Android開發者指南(24) —— Processes and Threads

前言

　　本章內容為Android開發者指南的Framework Topics/Processes and Threads章節，譯為"進程與線程"，版本為Android 3.2 r1，翻譯來自："呆呆大蝦"。

 

 

 

Processes and Threads

譯者署名： 呆呆大蝦

譯者微博： http://weibo.com/popapa

版本：Android 3.2 r1

 

原文

http://developer.android.com/guide/topics/fundamentals/processes-and-threads.html

 

快速查看

·           默認情況下，每個應用程序運行在各自的進程中，應用程序中的所有組件也都運行在其中。

·           activity中所有運行緩慢的、阻塞的操作都應該運行在新建的線程中，以免減緩用戶界面運行速度。

在本文中

進程

進程的生命周期

線程

工作線程

線程安全的方法

進程間通訊

 

進程和線程

如果某個應用程序組件是第一次被啟動，且這時應用程序也沒有其他組件在運行，則Android系統會為應用程序創建一個包含單個線程的linux進程。默認情況下，同一個應用程序的所有組件都運行在同一個進程和線程裡（叫做“main”主線程）。如果組件啟動時，已經存在應用程序的進程了（因為應用程序的其它組件已經在運行了），則此組件會在已有的進程和線程中啟動運行。不過，可以指定組件運行在其他進程裡，也可以為任何進程創建額外的線程。

         本文討論進程和線程是如何在Android應用程序中發揮作用的。

 

 

進程

默認情況下，同一個應用程序內的所有組件都是運行在同一個進程中的，大部分應用程序也不會去改變它。不過，如果需要指定某個特定組件所屬的進程，則可以利用manifest 文件來達到目的。

manifest文件中的每種組件元素——<activity>、 <service>、 <receiver>和<provider>——都支持定義android:process屬性，用於指定組件運行的進程。設置此屬性即可實現每個組件在各自的進程中運行，或者某幾個組件共享一個進程而其它組件運行於獨立的進程。設置此屬性也可以讓不同應用程序的組件運行在同一個進程中——實現多個應用程序共享同一個Linux用戶ID、賦予同樣的權限。

<application>元素也支持android:process屬性，用於指定所有組件的默認進程。

如果內存不足，可又有其它為用戶提供更緊急服務的進程需要更多內存，Android可能會決定關閉一個進程。在此進程中運行著的應用程序組件也會因此被銷毀。當需要再次工作時，會為這些組件重新創建一個進程。

在決定關閉哪個進程的時候，Android系統會權衡它們相對用戶的重要程度。比如，相對於一個擁有可見activity的進程，更有可能去關閉一個activity已經在屏幕上看不見的進程。也就是說，是否終止一個進程，取決於運行在此進程中組件的狀態。終止進程的判定規則將在後續內容中討論。

 

進程的生命周期

Android系統試圖盡可能長時間地保持應用程序進程，但為了新建或者運行更加重要的進程，總是需要清除過時進程來回收內存。為了決定保留或終止哪個進程，根據進程內運行的組件及這些組件的狀態，系統把每個進程都劃入一個“重要性層次結構”中。重要性最低的進程首先會被清除，然後是下一個最低的，依此類推，這都是回收系統資源所必需的。

重要性層次結構共有5級，以下列表按照重要程度列出了各類進程（第一類進程是最重要的，將最後一個被終止）：

1. 前台進程

用戶當前操作所必須的進程。滿足以下任一條件時，進程被視作處於前台：

o    其中運行著正與用戶交互的Activity（Activity對象的 onResume() 方法已被調用）。

o    其中運行著被正與用戶交互的activity綁定的服務Service。

o    其中運行著“前台”服務Service——服務以startForeground()方式被調用。

o    其中運行著正在執行生命周期回調方法（onCreate()、onStart()或onDestroy()）的服務Service。

o    其中運行著正在執行onReceive()方法的BroadcastReceiver。

一般而言，任何時刻前台進程都是為數不多的，只有作為最後的策略——當內存不足以維持它們同時運行時——才會被終止。通常，設備這時候已經到了內存分頁狀態(memory paging state)的地步，終止一些前台進程是為了保證用戶界面的及時響應。

 

2. 可見進程

沒有前台組件、但仍會影響用戶在屏幕上所見內容的進程。滿足以下任一條件時，進程被認為是可見的：

o    其中運行著不在前台的Activity，但用戶仍然可見到此activity（onPause()方法被調用了）。比如以下場合就可能發生這種情況：前台activity打開了一個對話框，而之前的activity還允許顯示在後面。

o    其中運行著被可見（或前台）activity綁定的服務Service。

可見進程被認為是非常重要的進程，除非無法維持所有前台進程同時運行了，它們是不會被終止的。

 

3. 服務進程

此進程運行著由startService()方法啟動的服務，它不會升級為上述兩級別。盡管服務進程不直接和用戶所見內容關聯，但他們通常在執行一些用戶關心的操作（比如在後台播放音樂或從網絡下載數據）。因此，除非內存不足以維持所有前台、可見進程同時運行，系統會保持服務進程的運行。

 

4. 後台進程

包含目前用戶不可見activity（Activity對象的onStop()方法已被調用）的進程。這些進程對用戶體驗沒有直接的影響，系統可能在任意時間終止它們，以回收內存供前台進程、可見進程及服務進程使用。通常會有很多後台進程在運行，所以它們被保存在一個LRU（最近最少使用）列表中，以確保最近被用戶使用的activity最後一個被終止。如果一個activity正確實現了生命周期方法，並保存了當前的狀態，則終止此類進程不會對用戶體驗產生可見的影響。因為在用戶返回時，activity會恢復所有可見的狀態。關於保存和恢復狀態的詳細信息，請參閱Activities文檔。

 

5. 空進程

不含任何活動應用程序組件的進程。保留這種進程的唯一目的就是用作緩存，以改善下次在此進程中運行組件的啟動時間。為了在進程緩存和內核緩存間平衡系統整體資源，系統經常會終止這種進程。

 

依據進程中目前活躍組件的重要程度，Android會給進程評估一個盡可能高的級別。例如：如果一個進程中運行著一個服務和一個用戶可見的activity，則此進程會被評定為可見進程，而不是服務進程。

此外，一個進程的級別可能會由於其它進程的依賴而被提高——為其它進程提供服務的進程級別永遠不會低於使用此服務的進程。比如：如果A進程中的content provider為進程B中的客戶端提供服務，或進程A中的服務被進程B中的組件所調用，則A進程至少被視為與進程B同樣重要。

因為運行服務的進程級別是高於後台activity進程的，所以，如果activity需要啟動一個長時間運行的操作，則為其啟動一個服務service會比簡單地創建一個工作線程更好些——尤其是在此操作時間比activity本身存在時間還要長久的情況下。比如，一個activity要把圖片上傳至Web網站，就應該創建一個服務來執行之，即使用戶離開了此activity，上傳還是會在後台繼續運行。不論activity發生什麼情況，使用服務可以保證操作至少擁有“服務進程”的優先級。同理，上一篇中的廣播接收器broadcast receiver也是使用服務而非線程來處理耗時任務的。

 

 

線程

應用程序啟動時，系統會為它創建一個名為“main”的主線程。主線程非常重要，因為它負責把事件分發給相應的用戶界面widget——包括屏幕繪圖事件。它也是應用程序與Android UI組件包（來自android.widget和android.view包）進行交互的線程。因此，主線程有時也被叫做UI線程。

系統並不會為每個組件的實例都創建單獨的線程。運行於同一個進程中的所有組件都是在UI線程中實例化的，對每個組件的系統調用也都是由UI線程分發的。因此，對系統回調進行響應的方法（比如報告用戶操作的onKeyDown()或生命周期回調方法）總是運行在UI線程中。

舉個例子，當用戶觸摸屏幕上的按鈕時，應用程序的UI線程把觸摸事件分發給widget，widget先把自己置為按下狀態，再發送一個顯示區域已失效（invalidate）的請求到事件隊列中。UI線程從隊列中取出此請求，並通知widget重繪自己。

如果應用程序在與用戶交互的同時需要執行繁重的任務，單線程模式可能會導致運行性能很低下，除非應用程序的執行時機剛好很合適。如果UI線程需要處理每一件事情，那些耗時很長的操作——諸如訪問網絡或查詢數據庫等——將會阻塞整個UI（線程）。一旦線程被阻塞，所有事件都不能被分發，包括屏幕繪圖事件。從用戶的角度看來，應用程序看上去像是掛起了。更糟糕的是，如果UI線程被阻塞超過一定時間（目前大約是5秒鐘），用戶就會被提示那個可惡的“應用程序沒有響應”(ANR)對話框。如果引起用戶不滿，他可能就會決定退出並刪除這個應用程序。

此外，Andoid的UI組件包並不是線程安全的。因此不允許從工作線程中操作UI——只能從UI線程中操作用戶界面。於是，Andoid的單線程模式必須遵守兩個規則：

1.         不要阻塞UI線程。

2.         不要在UI線程之外訪問Andoid的UI組件包。

 

工作線程

根據對以上單線程模式的描述，要想保證程序界面的響應能力，關鍵是不能阻塞UI線程。如果操作不能很快完成，應該讓它們在單獨的線程中運行（“後台”或“工作”線程）。

例如：以下響應鼠標點擊的代碼實現了在單獨線程中下載圖片並在ImageView顯示：

public void onClick(View v) { 

    new Thread(new Runnable() { 

        public void run() { 

            Bitmap b = loadImageFromNetwork("http://example.com/image.png"); 

            mImageView.setImageBitmap(b); 

        } 

    }).start(); 

}

乍看起來，這段代碼似乎能運行得很好，因為創建了一個新的線程來處理訪問網絡的操作。可是它違反了單線程模式的第二條規則：不要在UI線程之外訪問Andoid的UI組件包——以上例子在工作線程裡而不是UI線程裡修改了ImageView。這可能導致不明確、不可預見的後果，要跟蹤這種情況也是很困難很耗時間的。

為了解決以上問題，Android提供了幾種途徑來從其它線程中訪問UI線程。下面列出了有助於解決問題的幾種方法：

·       Activity.runOnUiThread(Runnable)

·       View.post(Runnable)

·       View.postDelayed(Runnable, long)

 

比如說，可以使用View.post(Runnable)方法來修正上面的代碼：

public void onClick(View v) { 

    new Thread(new Runnable() { 

        public void run() { 

            final Bitmap bitmap = loadImageFromNetwork("http://example.com/image.png"); 

            mImageView.post(new Runnable() { 

                public void run() { 

                    mImageView.setImageBitmap(bitmap); 

                } 

            }); 

        } 

    }).start(); 

}

以上代碼的執行現在是線程安全的了：網絡相關的操作在單獨的線程裡完成，而ImageView是在UI線程裡操縱的。

不過，隨著操作變得越來越復雜，這類代碼也會變得很復雜很難維護。為了用工作線程完成更加復雜的交互處理，可以考慮在工作線程中用Handler來處理UI線程分發過來的消息。當然，最好的解決方案也許就是繼承使用異步任務類AsyncTask，此類簡化了一些工作線程和UI交互的操作。

 

使用異步任務

異步任務AsyncTask 允許以異步的方式對用戶界面進行操作。它先阻塞工作線程，再在UI線程中呈現結果，在此過程中不需要對線程和handler進行人工干預。

要使用異步任務，必須繼承AsyncTask類並實現doInBackground()回調方法，該對象將運行於一個後台線程池中。要更新UI時，須實現onPostExecute()方法來分發doInBackground()返回的結果，由於此方法運行在UI線程中，所以就能安全地更新UI了。然後就可以在UI線程中調用execute()來執行任務了。

例如，可以利用AsyncTask來實現上面的那個例子：

public void onClick(View v) { 

    new DownloadImageTask().execute("http://example.com/image.png"); 

} 

 

private class DownloadImageTask extends AsyncTask<String, Void, Bitmap> { 

    /** The system calls this to perform work in a worker thread and 

      * delivers it the parameters given to AsyncTask.execute() */ 

    protected Bitmap doInBackground(String... urls) { 

        return loadImageFromNetwork(urls[0]); 

    } 

     

    /** The system calls this to perform work in the UI thread and delivers 

      * the result from doInBackground() */ 

    protected void onPostExecute(Bitmap result) { 

        mImageView.setImageBitmap(result); 

    } 

}

現在UI是安全的，代碼也得到簡化，因為任務分解成了工作線程內完成的部分和UI線程內完成的部分。

要全面理解這個類的使用，須閱讀AsyncTask的參考文檔。以下是關於其工作方式的概述：

·       可以用generics來指定參數、進度值和任務最終值的類型。

·       工作線程中的doInBackground()方法會自動執行。

·       onPreExecute()、onPostExecute()和onProgressUpdate()方法都在UI線程中調用。

·       doInBackground()的返回值會傳給onPostExecute()。

·       在doInBackground()內的任何時刻，都可以調用publishProgress()來執行UI線程中的onProgressUpdate()。

·       可以在任何時刻、任何線程內取消任務。

注意：在使用工作線程時，可能遇到的另一個問題是由於運行配置的改變（比如用戶改變了屏幕方向）導致activity意外重啟，這可能會銷毀該工作線程。要了解如何在這種情況下維持任務執行、以及如何在activity被銷毀時正確地取消任務，請參見Shelves例程的源代碼。

 

線程安全的方法

在某些場合，方法可能會從不止一個線程中被調用，因此這些方法必須是寫成線程安全的。

對於能被遠程調用的方法——比如綁定服務（bound service）中的方法，這是理所當然的。如果對IBinder所實現方法的調用發起於IBinder所在進程的內部，那麼這個方法是執行在調用者的線程中的。但是，如果調用發起於其他進程，那麼這個方法將運行於線程池中選出的某個線程中（而不是運行於進程的UI線程中），該線程池由系統維護且位於IBinder所在的進程中。例如，即使一個服務的onBind()方法是從服務所在進程的UI線程中調用的，實現了onBind()的方法對象（比如，實現了RPC方法的一個子類）仍會從線程池中的線程被調用。因為一個服務可以有不止一個客戶端，所以同時可以有多個線程池與同一個IBinder方法相關聯。因此IBinder方法必須實現為線程安全的。

類似地，內容提供者（content provider）也能接收來自其它進程的數據請求。盡管ContentResolver類、ContentProvider類隱藏了進程間通訊管理的細節，ContentProvider中響應請求的方法——query()、insert()、delete()、update()和getType()方法——是從ContentProvider所在進程的線程池中調用的，而不是進程的UI線程。因為這些方法可能會從很多線程同時調用，它們也必須實現為線程安全的。

 

 

進程間通訊

Android利用遠程過程調用（remote procedure call，RPC）提供了一種進程間通信（IPC）機制，通過這種機制，被activity或其他應用程序組件調用的方法將（在其他進程中）被遠程執行，而所有的結果將被返回給調用者。這就要求把方法調用及其數據分解到操作系統可以理解的程度，並將其從本地的進程和地址空間傳輸至遠程的進程和地址空間，然後在遠程進程中重新組裝並執行這個調用。執行後的返回值將被反向傳輸回來。Android提供了執行IPC事務所需的全部代碼，因此只要把注意力放在定義和實現RPC編程接口上即可。

要執行IPC，應用程序必須用bindService()綁定到服務上。詳情請參閱服務Services開發指南。

 

 

補充說明

本文參考了http://leybreeze.com/?p=532，修正一些重大錯誤，增加新版本的內容。