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进程与线程
第一种解释:
进程
在大多数其他平台的开发中,每个开发人员对自己应用的进程模型都有非常清晰的了解。比如,一个控制台程序,你可以想见它从main函数开始启动一个进程,到 main函数结束,进程执行完成退出;在UI程序中,往往是有一个消息循环在跑,当接受到Exit消息后,退出消息循环结束进程。在该程序运行过程中,启动了什么进程,和第三方进程进行通信等等操作,每个开发者都是心如明镜一本帐算得清清楚楚。进程边界,在这里,犹如国界一般,每一次穿越都会留下深深的印迹。
在Android程序中,开发人员可以直接感知的,往往是Task而已。倍感清晰的,是组件边界,而进程边界变得难以琢磨,甚至有了进程托管一说。Android中不但剥夺了手工锻造内存权力,连手工处置进程的权责,也毫不犹豫的独占了。
当然,Android隐藏进程细节,并不是刻意为之,而是自然而然水到渠成的。如果,我们把传统的应用称为面向进程的开发,那么,在Android中,我们做得就是面向组件的开发。从前面的内容可以知道,Android组件间的跳转和通信,都是在第三方介入的前提下进行,正由于这种介入,使得两个组件一般不会直接发生联系(于Service的通信,是不需要第三方介入的,因此Android把它全部假设成为穿越进程边界,统一基于RPC来通信,这样,也是为了掩盖进程细节...),其中是否穿越进程边界也就变得不重要。因此,如果这时候,还需要开发者关注进程,就会变得很奇怪,很费解,干脆,Android将所有的进程一并托管去了,上层无须知道进程的生死和通信细节。
在Android的底层,进程构造了底部的一个运行池,不仅仅是Task中的各个Activity组件,其他三大组件Service、Content Provider、Broadcast Receiver,都是寄宿在底层某个进程中,进行运转。在这里,进程更像一个资源池(概念形如线程池,上层要用的时候取一个出来就好,而不关注具体取了哪一个...),只是为了承载各个组件的运行,而各个组件直接的逻辑关系,它们并不关心。但我们可以想象,为了保证整体性,在默认情况下,Android肯定倾向于将同一Task、同一应用的各个组件扔进同一个进程内,但是当然,出于效率考虑,Android也是允许开发者进行配置。
在Android中,整体的<application>(将影响其中各个组件...)和底下各个组件,都可以设置<process>属性,相同<process>属性的组件将扔到同一个进程中运行。最常见的使用场景,是通过配置<application>的process属性,将不同的相关应用,塞进一个进程,使得它们可以同生共死。还有就是将经常和某个Service组件进行通信的组件,放入同一个进程,因为与Service通信是个密集操作,走的是RPC,开销不小,通过配置,可以变成进程内的直接引用,消耗颇小。
除了通过<process>属性,不同的组件还有一些特殊的配置项,以Content Provider为例(通过<provider>项进行配置...)。<provider>项有一个mutiprocess的属性,默认值为false,这意味着Content Provider,仅会在提供该组件的应用所在进程构造一个实例,第三方想使用就需要经由RPC传输数据。这种模式,对于构造开销大,数据传输开销小的场合是非常适用的,并且可能提高缓存的效果。但是,如果是数据传输很大,抑或是希望在此提高传输的效率,就需要将mutiprocess设置成true,这样,Content Provider就会在每一个调用它的进程中构造一个实例,避免进程通信的开销。
既然,是Android系统帮助开发人员托管了进程,那么就需要有一整套纷繁的算法去执行回收逻辑。Android中各个进程的生死,和运行在其中的各个组件有着密切的联系,进程们依照其上组件的特点,被排入一个优先级体系,在需要回收时,从低优先级到高优先级回收。Android进程共分为五类优先级,分别是:Foreground Process, Visible Process,Service Process, Background Process, Empty Process。顾名思义不难看出,这说明,越和用户操作紧密相连的,越是正与用户交互的,优先级越高,越难被回收。具体详情,参见:guide/topics/fundamentals.html#proclife。
有了优先级,还需要有良好的回收时机。回收太早,缓存命中概率低可能引起不断的创造进程销毁进程,池的优势荡然无存;回收的太晚,整体开销大,系统运行效率降低,好端端的法拉利可能被糟蹋成一枚QQ老爷车。Android的进程回收,最重要的是考量内存开销,以及电量等其他资源状况,此外每个进程承载的组件数量、单个应用开辟的进程数量等数量指标,也是作为衡量的一个重要标识。另外,一些运行时的时间开销,也被严格监控,启动慢的进程会很被强行kill掉。Android会定时检查上述参数,也会在一些很可能发生进程回收的时间点,比如某个组件执行完成后,来做回收的尝试。
从用户体验角度来看,Android的进程机制,会有很可喜的一面,有的程序启动速度很慢,但是在资源充沛的前提下,你反复的退出再使用,则启动变得极其快速(进程没死,只是从后台弄到了前台),这就是拜进程托管所赐的。当然,可喜的另一面就是可悲了,Android的托管算法,还时不时的展现其幼稚的一面,明明用户已经明显感觉到操作系统运行速度下降了,打开任务管理器一看,一票应用还生龙活虎的跳跃着,必须要手动帮助它们终结生命找到坟墓,这使得任务管理器基本成为Android的装机必备软件。
从开发角度上来看,Android这套进程机制,解放了开发者的手脚。开发人员不需要处心积虑的构造一个后台进程偷偷默默监听某个时间,并尝试用各种各样的守护手段,把自己的进程锻造的犹如不死鸟一辉一般,进程生死的问题,已经原理了普通开发人员需要管理的范畴内。但同时,于GC和人肉内存管理的争议一样,所有开发人员都不相信算法能比自己做得效率更高更出色。但我一直坚信一点,所有效率的优势都会随着算法的不断改良硬件的不断提升而消失殆尽,只有开发模式的简洁不会随时间而有任何变化。
组件生命周期
任何架构上的变化,都会引起上层开发模式的变化,Android的进程模型,虽然使开发者不再需要密切关注进程的创建和销毁的时机,但仍然需要关注这些时间点对组件的影响。比如,你可能需要在进程销毁之前,将写到内存上的内容,持久化到硬盘上,这就需要关注进程退出前发生的一些事件。
在Android中,把握这些时间点,就必须了解组件生命周期(Components Lifecycles)。所谓组件的生命在周期,就是在组件在前后台切换、被用户创建退出、被系统回收等等事件发生的时候,会有一些事件通知到对应组件上,开发人员可以选择性的处理这些事件在对应的时间点上来完成一些附加工作。
除Content Provider,其他组件都会有生命周期的概念,都需要依照这个模型定时定点处理一些状况,全部内容参见:guide/topics/fundamentals.html#lcycles。在这里,擒贼先擒王,还是拿Activity出来作楷模。
继续偷图,来自SDK。一个自然的Activity生命旅途,从onCreate开始,到onDestroy消亡。但月有阴晴圆缺组件有祸福旦夕,在系统需要的时候且组件位于后台时,所在的进程随时可能为国捐躯被回收,这就使得知道切入后台这个事情也变得很重要。
当组件进入栈顶,与用户开始交互,会调用onResume函数,类似,当退出栈顶,会有onPause函数被呼唤。onResume和onPause可以处理很多事情,最常规的,就是做一些文件或设置项的读写工作。因为,在该组件不再前台运行的时候,可能别的组件会需要读写同样一份文件和设置,如果不再onResume做刷新工作,用的可能就是一份脏数据了(当然,具体情况,还需要具体分析,如果文件不会被多头读写,可以放到onCreate里面去做读工作)。
除了前述切入后台会被其他组件骚扰的问题,另外,死无定因也是件很可怕的事情。在Android中,组件都有两种常见的死法,一种是自然消亡,比如,栈元素ABC,变成AB了,C组件就自然消亡了。这种死发轻如鸿毛,不需要额外关心。但另一种情况,就是被系统回收,那是死的重如泰山,为国捐躯嘛。
但这种捐躯的死法,对用户来说,比较费解。想象一下,一款游戏,不能存盘,你一直玩啊玩,三天三夜没合眼,这时候你mm打来电话鼓励一下,你精神抖擞的准备再接再厉,却发现你的游戏进程,在切入后台之后,被系统回收了,一夜回到解放前三天努力成为一场泡影,你会不会想杀做游戏的人,会不会会不会会不会,一定会嘛。这时候,如果没有Activity生命周期这码事,游戏程序员一定是被冤死的,成了Android的替罪羊。但是,Android的组件是有生命周期的, 如果真的发生这样情况,不要犹豫,去杀开发的程序员吧。
为了逃生,程序员们有一块免死金牌,那就是Android的state机制。所谓state,就是开发人员将一些当前运行的状态信息存放在一个Bundle对象里面,这是一个可序列化键值对集合。如果该Activity组件所处的进程需要回收,Android核心会将其上Activity组件的Bundle对象持久化到磁盘上,当用户回到该Activity时候,系统会重新构造该组件,并将持久化到磁盘上的Bundle对象恢复。有了这样的持久化的状态信息,开发人员可以很好的区分具体死法,并有机会的使得死而复生的Activity恢复到死前状态。开发者应该做的,是通过onSaveInstanceState函数把需要维系的状态信息(在默认的状态下,系统控件都会自己保存相关的状态信息,比如TextView,会保存当前的Text信息,这都不需要开发人员担心...),写入到Bundle对象,然后在onRestoreInstanceState函数中读取并恢复相关信息(onCreate,onStart,也都可以处理...)。
线程
读取数据,后台处理,这些猥琐的伙计,自然少不了线程的参与。在Android核心的调度层面,是不屑于考量线程的,它关注的只有进程,每一个组件的构造和处理,都是在进程的主线程上做的,这样可以保证逻辑的足够简单。多线程,往往都是开发人员需要做的。
Android的线程,也是通过派生Java的Thread对象,实现Run方法来实现的。但当用户需要跑一个具有消息循环的线程的时候,Android有更好的支持,来自于Handler和Looper。Handler做的是消息的传送和分发,派生其handleMessage函数,可以处理各种收到的消息,和win开发无异。Looper的任务,则是构造循环,等候退出或其他消息的来临。在Looper的SDK页面,有一个消息循环线程实现的标准范例,当然,更为标准的方式也许是构造一个HandlerThread线程,将它的Looper传递给Handler。
在Android中,Content Provider的使用,往往和线程挂钩,谁让它和数据相关呢。在前面提到过,Content Provider为了保持更多的灵活性,本身只提供了同步调用的接口,而由于异步对Content Provider进行增删改查是一个常做操作,Android通过AsyncQueryHandler对象,提供了异步接口。这是一个Handler的子类,开发人员可以调用startXXX方法发起操作,通过派生onXXXComplete方法,等待执行完毕后的回调,从而完成整个异步调用的流程,十分的简约明了。
实现
整个任务、进程管理的核心实现,尽在ActivityManagerService中。上一篇说到,Intent解析,就是这个ActivityManagerService来负责的,其实,它是一个很名不副实的类,因为虽然名为Activity的Manager Service,但它管辖的范围,不只是Activity,还有其他三类组件,和它们所在的进程。
在ActivityManagerService中,有两类数据结构最为醒目,一个是ArrayList,另一个是HashMap。 ActivityManagerService有大量的ArrayList,每一个组件,会有多个ArrayList来分状态存放。调度工作,往往就是从一个ArrayList里面拿出来,找个方法调一调,然后扔到另一个ArrayList里面去,当这个组件没对应的ArrayList放着的时候,说明它离死不远了。HashMap,是因为有组件是需要用名字或Intent信息做定位的,比如Content Provider,它的查找,都是依据Uri,有了HashMap,一切都顺理成章了。
ActivityManagerService用一些名曰xxxRecord的数据结构,来表达各个存活的组件。于是就有了,HistoryRecord(保存Activity信息的,之所以叫History,是相对Task栈而言的...),ServiceRecord,BroadcastRecord,ContentProviderRecord,TaskRecord,ProcessRecord,等等。
值得注意的,是TaskRecord,我们一直再说,Task栈这样的概念,其实,真实的底层,并不会在TaskRecord中,维系一个Activity 的栈。在ActivityManagerService中,各个任务的Activity,都以HistoryRecord的形式,集中存放在一个 ArrayList中,每个HistoryRecord,会存放它所在TaskRecord的引用。当有一个Activity,执行完成,从概念上的 Task栈中退出,Android是通过从当前HistoryRecord位置往前扫描同一个TaskRecord的HistoryRecord来完成的。这个设计,使得上层很多看上去逻辑很复杂的Task体系,在实现变得很统一而简明,值得称道。
ProcessRecord,是整个进程托管实现的核心,它存放有运行在这个进程上,所有组件的信息,根据这些信息,系统有一整套的算法来决议如何处置这个进程,如果对回收算法感兴趣,可以从ActivityManagerService的trimApplications函数入手来看。
对于开发者来说,去了解这部分实现,主要是可以帮助理解整个进程和任务的概念,如果觉得这块理解的清晰了,就不用去碰ActivityManagerService这个庞然大物了
第二中解释:
应用程序的组件第一次运行时,Android将启动一个只有一个执行线程的Linux进程。默认,应用程序所有的组件运行在这个进程和线程中。然而,你可以安排组件运行在其他进程中,且你可以为进程衍生出其它线程。本文从下面几点来介绍Android的进程与线程:
1、进程
组件运行于哪个进程中由清单文件控制。组件元素——、、、,都有一个process属性可以指定组件运行在哪个进程中。这个属性可以设置为每个组件运行在自己的进程中,或者某些组件共享一个进程而其他的不共享。他们还可以设置为不同应用程序的组件运行在同一个进程中——假设这些应用程序共享同一个Linux用户ID且被分配了同样的权限。元素也有process属性,为所有的组件设置一个默认值。
所有的组件都在特定进程的主线程中实例化,且系统调用组件是由主线程派遣。不会为每个实例创建单独的线程,因此,对应这些调用的方法——诸如View.onKeyDown()报告用用户的行为和生命周期通知,总是运行在进程的主线程中。这意味着,没有组件当被系统调用时应该执行很长时间或阻塞操作(如网络操作或循环计算),因为这将阻塞进程中的其它组件。你可以为长操作衍生独立的线程。
public boolean onKeyDown(intkeyCode,KeyEvent event):默认实现KeyEvent.Callback.onKeyMultiple(),当按下视图的KEYCODE_DPAD_CENTER或KEYCODE_ENTER然后释放时执行,如果视图可用且可点击。
参数
keyCode-表示按钮被按下的键码,来自KeyEvent
event-定义了按钮动作的KeyEvent对象
返回值
如果你处理事件,返回true;如果你想下一个接收者处理事件,返回false。
当内存剩余较小且其它进程请求较大内存并需要立即分配,Android要回收某些进程,进程中的应用程序组件会被销毁。当他们再次运行时,会重新开始一个进程。
当决定终结哪个进程时,Android会权衡他们对用户重要性的相对权值。例如,与运行在屏幕可见的活动进程相比(前台进程),它更容易关闭一个进程,它的活动在屏幕是不可见(后台进程)。决定是否终结进程,取决于运行在进程中的组件状态。关于组件的状态,将在后面一篇——组件生命周期中介绍。
2、线程
虽然你可能会将你的应用程序限制在一个进程中,但有时候你会需要衍生一个线程做一些后台工作。因为用户界面必须很快地响应用户的操作,所以活动寄宿的线程不应该做一些耗时的操作如网络下载。任何不可能在短时间完成的操作应该分配到别的线程。
线程在代码中是用标准的Java线程对象创建的,Android提供了一些方便的类来管理线程——Looper用于在线程中运行消息循环、Handler用户处理消息、HandlerThread用户设置一个消息循环的线程。
Looper类
该类用户在线程中运行消息循环。线程默认没有消息循环,可以在线程中调用prepare()创建一个运行循环;然后调用loop()处理消息直到循环结束。大部分消息循环交互是通过Handler类。下面是一个典型的执行一个Looper线程的例子,分别使用prepare()和loop()创建一个初始的Handler与Looper交互:
class LooperThread extends Thread {
public Handler mHandler;
public void run() {
Looper.prepare();
mHandler = new Handler() {
public void handleMessage(Message msg) {
// process incoming messages here
}
};
Looper.loop();
}
}
更多的关于Looper的信息及Handler、HandlerThread请参阅相关资料。
2.1、远程过程调用(Remoteprocedure calls,RPCs)
Android有一个轻量级的远程过程调用机制——方法在本地调用却在远程(另外一个进程中)执行,结果返回给调用者。这需要将方法调用和它伴随的数据分解为操作系统能够理解的层次,从本地进程和地址空间传输到远程进程和地址空间,并重新组装调用。返回值以相反方向传输。Android提供了做这些工作的所有代码,这样我们可以专注于定义和执行RPC接口本身。
一个RPC接口仅包含方法。所有的方法同步地执行(本地方法阻塞直到远程方法执行完成),即使是没有返回值。简言之,该机制工作原理如下:首先,你用简单的IDL(interface definition language,接口定义语言)声明一个你想实现的RPC接口。从这个声明中,aidl工具生成一个Java接口定义,提供给本地和远程进程。它包含两个内部类,如下图所示:
内部类有管理你用IDL定义的接口的远程过程调用所需要的所有代码。这两个内部类都实现了IBinder接口。其中之一就是在本地由系统内部使用,你写代码可以忽略它。另外一个是Stub,扩展自Binder类。除了用于有效地IPC(interprocess communication)调用的内部代码,内部类在RPC接口声明中还包含方法声明。你可以定义Stub的子类实现这些方法,如图中所示。
通常情况下,远程过程有一个服务管理(因为服务能通知系统关于进程和它连接的其它进程的信息)。它有由aidl工具生成的接口文件和Stub子类实现的RPC方法。服务的客户端仅有由aidl工具生成的接口文件。
下面介绍服务如何与它的客户端建立连接:
·服务的客户端(在本地端的)应该实现onServiceConnected() 和onServiceDisconnected() 方法,因此当与远程服务建立连接成功和断开连接是会通知它。然后调用bindService() 建立连接。
·服务的onBind()方法将实现为接受或拒绝连接,者取决于它接受到的意图(该意图传送到binServive())。如果连接被接受,它返回一个Stub子类的实例。
·如果服务接受连接,Android调用客户端的onServiceConnected()方法且传递给它一个IBinder对象,返回由服务管理的Stub子类的一个代理。通过代理,客户端可以调用远程服务。
这里只是简单地描述,省略了一些RPC机制的细节。你可以查阅相关资料或继续关注Android开发之旅,后面将为你奉上。
2.2、线程安全方法
在一些情况下,你实现的方法可能会被不止一个线程调用,因此必须写成线程安全的。这对远程调用方法是正确的——如上一节讨论的RPC机制。当从IBinder进程中调用一个IBinder对象中实现的一个方法,这个方法在调用者的线程中执行。然而,当从别的进程中调用,方法将在Android维护的IBinder进程中的线程池中选择一个执行,它不在进程的主线程中执行。例如,一个服务的onBind()方法在服务进程的主线程中被调用,在onBind()返回的对象中执行的方法(例如,实现RPC方法的Stub子类)将在线程池中被调用。由于服务可以有一个以上的客户端,所以同时可以有一个以上的线程在执行同一个IBinder方法。因此,IBinder的方法必须是线程安全的。
同样,一个内容提供者可以接受其它进程产生的数据请求。虽然ContentResolver 和 ContentProvider 类隐藏进程通信如何管理的,对应哪些请求的ContentResolver 方法——query()、insert()、delete()、update()、getType(),在内容提供者的进程的线程池中被调用,而不是在这一进程的主线程中。因为这些方法可以同时从任意数量的线程中调用,他们也必须实现为线程安全的。
进程与线程