Android性能优化（十一）之正确的异步姿势
1、 前言
在前面的性能优化系列文章中，我曾多次说过：异步不是灵丹妙药，不正确的异步方式不仅不能较好的完成异步任务，反而会加剧卡顿。Android开发中我们使用异步来进行耗时操作，异步离不开一个词：线程。那么问题来了：
- Android中线程调度是如何实现的？
- 正确的异步姿势是什么呢？
- 线程池一定会提升效率吗？
那今天这篇文章我们就来聊聊Android中正确的异步姿势。
2、 Android线程调度
Android的线程调度由两个主要因素来决定如何在整个系统调度线程：nice values和cgroups。
2.1 Nice values
Linux中使用nice value来设定一个进程的优先级，系统任务调度器根据这个值来安排调度。而在Android中nice values被用在线程优先级上，高nice values(低优先级)的线程运行机会少于低nice values(高优先级)的线程。最重要的两个线程优先级是default和background。线程的优先级应该根据线程的工作量谨慎选择，简单来说，线程优先级应该和该线程期望完成的工作量相反。线程做的工作越多，它的优先级应该越小，以便它不会造成系统资源紧张。所以，UI线程(Activity的主线程)通常是default优先级，然而后台线程(AsyncTask的线程)通常是background优先级。
Nice values在理论上很重要，因为他们减少了后台工作线程中断UI的可能性。 但在实践中，只有Nice values并不足够。例如，存在20个后台线程和一个单独的执行UI的前台线程。虽然他们每个的优先级很低，但是合起来这个20个后台线程将影响前台线程的性能，结果就是损害了用户体验。因为在任何时刻几个应用程序可能已经有等待运行的后台线程，Android OS必须以某种方式处理这些问题。
Android中线程优先级
2.2 Cgroups
为了处理这个问题，Android系统使用Linux cgroups（Linux内核的一个功能，用来限制，控制与分离一个进程组群的资源）强制执行更严格的foreground、background调度策略。background优先级的线程被隐式的移动到了background cgroup，当其它组中的线程处于工作状态，它们被限制只有很小的几率（5%到10%）利用CPU。这种分离允许后台线程执行一些任务，但不会对用户可见的前台线程产生较大的影响。
除了自动将低优先级线程分配给background cgroup，Android也将当前不在前台运行的应用程序的线程移动到background cgroup中。将应用程序线程自动分组保证了当前前台线程总是优先的，无论有多少应用程序在后台运行。
总结：
- 高Nice Value对应较低的线程优先级，意味着更少的执行机会，让步于高优先级的UI线程；
- Cgroups可以更好的凸显某类线程的优先级，Android中有两类group尤其重要：一类是default group，对应UI线程。另一类是background group，对应工作线程；
- 进程的属性变化也会影响到线程的调度，当一个App进入后台，该App所属的整个线程都将进入background group，以确保处于foreground、用户可见的进程能获取到尽可能多的CPU资源。
3、 正确的异步姿势
3.1 Thread
new Thread(){
@Override
public void run() {
super.run();
// NetWork or DataBase Operation
}
}.start();
这是最简单的创建异步线程的姿势了，但是每当项目中出现这类代码，我都忍不了要把它改掉的冲动。
缺点：
- 创建及销毁线程消耗性能较大；
- 缺乏统一的管理；
- 优先级与UI线程一致，抢占资源处于同一起跑线；
- 匿名内部类默认持有外部类的引用，有内存泄漏的风险;
- 需要自己处理线程切换。
备注：此种姿势最好不要使用，特定场景下（例如App启动阶段为避免在主线程创建线程池的资源消耗）使用的话务必加上优先级的设置。
Process.setThreadPriority(Process.THREAD_PRIORITY_BACKGROUND);
3.2 AysncTask
AsyncTask是Android1.5提供了工具类，它使创建异步任务变得更加简单，同时屏蔽了线程切换。
下面代码是官方文档的示例代码，在doInBackground()方法中处理耗时操作，处理的进度由onProgressUpdate()方法进行回调，耗时操作处理完成之后会调用onPostExecute()方法，在UI线程中执行。
private class DownloadFilesTask extends AsyncTask<URL, Integer, Long> {
protected Long doInBackground(URL... urls) {
int count = urls.length;
long totalSize = 0;
for (int i = 0; i < count; i++) {
totalSize += Downloader.downloadFile(urls[i]);
publishProgress((int) ((i / (float) count) * 100));
// Escape early if cancel() is called
if (isCancelled()) break;
}
return totalSize;
}
protected void onProgressUpdate(Integer... progress) {
setProgressPercent(progress[0]);
}
protected void onPostExecute(Long result) {
showDialog("Downloaded " + result + " bytes");
}
}
优点：
- 创建异步任务变得更加简单，同时屏蔽了线程切换；
- 在AsyncTask.java中我们可以看到，异步线程的优先级已经被默认设置成了：THREAD_PRIORITY_BACKGROUND，不会与UI线程抢占资源；
缺点：
- Api实现版本不一致问题：在Android1.5时AsyncTask的执行是串行的，在Android1.5——3.0之间AsyncTask是并行的，而到了Android3.0之后AsyncTask的执行又回归到了串行。当然目前我们兼容的最低版本一般都会是最低4.0，那么就不需要对其进行过多的自定义适配，但是一定要注意AsyncTask默认是串行的，用于多线程场景下的话需要调用其重载方法executeOnExecutor()传入自定义的线程池，并且自己处理好同步问题；
- 匿名内部类默认持有外部类的引用，有内存泄漏的风险。
备注：对于AsyncTask正确的使用姿势，就是区分场景调用不同的执行方法；并且避免出现内存泄漏的问题。
3.3 HandlerThread
通过HandlerThread可以创建一个带有looper的线程，引入了Handler、Looper、MessageQueue等概念，可以实现对工作线程的调度。
以下是HandlerThread的使用示例：
HandlerThread handlerThread = new HandlerThread("DataBase Opeartion", Process.THREAD_PRIORITY_BACKGROUND);
handlerThread.start();
Handler handler = new Handler(handlerThread.getLooper()){
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
// Do DataBase Opeartion
}
};
优点：
- 串行执行，没有并发带来的问题；
- 不退出的前提下一直存在，避免线程相关的对象频繁重建和销毁造成的资源消耗。
缺点：
- 串行执行（不同的视角优点也变缺点），并发场景下无能为力；
- 不指定优先级的情景下默认优先级为THREAD_PRIORITY_DEFAULT，与UI线程同级别。
备注：HandlerThread的正确使用姿势：串行场景，并在构造方法中明确指定优先级。
3.4 IntentService
根据官方文档的描述：IntentService是继承于Service并处理异步请求的一个类，在IntentService内有一个工作线程来处理耗时操作，启动IntentService的方式和启动传统Service一样，同时，当任务执行完后，IntentService会自动停止，而不需要我们去手动控制。另外，可以启动IntentService多次，而每一个耗时操作会以工作队列的方式在IntentService的onHandleIntent回调方法中执行，并且，每次只会执行一个耗时操作，依次执行。
实际上IntentService是Service与HandlerThread的组合，内部的工作线程以及调度机制都依赖于HandlerThread。
@Override
public void onCreate() {
// TODO: It would be nice to have an option to hold a partial wakelock
// during processing, and to have a static startService(Context, Intent)
// method that would launch the service & hand off a wakelock.
super.onCreate();
HandlerThread thread = new HandlerThread("IntentService[" + mName + "]");
thread.start();
mServiceLooper = thread.getLooper();
mServiceHandler = new ServiceHandler(mServiceLooper);
}
@Override
public void onDestroy() {
mServiceLooper.quit();
}
优势：
- 同HandlerThread的优势；
- 开启服务，进程优先级会提升；
- 无需手动关闭，执行完之后自动结束。
备注：
有人可能对于Service的理解会有误区，Service并不是执行耗时操作的乐园，在《Android 性能优化（七）之你真的理解 ANR 吗？》中分析过，Service中执行耗时操作会导致ANR。
3.5 ThreadPoolExecutor
线程池：基本思想是一种对象池的思想，开辟一块内存空间，里面存放了众多(存活状态)的线程，池中线程执行调度由池管理器来处理。当有线程任务时，从池中取一个，执行完成后线程对象归池，这样可以避免反复创建线程对象所带来的性能开销，节省了系统的资源。
优势：
- 线程的创建和销毁由线程池维护，一个线程在完成任务后并不会立即销毁，而是由后续的任务复用这个线程，从而减少线程的创建和销毁，节约系统的开销；
- 线程池旨在线程的复用，这就可以节约我们用以往的方式创建线程和销毁所消耗的时间，减少线程频繁调度的开销，从而节约系统资源，提高系统吞吐量；
- 在执行大量异步任务时提高了性能；
- Java内置的一套ExecutorService线程池相关的api，可以更方便的控制线程的最大并发数、线程的定时任务、单线程的顺序执行等。
备注：回到我们上面提的第三个问题：线程池一定会提升效率吗？
- 使用线程池需要特别注意同时并发线程数量的控制。因为CPU只能同时执行固定数量的线程数，一旦同时并发的线程数量超过CPU能够同时执行的阈值，CPU就需要花费精力来判断到底哪些线程的优先级比较高，在不同的线程之间进行调度切换。一旦同时并发的线程数量达到一定的量级，CPU在不同线程之间进行调度的时间就可能过长，反而导致性能严重下降；
- 每开一个新的线程，都会耗费至少64K以上的内存。线程池中存在了过多的并发数量不仅会影响CPU的调度时间而且会减少可用内存；
- 线程的优先级具有继承性，在某线程中创建的线程会继承此线程的优先级。那么我们在UI线程中创建了线程池，其中的线程优先级是和UI线程优先级一样的；所以仍然可能出现20个同样优先级的线程平等的和UI线程抢占资源。
对于线程池中线程数量的限制，可以参考AsyncTask中的配置，基于7.0源码，不同版本的实现可能有细微差别;
// We want at least 2 threads and at most 4 threads in the core pool,
// preferring to have 1 less than the CPU count to avoid saturating
// the CPU with background work 核心池数量被限定在2到4之间。
private static final int CORE_POOL_SIZE = Math.max(2, Math.min(CPU_COUNT - 1, 4));
private static final int MAXIMUM_POOL_SIZE = CPU_COUNT * 2 + 1;
private static final int KEEP_ALIVE_SECONDS = 30;
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(
CORE_POOL_SIZE, MAXIMUM_POOL_SIZE, KEEP_ALIVE_SECONDS, TimeUnit.SECONDS,
sPoolWorkQueue, sThreadFactory);
4、 总结
- Thread、AsyncTask适合处理单个任务的场景；
- HandlerThread适合串行处理多任务的场景；
- IntentService适合处理与UI无关的多任务场景；
- 当需要并行的处理多任务之时，ThreadPoolExecutor是更好的选择，当然也可以使用AsyncTask传入自定义的线程池；
- 注意线程优先级的设置；
- 特别注意对不同场景下异步方式的选择。
参考：
《Java线程池》
《Thread Scheduling in Android》
《java线程池大小为何会大多被设置成CPU核心数+1？》
《Android性能优化典范——The Importance of Thread Priority 》
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