Android中多线程切换的几种方法

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我们知道,多线程是Android开发中必现的场景,很多原生API和开源项目都有多线程的内容,这里简单总结和探讨一下常见的多线程切换方式。
我们先回顾一下Java多线程的几个基础内容,然后再分析总结一些经典代码中对于线程切换的实现方式。

几点基础

多线程切换,大概可以切分为这样几个内容:如何开启多个线程,如何定义每个线程的任务,如何在线程之间互相通信。

Thread

Thread可以解决开启多个线程的问题。
Thread是Java中实现多线程的线程类,每个Thread对象都可以启动一个新的线程,注意是可以启动,也可以不启动新线程:

thread.run();//不启动新线程,在当前线程执行
thread.start();//启动新线程。

另外就是Thread存在线程优先级问题,如果为Thread设置较高的线程优先级,就有机会获得更多的CPU资源,注意这里也是有机会,优先级高的Thread不是必然会先于其他Thread执行,只是系统会倾向于给它分配更多的CPU。
默认情况下,新建的Thread和当前Thread的线程优先级一致。
设置线程优先级有两种方式:

thread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);//1~10,通过线程设置
Process.setThreadPriority(Process.THREAD_PRIORITY_BACKGROUND);//-20~19,通过进程设置

这两种设置方式是相对独立的,在Android中,一般建议通过Process进程设置优先级。

ThreadPool

Thread本身是需要占用内存的,开启/销毁过量的工作线程会造成过量的资源损耗,这种场景我们一般会通过对资源的复用来进行优化,针对IO资源我们会做IO复用(例如Http的KeepAlive),针对内存我们会做内存池复用(例如Fresco的内存池),针对CPU资源,我们一般会做线程复用,也就是线程池。
所以,在Android开发中,一般不会直接开启大量的Thread,而是会使用ThreadPool来复用线程。

Runnable

Runnable主要解决如何定义每个线程的工作任务的问题。
Runnable是Java中实现多线程的接口,相对Thread而言,Runnable接口更容易扩展(不需要单继承),而且,Thread本身也是一种Runnable:

public class Thread implements Runnable {

相比Thread而言,Runnable不关注如何调度线程,只关心如何定义要执行的工作任务,所以在实际开发中,多使用Runnable接口完成多线程开发。

Callable

Callable和Runnable基本类似,但是Callable可以返回执行结果。

线程间通信

Thread和Runnable能实现切换到另一个线程工作(Runnable需要额外指派工作线程),但它们完成任务后就会退出,并不注重如何在线程间实现通信,所以切换线程时,还需要在线程间通信,这就需要一些线程间通信机制。

Future

一般来说,如果要做简单的通信,我们最常用的是通过接口回调来实现。
Future就是这样一种接口,它可以部分地解决线程通信的问题,Future接口定义了done、canceled等回调函数,当工作线程的任务完成时,它会(在工作线程中)通过回调告知我们,我们再采用其他手段通知其他线程。

        mFuture = new FutureTask<MyBizClass>(runnable) {
            @Override
            protected void done() {
                ...//还是在工作线程里
            }
        };

Condition

Condition其实是和Lock一起使用的,但如果把它视为一种线程间通信的工具,也说的通。
因为,Condition本身定位就是一种多线程间协调通信的工具,Condition可以在某些条件下,唤醒等待线程。

 Lock lock = new ReentrantLock();
 Condition notFull  = lock.newCondition(); //定义Lock的Condition
...
   while (count == items.length)
                notFull.await();//等待condition的状态
...
   notFull.signal();//达到condition的状态

Handler

其实,最完整的线程间通信机制,也是我们最熟悉的线程间通信机制,莫过于Handler通信机制,Handler利用线程封闭的ThreadLocal维持一个消息队列,Handler的核心是通过这个消息队列来传递Message,从而实现线程间通信。

AsyncTask的多线程切换

回顾完多线程的几个基础概念,先来看看简单的多线程切换,Android自带的AsyncTask。
AsyncTask主要在doInBackground函数中定义工作线程的工作内容,在其他函数中定义主线程的工作内容,例如onPostExecute,这里面必然涉及两个问题:
1.如何实现把doInBackground抛给工作线程
2.如何实现把onPostExecute抛给主线程
其实非常简单,我们先看第一个

1.如何实现把doInBackground抛给工作线程

在使用AsyncTask时,我们一般会创建一个基于AsyncTask的扩展类或匿名类,在其中实现几个抽象函数,例如:

    private class MyTask extends AsyncTask<String, Object, Long> {
        @Override
        protected void onPreExecute() {... }
        @Override
        protected Long doInBackground(String... params) {... }
        @Override
        protected void onProgressUpdate(Object... values) {... }
        @Override
        protected void onPostExecute(Long aLong) {... }
        @Override
        protected void onCancelled() {... }

然后,我们会实例化这个AsyncTask:

MyTask mTask = new MyTask();

在AsyncTask源码中,我们看到,构造函数里会创建一个WorkerRunnable:

    public AsyncTask() {
        mWorker = new WorkerRunnable<Params, Result>() {//这是一个Callable
            public Result call() throws Exception {
                ...
                    result = doInBackground(mParams);//在工作线程中执行
                    ...

WorkerRunnable实际上是一个Callable对象,所以,doInBackground是被包在一个Callable对象中了,这个Callable还会被继续包装,最终被交给一个线程池去执行:

Runnable mActive;
...
if ((mActive = mTasks.poll()) != null) {
    THREAD_POOL_EXECUTOR.execute(mActive);//交给线程池执行
}

梳理一下,大致过程为:
定义doInBackground-->被一个Callable调用-->层层包为一个Runnable-->交给线程池执行。
这样就解决了第一个问题,如何实现把doInBackground抛给工作线程。
我们再来看第二个问题。

2.如何实现把onPostExecute抛给主线程

首先,我们要知道工作任务何时执行完毕,就需要在工作完成时触发一个接口回调,也就是前面说过的Future,还是看AsyncTask源码:

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

        mFuture = new FutureTask<Result>(mWorker) {
            @Override
            protected void done() {//Future的回调
                try {
                    postResultIfNotInvoked(get());//get()是FutureTask接口函数
                ...
            }
        };
    }

这样,我们就知道可以处理onPostExecute函数了,但是,我们还需要把它抛给主线程,主要源码如下:

    //mWorker、mFuture和都会指向postResult函数
    private Result postResult(Result result) {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Message message = getHandler().obtainMessage(MESSAGE_POST_RESULT,
                new AsyncTaskResult<Result>(this, result));
        message.sendToTarget();
        return result;
    }
    //getHandler()会指向InternalHandler
    private static class InternalHandler extends Handler {
        public InternalHandler() {
            super(Looper.getMainLooper());//指向MainLooper
        }
        @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]);//通过handler机制,回到主线程,调用finish函数
       ...
    }
    //在Handler中,最终会在主线程中调用finish
    private void finish(Result result) {
        if (isCancelled()) {
            onCancelled(result);
        } else {
            onPostExecute(result);//调用onPostExecute接口函数
        }
        mStatus = Status.FINISHED;
    }

从源码可以看到,其实AsyncTask还是通过Handler机制,把任务抛给了主线程。

总体来说,AsyncTask的多线程任务是通过线程池实现的工作线程,在完成任务后利用Future的done回调来通知任务完成,并通过handler机制通知主线程去执行onPostExecute等回调函数。

EventBus的多线程切换

EventBus会为每个订阅事件注册一个目标线程,所以需要从发布事件的线程中,根据注册信息,实时切换到目标线程中,所以,这是个很典型的多线程切换场景。
根据EventBus源码,多线程切换的主要判断代码如下:

        switch (subscription.subscriberMethod.threadMode) {
            case POSTING:
                invokeSubscriber(subscription, event);//直接在当前线程执行
                break;
            case MAIN:
                if (isMainThread) {
                    invokeSubscriber(subscription, event);//在当前主线程执行
                } else {
                    mainThreadPoster.enqueue(subscription, event);//当然不是主线程,交给主线程执行
                }
                break;
            case BACKGROUND:
                if (isMainThread) {
                    backgroundPoster.enqueue(subscription, event);//当前线程为主线程,交给工作线程
                } else {
                    invokeSubscriber(subscription, event);//直接在当前工作线程执行
                }
                break;
            case ASYNC:
                asyncPoster.enqueue(subscription, event);//异步执行
                break;
            default:
                throw new IllegalStateException("Unknown thread mode: " + subscription.subscriberMethod.threadMode);
        }

所以,在EventBus里,如果需要做线程间切换,主要是抛给不同的任务队列,实现线程间切换。
从任务队列判断,切换目标包括主线程Poster、backgroundPoster和asyncPoster这样三种。
我们先看任务队列的设计:

任务队列

因为EventBus不能判断有哪些任务会并行,所以它采用了队列的设计,多线程任务(EventBus的事件)会先进入队列,然后再处理队列中的工作任务,这是典型的生产--消费场景。
主线程Poster、backgroundPoster和asyncPoster都是任务队列的不同实现。

主线程Poster

负责处理主线程的mainThreadPoster是Handler的子类:

final class HandlerPoster extends Handler {
...
    void enqueue(Subscription subscription, Object event) {
        ...
        synchronized (this) {//因为主线程只有一个,需要线程安全
            queue.enqueue(pendingPost);
            ...
                if (!sendMessage(obtainMessage())) {//作为handler发送消息
                 ...
    //在主线程中处理消息
    @Override
    public void handleMessage(Message msg) {
         ...
}

从源码可以看出,这个Poster其实是一个Handler,它采用了哪个线程的消息队列,就决定了它能和哪个线程通信,我们确认一下:

   EventBus(EventBusBuilder builder) {
        ...
        mainThreadPoster = new HandlerPoster(this, Looper.getMainLooper(), 10);//获取主线程的MainLooper

所以,EventBus是扩展了一个Handler,作为主线程的Handler,通过Handler消息机制实现的多线程切换。
当然,这个Handler本事,又多了一层queue。

backgroundPoster和asyncPoster

backgroundPoster和asyncPoster其实都是使用了EventBus的线程池,默认是个缓存线程池:

    private final static ExecutorService DEFAULT_EXECUTOR_SERVICE = Executors.newCachedThreadPool();

所以,backgroundPoster和asyncPoster都是把任务交给线程池处理,这样实现的多线程切换。
不过,backgroundPoster和asyncPoster也有一些不同,我们知道,在newCachedThreadPool中,最大线程数就是Integer的最大值,相当于不设上限,所以可以尽可能多的启动线程,asyncPoster就是这样做的,enqueu和run都没做同步,为每个事件单独开启新线程处理。
而在backgroundPoster中,可以尽量复用线程,主要方法是在run的时候,做个1秒的等待:

    @Override
    public void run() { 
        ...
        PendingPost pendingPost = queue.poll(1000);//允许等待1秒

因为做了这一秒的挂起等待,在enqueue和run时,都需要用synchronized (this) 来确保线程安全。

另外,其实这里面还有个很重要的用法,就是Executors.newCachedThreadPool()中的SynchronousQueue:

    public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());//用于辅助线程切换的阻塞队列
    }

这个SynchronousQueue,在OkHttp中也使用了:

  //okhttp3.Dispatcher源码
  public synchronized ExecutorService executorService() {
    if (executorService == null) {
      executorService = new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60, TimeUnit.SECONDS,
          new SynchronousQueue<Runnable>(), Util.threadFactory("OkHttp Dispatcher", false));//用于辅助线程切换的阻塞队列
    }
    return executorService;
  }

SynchronousQueue与普通队列不同,不是数据等线程,而是线程等数据,这样每次向SynchronousQueue里传入数据时,都会立即交给一个线程执行,这样可以提高数据得到处理的速度。

总的来看,EventBus还是采用线程池实现工作线程,采用handler机制通知到主线程。不同在于,它采用的queue的队列方式来管理所有的跨线程请求,而且它利用了SynchronousQueue阻塞队列来辅助实现线程切换。

RxJava的多线程切换

其实在多线程管理这方面,RxJava的线程管理能力是非常令人赞叹的。
RxJava的主要概念是工作流,它可以把一序列工作流定义在一个线程类型上:

myWorkFlow.getActResponse(myParam)
                .subscribeOn(Schedulers.io())//指定线程
                .xxx//其他操作

这个构建工作流的过程其实挺复杂的,不过如果我们只看线程操作这部分,其实流程非常清晰,我们追踪一下subscribeOn的源码(RxJava2):

    //进入subscribeOn
    public final Flowable<T> subscribeOn(@NonNull Scheduler scheduler) {
        ObjectHelper.requireNonNull(scheduler, "scheduler is null");
        return subscribeOn(scheduler, !(this instanceof FlowableCreate));
    }
    //继续进入subscribeOn
    public final Flowable<T> subscribeOn(@NonNull Scheduler scheduler, boolean requestOn) {
        ObjectHelper.requireNonNull(scheduler, "scheduler is null");
        return RxJavaPlugins.onAssembly(new FlowableSubscribeOn<T>(this, scheduler, requestOn));
    }

然后,进入FlowableSubscribeOn类

    //进入FlowableSubscribeOn类
        public FlowableSubscribeOn(Flowable<T> source, Scheduler scheduler, boolean nonScheduledRequests) {
       ...
        this.scheduler = scheduler;
        ...
    }

    @Override
    public void subscribeActual(final Subscriber<? super T> s) {
        Scheduler.Worker w = scheduler.createWorker();//根据参数值,如Schedulers.io()创建worker
        final SubscribeOnSubscriber<T> sos = new SubscribeOnSubscriber<T>(s, w, source, nonScheduledRequests);//根据worker创建SubscribeOnSubscriber
        s.onSubscribe(sos);
        w.schedule(sos);
    }

这个SubscribeOnSubscriber是个内部类:

        SubscribeOnSubscriber(Subscriber<? super T> actual, Scheduler.Worker worker, Publisher<T> source, boolean requestOn) {
            ...
            this.worker = worker;
            ...
          }
...
        void requestUpstream(final long n, final Subscription s) {
            ...
                worker.schedule(new Request(s, n));//worker会安排如何执行runnable(Request是一个runnable)
            ...
        }

而这个worker,其实就是我们输入的线程参数,如Schedulers.io(),这个io是这样定义的:

//io.reactivex.schedulers.Schedulers源码
    static {
        SINGLE = RxJavaPlugins.initSingleScheduler(new SingleTask());

        COMPUTATION = RxJavaPlugins.initComputationScheduler(new ComputationTask());

        IO = RxJavaPlugins.initIoScheduler(new IOTask());

        TRAMPOLINE = TrampolineScheduler.instance();

        NEW_THREAD = RxJavaPlugins.initNewThreadScheduler(new NewThreadTask());
    }
...
    static final class IOTask implements Callable<Scheduler> {
        @Override
        public Scheduler call() throws Exception {
            return IoHolder.DEFAULT;
        }
    }

    static final class NewThreadTask implements Callable<Scheduler> {
        @Override
        public Scheduler call() throws Exception {
            return NewThreadHolder.DEFAULT;
        }
    }

    static final class SingleTask implements Callable<Scheduler> {
        @Override
        public Scheduler call() throws Exception {
            return SingleHolder.DEFAULT;
        }
    }

    static final class ComputationTask implements Callable<Scheduler> {
        @Override
        public Scheduler call() throws Exception {
            return ComputationHolder.DEFAULT;
        }
    }
...
    static final class SingleHolder {
        static final Scheduler DEFAULT = new SingleScheduler();
    }

    static final class ComputationHolder {
        static final Scheduler DEFAULT = new ComputationScheduler();
    }

    static final class IoHolder {
        static final Scheduler DEFAULT = new IoScheduler();
    }

    static final class NewThreadHolder {
        static final Scheduler DEFAULT = new NewThreadScheduler();
    }

这里的IO,最终会指向一个Scheduler,如IoScheduler:

//io.reactivex.internal.schedulers.IoScheduler源码
...
    static final class EventLoopWorker extends Scheduler.Worker {//Scheduler.Worker的实现类
        ...
        @NonNull
        @Override
        public Disposable schedule(@NonNull Runnable action, long delayTime, @NonNull TimeUnit unit) {
            if (tasks.isDisposed()) {
                // don't schedule, we are unsubscribed
                return EmptyDisposable.INSTANCE;
            }

            return threadWorker.scheduleActual(action, delayTime, unit, tasks);//交给线程池
        }

这样,Scheculer中的具体任务就交给了某个线程池来处理。

需要特别说明的是,RxJava中调用Android主线程(AndroidSchedulers.mainThread),其实还是使用了Handler机制:

public final class AndroidSchedulers {

    ...
        static final Scheduler DEFAULT = new HandlerScheduler(new Handler(Looper.getMainLooper()));

这个HandlerScheduler其实就是实现了Scheduler和Scheduler.Worker内部类。
···
final class HandlerScheduler extends Scheduler {
private final Handler handler;

HandlerScheduler(Handler handler) {
    this.handler = handler;
}
private static final class HandlerWorker extends Worker {
    ...
    @Override
    public Disposable schedule(Runnable run, long delay, TimeUnit unit) {
        ...
        handler.sendMessageDelayed(message, Math.max(0L, unit.toMillis(delay)));

···

总的来看,RxJava的多线程切换其实是利用了Scheculer.Worker这个内部类,把任务交给Scheculer的Worker去做,而这个Scheculer的Worker是根据定义的线程来实现了不同的线程池,其实还是交给线程池去处理了。
至于主线程,RxJava也是使用了Handler机制。

总结

小小总结一下,基本上来说,Android中的多线程切换,主要使用Runnable和Callable来定义工作内容,使用线程池来实现异步并行,使用Handler机制来通知主线程,有些场景下会视情况需要,使用Future的接口回调,使用SynchronousQueue阻塞队列等。

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