Android开发者指南(24) —— Processes and Threads
前言
本章内容为Android开发者指南的Framework Topics/Processes and Threads章节，译为"进程与线程"，版本为Android 3.2 r1，翻译来自："呆呆大虾"，欢迎访问他的微博："http://weibo.com/popapa"，再次感谢"呆呆大虾" ！期待你一起参与翻译Android的相关资料，联系我over140@gmail.com。
Processes and Threads
译者署名： 呆呆大虾
译者微博： 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 · 默认情况下，每个应用程序运行在各自的进程中，应用程序中的所有组件也都运行在其中。 · activity中所有运行缓慢的、阻塞的操作都应该运行在新建的线程中，以免减缓用户界面运行速度。 在本文中
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进程和线程
如果某个应用程序组件是第一次被启动，且这时应用程序也没有其他组件在运行，则Android系统会为应用程序创建一个包含单个线程的linux进程。默认情况下，同一个应用程序的所有组件都运行在同一个进程和线程里（叫做“main”主线程）。如果组件启动时，已经存在应用程序的进程了（因为应用程序的其它组件已经在运行了），则此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里，也可以为任何进程创建额外的线程。
本文讨论进程和线程是如何在Android应用程序中发挥作用的。
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，则可以利用manifest 文件来达到目的。
manifest文件中的每种组件元素——<activity>、 <service>、 <receiver>和<provider>——都支持定义android:process属性，用于指定组件运行的进程。设置此属性即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它组件运行于独立的进程。设置此属性也可以让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用户ID、赋予同样的权限。
<application>元素也支持android:process属性，用于指定所有组件的默认进程。
如果内存不足，可又有其它为用户提供更紧急服务的进程需要更多内存，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系统会权衡它们相对用户的重要程度。比如，相对于一个拥有可见activity的进程，更有可能去关闭一个activity已经在屏幕上看不见的进程。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。
Android系统试图尽可能长时间地保持应用程序进程，但为了新建或者运行更加重要的进程，总是需要清除过时进程来回收内存。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“重要性层次结构”中。重要性最低的进程首先会被清除，然后是下一个最低的，依此类推，这都是回收系统资源所必需的。
重要性层次结构共有5级，以下列表按照重要程度列出了各类进程（第一类进程是最重要的，将最后一个被终止）：
1. 前台进程
用户当前操作所必须的进程。满足以下任一条件时，进程被视作处于前台：
o 其中运行着正与用户交互的Activity（Activity对象的 onResume() 方法已被调用）。
o 其中运行着被正与用户交互的activity绑定的服务Service。
o 其中运行着“前台”服务Service——服务以startForeground()方式被调用。
o 其中运行着正在执行生命周期回调方法（onCreate()、onStart()或onDestroy()）的服务Service。
o 其中运行着正在执行onReceive()方法的BroadcastReceiver。
一般而言，任何时刻前台进程都是为数不多的，只有作为最后的策略——当内存不足以维持它们同时运行时——才会被终止。通常，设备这时候已经到了内存分页状态(memory paging state)的地步，终止一些前台进程是为了保证用户界面的及时响应。
2. 可见进程
没有前台组件、但仍会影响用户在屏幕上所见内容的进程。满足以下任一条件时，进程被认为是可见的：
o 其中运行着不在前台的Activity，但用户仍然可见到此activity（onPause()方法被调用了）。比如以下场合就可能发生这种情况：前台activity打开了一个对话框，而之前的activity还允许显示在后面。
o 其中运行着被可见（或前台）activity绑定的服务Service。
可见进程被认为是非常重要的进程，除非无法维持所有前台进程同时运行了，它们是不会被终止的。
3. 服务进程
此进程运行着由startService()方法启动的服务，它不会升级为上述两级别。尽管服务进程不直接和用户所见内容关联，但他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、可见进程同时运行，系统会保持服务进程的运行。
4. 后台进程
包含目前用户不可见activity（Activity对象的onStop()方法已被调用）的进程。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、可见进程及服务进程使用。通常会有很多后台进程在运行，所以它们被保存在一个LRU（最近最少使用）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可见的影响。因为在用户返回时，activity会恢复所有可见的状态。关于保存和恢复状态的详细信息，请参阅Activities文档。
5. 空进程
不含任何活动应用程序组件的进程。保留这种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级别。例如：如果一个进程中运行着一个服务和一个用户可见的activity，则此进程会被评定为可见进程，而不是服务进程。
此外，一个进程的级别可能会由于其它进程的依赖而被提高——为其它进程提供服务的进程级别永远不会低于使用此服务的进程。比如：如果A进程中的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A进程至少被视为与进程B同样重要。
因为运行服务的进程级别是高于后台activity进程的，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之，即使用户离开了此activity，上传还是会在后台继续运行。不论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”的优先级。同理，上一篇中的广播接收器broadcast receiver也是使用服务而非线程来处理耗时任务的。
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，因为它负责把事件分发给相应的用户界面widget——包括屏幕绘图事件。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，主线程有时也被叫做UI线程。
系统并不会为每个组件的实例都创建单独的线程。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线程分发的。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。
举个例子，当用户触摸屏幕上的按钮时，应用程序的UI线程把触摸事件分发给widget，widget先把自己置为按下状态，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刚好很合适。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。从用户的角度看来，应用程序看上去像是挂起了。更糟糕的是，如果UI线程被阻塞超过一定时间（目前大约是5秒钟），用户就会被提示那个可恶的“应用程序没有响应”(ANR)对话框。如果引起用户不满，他可能就会决定退出并删除这个应用程序。
此外，Andoid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。于是，Andoid的单线程模式必须遵守两个规则：
1. 不要阻塞UI线程。
2. 不要在UI线程之外访问Andoid的UI组件包。
根据对以上单线程模式的描述，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，应该让它们在单独的线程中运行（“后台”或“工作”线程）。
例如：以下响应鼠标点击的代码实现了在单独线程中下载图片并在ImageView显示：
public void onClick(View v) {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
Bitmap b = loadImageFromNetwork("http://example.com/image.png");
mImageView.setImageBitmap(b);
}
}).start();
}
乍看起来，这段代码似乎能运行得很好，因为创建了一个新的线程来处理访问网络的操作。可是它违反了单线程模式的第二条规则：不要在UI线程之外访问Andoid的UI组件包——以上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间的。
为了解决以上问题，Android提供了几种途径来从其它线程中访问UI线程。下面列出了有助于解决问题的几种方法：
· Activity.runOnUiThread(Runnable)
· View.postDelayed(Runnable, long)
比如说，可以使用View.post(Runnable)方法来修正上面的代码：
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();
}
以上代码的执行现在是线程安全的了：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，这类代码也会变得很复杂很难维护。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
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，须实现onPostExecute()方法来分发doInBackground()返回的结果，由于此方法运行在UI线程中，所以就能安全地更新UI了。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来实现上面的那个例子：
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);
}
}
现在UI是安全的，代码也得到简化，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，须阅读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、进度值和任务最终值的类型。
· 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。
线程安全的方法
在某些场合，方法可能会从不止一个线程中被调用，因此这些方法必须是写成线程安全的。
对于能被远程调用的方法——比如绑定服务（bound service）中的方法，这是理所当然的。如果对IBinder所实现方法的调用发起于IBinder所在进程的内部，那么这个方法是执行在调用者的线程中的。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，实现了RPC方法的一个子类）仍会从线程池中的线程被调用。因为一个服务可以有不止一个客户端，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，内容提供者（content provider）也能接收来自其它进程的数据请求。尽管ContentResolver类、ContentProvider类隐藏了进程间通讯管理的细节，ContentProvider中响应请求的方法——query()、insert()、delete()、update()和getType()方法——是从ContentProvider所在进程的线程池中调用的，而不是进程的UI线程。因为这些方法可能会从很多线程同时调用，它们也必须实现为线程安全的。
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。这就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，因此只要把注意力放在定义和实现RPC编程接口上即可。
要执行IPC，应用程序必须用bindService()绑定到服务上。详情请参阅服务Services开发指南。
补充说明
本文参考了http://leybreeze.com/?p=532，修正一些重大错误，增加新版本的内容。
