Android系统的进程和线程

╰半橙微兮° 2021-12-10 12:03 261阅读 0赞

当一个应用组件启动，并且该应用没有别的正在运行的组件时，则 [Android][] 系统会为这个应用程序创建一个包含单个线程的 linux 进程。  
  
某个应用组件启动，如果该应用程序的进程已经存在（因为应用程序的其他组件已经在运行了），那么刚刚启动的组件会在已有的进程和线程中启动运行。不过，可以指定组件运行在其他进程中，也可以为任何进程创建其他的线程。  
  
本节主要讨论进程和线程是如何在 Android 应用程序中发挥作用的。

## 进程 ##

默认情况下，同一个应用程序内的所有组件都是运行在同一个进程中的，大部分应用程序也不会去改变它。不过，如果需要指定某个特定组件所属的进程，那么可以利用 manifest 文件来达到目的。  
  
manifest 文件中的每种组件元素（<activity>、 <service>、 <receiver> 和 <provider>）都支持 android:process 属性，用于指定组件所属运行的进程。以下两点是设置 android:process 属性的好处：

*  可实现每个组件在各自的进程中运行，或者某几个组件共享一个进程而其他组件不可以参与。
 *  可让来自于不同应用程序的组件运行在同一个进程中，实现多个应用程序共享同一个 [Linux][] 的 user ID，并且提供相同的签名认证。

<application> 元素也支持 android:process 属性，用于指定所有组件的默认值。  
  
如果内存不足，且又有其他为用户提供更紧急服务的进程需要更多内存时，Android 可能会决定关闭一个进程。在此进程中运行着的应用程序组件也会因此被销毁。当需要再次工作时，会为这些组件重新创建一个进程。  
  
在决定关闭哪个进程的时候，Android 系统会权衡它们对于用户的重要程度。比如，相对于一个拥有可视 Activity 的进程，更有可能去关闭一个持有一组不再对用户可见的 Activity 的进程。也就是说，是否终止一个进程，取决于运行在此进程中组件的状态。终止进程的判定规则将在后续内容中讨论。  
  
注：一个进程的关闭级别，按照该进程中最高的级别来定义，如该进程中有 Activity 和 Service，那么该进程的级别为 Service。  
  
Android 系统试图尽可能长时间地保持应用程序进程，但为了新建的或者更为重要的进程，总是需要清除旧的进程以回收内存。  
  
为了决定保留或终止哪个进程，根据进程内运行的组件及这些组件的状态，系统把每个进程都划入一个“importance hierarchy”中。重要性最低的进程首先会被清除，然后是其次低的进程，以此类推，这都是回收系统资源所必需的。  
  
“importance hierarchy”共有 5 级，下面按照重要程度列出了各类进程（第一类进程是最重要的，最后一个被终止）。

1) 前台进程（Foreground Process）

用户正在请求的进程。当以下任何一个条件成立时，该进程被认为是前台进程：

*  持有一个用户正在与之交互的 Activity（Activity 对象的 onResume() 方法已被调用）。
 *  持有一个服务（Service），且该服务已被绑定到一个正在与用户交互的 Activity 上。
 *  持有一个服务，且该服务在前台运行，即该服务 startForground() 调用。
 *  持有一个服务，且该服务正在执行其生命周期的回调方法（onCreate()、onStart()、onDestroy()）。
 *  持有一个 BroadcastReceiver，且其正在执行 onReceive() 方法。

通常，在一个给定的时间内，只有很少的前台进程存在。当系统内存匮乏，以至于它们不能全部继续运行时，它们会依序被清除。通常，这时设备已经到了内存分页状态（memory paging state），来清除那些前台进程以确保用户响应。

2) 可视进程（Visible Process）

一个可视进程是没有前台组件的，但仍会影响用户在屏幕上所见内容的进程。当以下任何一个条件成立时，该进程被认为是可视进程：

*  持有一个 Activity，且该 Activity 没有处于前台，但是对于用户而言它仍然可见（onPause() 方法被调用）。这是可能发生的，例如，一个前台 Activity 启动了一个对话框，而之前的 Activity 还允许显示在后面。
 *  持有一个服务（Service），且该服务被绑定到一个可视（或一个前台）Activity。

一个可视进程是极其重要的，除非无法维持所有前台进程同时运行了，否则它们是不会被终止的。

3) 服务进程（Service Process）

运行由 startService() 方法启动的服务，它不会升级为上述两个级别。  
  
尽管服务进程不直接和用户所见内容关联，但它们通常在执行一些用户关心的操作（比如在后台播放音乐或从网络下载数据）。因此，除非内存不足以维持所有前台、可视进程同时运行。其余情况，系统则会保持服务进程的运行。

4) 后台进程（Background Process）

一个后台进程持有一个对用户不可见的 Activity（Activity 对象的 onStop() 方法已被调用）。  
  
这些进程对用户体验没有直接的影响，系统可能在任意时间终止它们，以回收内存供前台进程、可视进程及服务进程使用。通常会有许多后台进程运行，所以它们被保存在一个 LRU（Least Recently Used）列表中，以确保最近被用户使用的 Activity 最后一个被终止。  
  
如果一个 Activity 正确实现了生命周期方法，并保存了当前的状态，则终止此类进程不会对用户体验产生显着的影响。因为当用户回到这个 Activity，这个 Activity 会恢复它所有可视的状态。  
  
关于保存和恢复状态的详细信息，可参阅 [https://blog.csdn.net/sinat\_33921105/article/details/78631823][https_blog.csdn.net_sinat_33921105_article_details_78631823]。

5) 空进程（Empty Process）

空进程不含任何活动应用程序组件。  
  
保留空进程的唯一目的就是用作缓存，以改善下次在此进程中运行组件的启动时间。为了在进程缓存和内核缓存间平衡系统整体资源，系统经常会终止这种进程。  
  
依据进程中目前活跃组件的重要程度，Android 会给进程评估一个尽可能高的等级。  
  
比如，一个进程拥有一个服务和一个用户可见的 Activity，则此进程会被评定为可视进程，而不是服务进程。  
  
此外，一个进程的等级可能会由于其他进程的依赖而被提高，一个服务于另一个进程的进程永远不能比另一个进程的等级低。  
  
比如，进程 A 中的 content provider 为进程 B 中的客户端提供服务，或进程 A 中的服务被进程 B 中的组件所调用，则进程 A 被认为其重要等级不低于进程 B。  
  
因为运行服务的进程级别高于后台 Activity 进程的等级，所以，如果 Activity 需要启动一个长时间运行的操作，则为其启动一个服务（Service）会比简单地创建一个工作线程更好些，尤其是在此操作时间比 Activity 本身存在时间还要长久的情况下。  
  
比如，一个 Activity 要把图片上传至 Web 网站，就应该创建一个服务来执行，即使用户离开此 Activity，上传还是会在后台继续运行。无论 Activity 发生什么情况，使用服务可以保证操作至少拥有服务进程（service process）的优先级。同理，前面的广播接收器也是使用服务而非简单地启用一个线程。

## 线程 ##

应用程序启动时，系统会为它创建一个名为“main”的主线程。  
  
主线程非常重要，因为它负责分配事件到合适的用户接口，包括绘图事件。它也是应用程序与 Android UI 组件包（来自 android.widget 和 android.view 包）进行交互的线程。因此，主线程有时也被叫作 UI 线程。  
  
系统并不会为每个组件的实例创建单独的线程。  
  
运行于同一个进程中的所有组件都是在 UI 线程中实例化的，对每个组件的系统调用也都是由 UI 线程分配的。因此，对系统回调进行响应的方法（比如报告用户操作的 onKeyDown() 或生命周期回调方法）总是运行在 UI 线程中。  
  
例如，当用户触摸屏幕上的按钮时，应用程序的 UI 线程会把触摸事件分发给 widget，widget 先把自己置为按下（pressed）状态，再发送一个显示区域已失效（invalidate）的请求到事件队列中。UI 线程从队列中取出此请求，并通知 widget 重绘自己。  
  
如果应用程序在与用户交互的同时需要执行繁重密集的任务，单线程模式可能会导致运行性能很低下，除非应用程序的执行时机很合适。  
  
如果 UI 线程需要处理每一件事情，那些耗时很长的操作（诸如访问网络或查询数据库等）将会阻塞整个 UI（线程）。一旦线程被阻塞，所有事件都不能被分发，包括屏幕绘图事件。  
  
从用户的角度来看，应用程序看上去似乎被挂起了。更糟糕的是，如果 UI 线程被阻塞超过一定时间（目前设置大约是 5 秒钟），用户就会被提示那个可恶的“应用程序没有响应”(ANR)。如果引起用户不满，可能就会决定退出并删除这个应用程序。  
  
此外，Android 的 UI 组件包并不是线程安全的，因此不允许从工作线程中操作 UI，只能从 UI 线程中操作用户界面。因此，Android 的单线程模式必须遵守两个规则：

*  不允许阻塞 UI 线程。
 *  不允许在 UI 线程之外访问 Android 的 UI 组件包。

根据以上对单线程模式的描述，要想保证程序界面的响应能力，关键是不能阻塞 UI 线程。如果操作不能很快完成，就让它们在单独的线程中运行（“后台”或“工作”线程）。  
  
例如，以下是响应鼠标单击的代码，实现了在单独线程中下载图片并在 ImageView 显示的功能。

1.  public void onClick(View v)\{
2.  new Thread(new Runnable()\{
3.  public void run()\{
4.  Bitmap b = loadImageFromNetwork("http://example.com/image.png");
5.  mImageView.setImageBitmap(b);
6.  \}
7.  
8.  \}).start();
9.  \}

首先，因为创建了一个新的线程来处理访问网络的操作，这段代码似乎能运行得很好。可是它违反了单线程模式的第二条规则，即不要在 UI 线程之外访问 Android 的 UI 组件包。 这个例子在工作线程里而不是 UI 线程里修改了 ImageView，这可能导致不明确、不可预见的后果，要跟踪这种情况也是很困难很耗时的。  
  
为了解决以上问题，Android 提供了几种方法，从其他线程中访问 UI 线程。下面列出了有助于解决问题的几种方法：

*  Activity.runOnUiThread（可运行）
 *  View.post（可运行）
 *  View.postDelayed（Runnable接口，长）

例如，可以使用 View.post(Runnable) 方法来修正上面的代码：

1.  public void onClick(View v) \{
2.  new Thread(new Runnable() \{
3.  public void run() \{
4.  final Bitmap bitmap = loadImageFromNetwork("http://example.com/image.png");
5.  mImageView.post(new Runnable() \{
6.  public void run() \{
7.  mImageView.setImageBitmap(bitmap);
8.  \}
9.  \});
10. \}
11. \}).start();
12. \}

现在，这段代码的执行是线程安全的了。网络相关的操作在单独的线程里完成，而 ImageView 是在 UI 线程里操纵的。  
  
不过，随着操作变得越来越复杂，这类代码也会变得复杂难以维护。  
  
为了用工作线程完成更加复杂的交互处理，可以考虑在工作线程中用 Handler 来处理 UI 线程分发过来的消息。当然，最好的解决方案也许就是继承使用异步任务类 AsyncTask，此类简化了一些工作线程和 UI 交互的操作。

使用异步任务（AsyncTask）

异步任务（AsyncTask）允许以异步的方式对用户界面进行操作。它先阻塞工作线程，再在 UI 线程中呈现结果，在此过程中不需要对线程和 Handler 进行人工干预。  
  
要使用异步任务，必须继承 AsyncTask 类并实现 doInBackground() 回调方法，该对象将运行于一个后台线程池中。  
  
要更新 UI 时，需实现 onPostExecute() 方法来分发 doInBackground() 返回的结果。由于此方法运行在 UI 线程中，因此能够安全地更新 UI。然后就可以在 UI 线程中调用 execute() 来执行任务了。  
  
例如，可以利用 AsyncTask 来实现上面的例子：

1.  public void onClick(View v) \{
2.  new DownloadImageTask().execute("http://example.com/image.png");
3.  \}
4.  private class DownloadImageTask extends AsyncTask<String, Void, Bitmap> \{
5.  /\*\* The system calls this to perform work in a worker thread and delivers it the parameters given to AsyncTask.execute() \*/
6.  protected Bitmap doInBackground(String... urls) \{
7.  return loadImageFromNetwork(urls\[0\]);
8.  \}
9.  /\*\* The system calls this to perform work in the UI thread and delivers the result from doInBackground() \*/
10. protected void onPostExecute(Bitmap result) \{
11. mImageView.setlmageBitmap(result);
12. \}
13. \}

现在的 UI 是安全的，代码也得到了简化，因为任务分解成了工作线程内完成的部分和 UI 线程内完成的部分。  
  
要全面理解这个类的使用，需阅读 AsyncTask 的参考文档。以下是关于其工作方式的概述：

*  可以用 generics 来指定参数的类型、进度值和任务最终值。
 *  工作线程中的 doInBackground() 方法会自动执行。
 *  onPreExecute()、onPostExecute() 和 onProgressUpdate() 方法都在 UI 线程中调用。
 *  doInBackground() 的返回值会传给 onPostExecute()。
 *  在 doInBackground() 内的任何时刻，都可以调用 publishProgress() 来执行 UI 线程中的 onProgressUpdate()。
 *  可以在任何时刻、任何线程内取消任务。

注意

在使用工作线程时，可能遇到的另一个问题是，由于运行配置的改变（比如用户改变了屏幕方向）导致 Activity 意外重启，这可能会销毁该工作线程。  
  
要了解如何在这种情况下维持任务执行以及如何在 Activity 被销毁时正确地取消任务，请参见 Shelves 例程的源代码（网址： [https://github.com/typeimage/shelves][https_github.com_typeimage_shelves]）。

## 线程安全方法 ##

在一些情况下，实现的方法可能会被多个线程调用，因此应该设计为线程安全的。  
  
真实存在能被远程调用的方法（比如，绑定服务（bound service）中的方法），当一个方法（在一个 IBinder 中实现）的调用发起于同一个进程（IBinder 正运行的）时，这个方法在调用者线程中执行。但是，如果调用发起于其他进程，那么这个方法将运行于线程池中选出的某个线程中（而不是运行于进程的 UI 线程中），该线程池由系统维护且位于 IBinder 所在的进程中。  
  
例如，即使一个服务的 onBind() 方法是从服务所在进程的 UI 线程中调用的，实现了 onBind() 的方法对象（比如，一个子类实现了 RPC 的方法）仍会从线程池中的线程被调用。因为一个服务可以有多个客户端，所以同时可以有多个线程池与同一个 IBinder 方法相关联。因此，IBinder 方法必须实现为线程安全的。  
  
类似地，尽管 ContentResolver 类、ContentProvider 类隐藏了进程间通信管理的细节，但是 content provider 也能接收来自其他进程的数据请求。  
  
ContentProvider 中响应请求的方法有：query()、insert()、delete()、update() 和 getType() 方法，这些方法都会从它所在进程的线程池中被调用，而不是进程的 UI 线程。由于这些方法可能会从很多线程中同时被调用，因此它们也必须实现为线程安全的。

## 进程间的通信 ##

Android 利用远程过程调用（Remote Procedure Call，RPC）提供了一种进程间通信（IPC）机制，通过这种机制，被 Activity 或其他应用程序组件调用的方法将（在其他进程中）被远程执行，而所有的结果将被返回给调用者。  
  
要求把方法调用及其数据分解到操作系统可以理解的程度，并将其从本地的进程和地址空间传输至远程的进程和地址空间，然后在远程进程中重新组装并执行这个调用。执行后的返回值将被反向传输回来。  
  
Android 提供了执行 IPC 事务所需的全部代码，因此只要关注定义和实现 RPC 编程接口即可。  
  
要执行 IPC，应用程序必须用 bindService() 绑定到服务上。详情可参阅 [https://www.cnblogs.com/slgkaifa/p/7169947.html][https_www.cnblogs.com_slgkaifa_p_7169947.html]。

[Android]: http://c.biancheng.net/android/
[Linux]: http://c.biancheng.net/linux_tutorial/
[https_blog.csdn.net_sinat_33921105_article_details_78631823]: https://blog.csdn.net/sinat_33921105/article/details/78631823
[https_github.com_typeimage_shelves]: https://github.com/typeimage/shelves
[https_www.cnblogs.com_slgkaifa_p_7169947.html]: https://www.cnblogs.com/slgkaifa/p/7169947.html