一个线程也只能有一个Looper对象。

好了,基本原理已经了解,现在我们来反手搓一个Handler

private static final int FLAG = 1;

private Handler mHandler = new Handler(){
    @Override
    public void handleMessage(@NonNull Message msg) {
        if (FLAG == msg.what){
            //这里已经回到主线程了
            doSomething();
        }
    }
};

private void fun(){
    new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            //子线程发送消息
            Message message = new Message();
            message.what = FLAG;
            mHandler.sendMessage(message);
        }
    }).start();
}
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AsyncTask

除了Handler以外,谷歌爸爸还给我们提供AsyncTask来进行线程的切换。AsyncTask是一种轻量级的异步任务,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。从实现原理上来讲,AsyncTask是对Thread和Handle的再次封装。

AsyncTask本身是一个抽象的泛型类,有四个亲儿子:

  • onPreExecute()
  • doInBackground(Params...params)
  • onProgressUpdate(Progress...values)
  • onPostExecute(Result result)

最先执行的是方法是onPreExecute()方法,位于主线程中,一般用来做一些准备工作。

然后执行doInBackground()方法,位于线程池中,用来执行异步任务,params表示异步任务的输入参数。这个方法需要返回结果给onPostExecute()方法。

onProgressUpdate()方法在主线程中执行,当后台任务的执行进度发生变化时这个方法会被调用。

onPostExecute()方法在最后异步任务完成之后会被调用,位于主线程中,result参数是后台任务的返回值,即doInBackground()的返回值。

OK,基本原理已经了解了,现在我们来手搓一个AsyncTask

class DownloadTask extends AsyncTask<Void,Integer,Boolean> {

    @Override
    protected void onPreExecute() {
        //这里我们使用了一个显示进度的Dialog,具体实现不表
        progressDialog.show();
    }

    @Override
    protected Boolean doInBackground(Void... voids) {
        try {
            while (true){
                //调用我们的doDownload下载方法,具体实现不表
                int downloadPercent = doDownload();
                //使用publishProgress方法来更新执行的进度
                publishProgress(downloadPercent);
                if (downloadPercent >= 100)
                    break;
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return true;
    }

    @Override
    protected void onProgressUpdate(Integer... values) {
        //更新下载进度
        progressDialog.setMessage("Download "+values[0]+"%");
    }

    @Override
    protected void onPostExecute(Boolean aBoolean) {
        //下载完成
        progressDialog.dismiss();
    }
}
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这里我们创建了一个Download类继承自AsyncTask,有三个泛型,void表示不需要给后台任务传入参数,Integer表示用整数类型来作为进度显示的单位,Boolean表示用布尔类型来反馈后台任务的执行结果。

要让我们的这个AsyncTask跑起来也很简单,只需要执行:

new DownloadTask().execute();

IntentService

IntentService是一种特殊的Service,它继承了Service并且是一个抽象类,我们可以创建它的子类来使用。IntentService也可以用于执行后台的耗时任务,并且当任务执行完毕之后它会自动停止。

IntentService因为是服务的原因,所以和单纯的线程相比它的优先级要高很多,从而更不容易被系统杀死。

IntentService的内部实现是封装了HandlerThread和Handler,使用的话要遵循Service的使用方法,这里先略过后面有机会在Service的专栏里面再详细介绍。

RxJava

有杠精可能会说,你讲的这些方法,一个比一个长,一个比一个复杂,就不能整个简单又粗暴的东西?

这个时候就需要祭出神兵利器RxJava了。

RxJava又是个啥?

其实网络上RxJava的入门文章多如过江之鲫,这里不打算过多的深入介绍。RxJava是一种响应式编程,大家不是很明白的话可以粗暴的理解为更优雅的多线程实现即可。

那怎么操作RxJava?

先手搓一个RxJava的普通实现方式

private void fun(){
    Observable<Integer> observable = Observable.create(new ObservableOnSubscribe<Integer>() {
        @Override
        public void subscribe(ObservableEmitter<Integer> emitter) throws Exception {
            emitter.onNext(1);
        }
    });

    observable.subscribeOn(Schedulers.io())     //表示在io线程执行订阅
            .observeOn(AndroidSchedulers.mainThread())  //表示在主线程接收订阅
            .subscribe(new Observer<Integer>() {
                @Override
                public void onSubscribe(Disposable d) {
                    //接收订阅之前调用
                }

                @Override
                public void onNext(Integer integer) {
                    //接收订阅成功调用
                    doSomething();
                }

                @Override
                public void onError(Throwable e) {
                    //接收订阅出错调用
                }

                @Override
                public void onComplete() {
                    //接收订阅完成调用
                }
            });
}
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emmmmm看起来好像还是挺复杂的啊,能不能再整简单点?

OK,链式调用加lambda安排上

private void fun() {
    Observable.create(emitter -> emitter.onNext(1))
            .subscribeOn(Schedulers.io())
            .observeOn(AndroidSchedulers.mainThread())
            .subscribe(integer -> {
                //接收订阅成功
                doSomething();
            }, throwable -> {});
}
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嗯......有内味了。

这串代码我们是发送了一个Integer类型的数据;

subscribeOn()指定了我们发送的线程是在后台的io线程,就可以理解为一个子线程;

observeOn指定了我们接收的线程为主线程;

subscribe只接收成功的消息,相当于上面的OnNext()方法,本质上是我们在这里创建了一个Comsumer对象来接收;

throwable在接收失败的时候调用,相当于上面的onError()方法。

RxJava有多达几十种的操作符,灵活运用能实现各种不同的异步任务,这里就不再花大量的篇幅详细介绍了,有兴趣的朋友可以去查看ReactiveX中文文档

RxKotlin

RxKotlin可以理解为RxJava在Kotlin上的一个变种,原理都是一样的,只是操作语言变成了Kotlin,然后封装了一下使得可以更优雅的调用,这里给大家一个具体的实现案例,不再过多讲解。

private fun test() {
    Observable.create<Int> { 1 }
            .subscribeOn(Schedulers.io())
            .observeOn(AndroidSchedulers.mainThread())
            .subscribeBy(
                    onNext = {},
                    onError = {}
            )
}
复制代码

Kotlin协程

协程其实和上面所说的线程并不是一个概念,协程是什么?根据官方文档的描述,协程本质上是轻量级的线程。既然是轻量,那说明协程的资源消耗和性能等方面和线程比起来应该是有优势的。那这样看来我们以前使用多线程实现的异步功能,现在基本上都可以用协程来替代了。

协程是一个全新的东西,介于篇幅这里就不展开讲解了,后面会专门写介绍协程的文章。

参考资料

1. 《Java完全参考手册 第八版》

2. 《第一行代码 第二版》

3. 《Android进阶之光》

4. 《Android开发艺术探究》

5. ReactiveX中文文档