Многопоточность в Android. Looper, Handler, HandlerThread. Часть 1.
Что вы знаете о многопоточности в андроид? Вы скажете: «Я могу использовать AsynchTask для выполнения задач в бэкграунде». Отлично, это популярный ответ, но что ещё? «О, я слышал что-то о Handler’ах, и даже как то приходилось их использовать для вывода Toast’ов или для выполнения задач с задержкой…» — добавите Вы. Это уже гораздо лучше, и в этой статье мы рассмотрим как и для чего используют многопоточность в Android.
Для начала давайте взглянем на хорошо известный нам класс AsyncTask, я уверен что каждый андроид-разработчик использовал его. Прежде всего, стоит заметить, что есть отличное описание этого класса в официальной документации. Это хороший и удобный класс для управления задачами в фоне, он подойдёт для выполнения простых задач, если вы не хотите тратить впустую время на изучение того как можно эффективно управлять потоками в андроид. Самая главная вещь о которой вы должны знать – только метод doInBackground выполняется в другом потоке! Остальные его методы выполняются в главном UI потоке. Рассмотрим пример типичного использования AsyncTask:
Далее в интерфейсе будем использовать следующий тривиальный макет с прогресбаром для всех наших тестов.
В макете бесконечно отображается индикация вращения прогресбара. Если прогресбар застынет – это будет что в главном UI потоке происходит выполнение тяжелой работы.
Здесь мы используем AsyncTask, потому что приложению потребуется некоторое время для получения ответа от сервера и мы не хотим что бы нам интерфейс завис в ожидании этого ответа, поэтому мы поручаем выполнить сетевую задачу другому потоку. Есть много постов о том, почему использование AsyncTask – это плохая затея(например: если это внутренний класс вашего активити/фрагмента, то он будет удерживать внутреннюю ссылку на него, что является плохой практикой, потому что активити/фрагмент могут быть уничтожены при смене конфигурации, но они будут висеть в памяти пока работает фоновый поток; если объявлен отдельным статическим внутренним классом и вы используете ссылку на Context для обновления вьюшек, вы должны всегда проверять их на null).
Все задачи в главном потоке выполняются последовательно, делая тем самым код более предсказуемым – вы не рискуете попасть в ситуацию изменения данных несколькими потоками. Значит если какая-то задача работает слишком долго, Вы получите неотвечающее приложени, или ANR(Application Not Responding) ошибку. AsyncTask является одноразовым решением. Класс не может быть повторно использован при повторном вызове execute метода на одном экземпляре – вы непременно должны создать новый экземпляр AsyncTask для новой работы.
Любопытно то, что если вы попытаетесь показать Toast из метода doInBackground, то получите ошибку, содержащую что то вроде:
Из-за чего же мы получили ошибку? Ответ прост: потому что Toast является частью интерфейса и может быть показан только из UI потока, а правильный ответ: потому что он может быть показан только из потока с Looper’ом! Вы спросите, что такое Looper?
Хорошо, пришло время копнуть глубже. AsyncTask отличный класс, но что если его функциональности недостаточно для ваших действий? Если мы заглянем под капот AsyncTask, то обнаружим устройство с крепко связанными компонентами: Handler, Runnable и Thread. Каждый из вас знаком с потоками в Java, но в андройде вы обнаружите ещё один класс HandlerThread, произошедший от Thread. Единственное существенное отличие между HandlerThread и Thread заключается в том что первый содержит внутри себя Looper, Thread и MessageQueue. Looper трудится, обслуживая 
MessageQueue для текущего потока. MessageQueue это очередь которая содержит в себе задачи, называющиеся сообщениями, которые нужно обработать. Looper перемещается по этой очереди и отправляет сообщения в соответствующие обработчики для выполнения. Любой поток может иметь единственный уникальлный Looper, это ограничение достигается с помощью концепции ThreadLocal хранилища. Связка Looper+MessageQueue выглядит как конвейер с коробками. Задачи в очередь помещают Handler‘ы.
Вы можете спросить: «Для чего вся эта сложность, если задачи всё равно обрабатываются их создателями – Handler‘ами?». Мы получаем как минимум 2 преимущества:
— это помогает избежать состояния гонки (race conditions), когда работа приложения становится зависимой от порядка выполнения потоков;
— Thread не может быть повторно использован после завершения работы. А если поток работает с Looper’ом, то вам не нужно повторно создавать экземпляр Thread каждый раз для работы в бэкграунде.
Вы можете сами создавать и управлять Thread’ами и Looper’ами, но я рекомендую воспользоваться HandlerThread (Google решили использовать HandlerThread вместо LooperThread) : В нём уже есть встроенный Looper и всё настроено для работы.
А что о Handler? Это класс с двумя главными функциями: отправлять задачи в очередь сообщений (MessageQueue) и выполнять их. По умолчанию Handler неявно связывается с потоком в котором он был создан с помощью Looper’a, но вы можете связать его явно с другим потоком, если предоставите ему другой Looper в конструкторе. Наконец-то пришло время собрать все куски теории вместе и взглянуть на примере как всё это работает! Представим себе Activity в которой мы хотим отправлять задачи(в моей статье задачи представлены экземплярами Runnable интерфейса, что такое на самом деле задача(или сообщение) я расскажу во второй части статьи) в очередь сообщений(все активити и фрагменты существуют в главном UI потоке), но они должны выполняться с некоторой задержкой:
Так как mUiHandler связан с главным потоком(он получил Looper главного потока в конструкторе по умолчанию) и он является членом класса, мы можем получить к нему доступ из внутреннего анонимного класса и поэтому можем отправлять задачи-сообщения в главный поток. Мы используем Thread в примере выше и не можем использовать его повторно, если хотим выполнить новую задачу. Для этого нам придется создать новый экземпляр. Есть другое решение? Да! Мы можем использовать поток с Looper’ом. Давайте немного модифицируем пример выше с целью заменить Thread на HandlerThread для демонстрации того, какой прекрасной способностью к повторному использованию он обладает:
Я использую HandlerThread в этом примере, потому что я не хочу управлять Looper’ом сам, HandlerThread сам справится с этим. Один раз мы стартуем HandlerThread, после чего можем отправлять задачи в любое время, но помните о вызове метода quit когда вы хотите остановить HandlerThread. mWorkerHandler связан с MyWorkerThread с помощью его Looper. Вы не сможете инициализировать mWorkerHandler за пределами конструктора HandlerThread , так как getLooper будет возвращать null, потому что поток ещё не существует. Порой вам может встретится следующий способ инициализации Handler:
Порой это отлично работает, но иногда вы будете выхватывать NPE после вызова
postTask, с сообщением о том, что ваш mWorkerHandler — null. Сюрприз!
Почему это произошло? Хитрость здесь в нативном вызове, необходимом для создании нового потока. Если мы взглянем на кусок кода, где вызывается onLooperPrepared, мы найдём следующий фрагмент в HandlerThread классе:
Хитрость заключается в том, что run метод будет вызван только после того, как новый поток создаётся и запускается. И этот вызов может иногда произойти после вызова postTask(можете проверить это самостоятельно, просто поместите точку останова внутри postTask и onLooperPreparerd методов и взгляните, какой из них будет первым), таким образом вы можете стать жертвой состояния гонки между двух потоков (main и background).
Во второй части разберем как на самом деле внутри MessageQueue работают задачи.
Источник
Как реализованы Looper, Handler и MessageQueue?
В предыдущих постах мы описали что такое и для чего используются Looper, Handler, и MessageQueue. Иногда на собеседованиях просят написать свою имплементацию этих сущностей. Хоть эти классы и считаются низкоуровневым Android API, они по большей части реализованы обычными средствами Java.
По своей сути Looper, Handler и MessageQueue реализуют шаблон producer/consumer. Тред-продюсер отправляет сообщения через Handler в коллекцию-буфер, реализованную классом MessageQueue. Тред-потребитель блокирован с помощью класса Looper, который ожидает и принимает сообщения из MessageQueue и передает их на обработку хэндлеру.
Первый этап использования этих сущностей – инициализация лупера, которая выполняется методом Looper.prepare() . Этот метод создает объект-looper вызовом приватного конструктора. При вызове конструктора также создается объект MessageQueue, который хранится в приватном поле класса Looper.
После этого метод prepare() сохраняет созданный объект в статическое поле типа ThreadLocal , имеющее package видимость.
Реализация инициализации лупера довольна простая, но она позволяет в любом месте программы и из любого треда получить лупер и очередь сообщений, связанные с текущим тредом.
Статический метод Looper.myLooper() просто достает лупер из переменной ThreadLocal:
Метод Looper.myQueue() получает лупер методом myLooper() и возвращает поле queue:
В следующем посте разберемся, как реализовано добавление сообщений в очередь.
Тред-продюсер добавляет сообщение в очередь одним из методов post*() или sendMessage*() класса Handler .
Для начала вспомним, что Handler всегда связан с объектом Looper , а значит хэндлер имеет доступ к очереди сообщений ( MessageQueue ) лупера.
Методы post() , postAtTime() , postDelayed() добавляют в очередь сообщений объект Runnable , который будет выполнен тредом-потребителем.
Для этого сначала создается объект Message вызовом приватного метода getPostMessage(Runnable r) . getPostMessage() получает message из пула сообщений методом Message.obtain() и устанавливает runnable в поле callback.
Message.obtain() возвращает объект message из пула, который представляет собой связный список максимальным размером 50 сообщений. Если все сообщения пула используются, то obtain() создает и возвращает новый объект message.
После создания объекта message методы post*() вызывают один из методов sendMessage*() , передавая параметрами созданное сообщение и свои аргументы time или delay .
Вызов метода sendMessage(Message m) делегируется в sendMessageDelayed(m, 0) .
sendMessageDelayed(Message m, long delayMillis) прибавляет значение параметра delayMillis к текущему времени и делегирует вызов в метод sendMessageAtTime(Message m, long uptimeMillis) .
sendMessageAtTime() вызывает приватный метод enqueueMessage() , который устанавливает текущий хэндлер в поле target класса Message и вызывает enqueueMessage() у класса MessageQueue . Этот метод имеет package видимость и не доступен в публичном api.
MessageQueue – это связный список, реализованный с помощью поля next класса Message , которое ссылается на следующее сообщение в списке. Поле next также имеет package видимость.
Сообщения в MessageQueue отсортированы по возрастанию значения поля Message.when. Метод enqueueMessage() проходит по очереди, проверяя значение when каждого из сообщений и вставляет новое сообщение в положенное место очереди.
Код вставки сообщения в очередь в методе enqueueMessage() заключен в synchronized блок, который синхронизирован на this .
В предыдущих постах мы описали инициализацию лупера на потоке-потребителе и реализацию добавления сообщения в очередь потоком-продюсером.
Разберемся, как поток-потребитель получает сообщения из очереди.
Для блокировки потока и ожидания сообщения используется метод loop() .
Метод loop() вызывает метод MessageQueue.next() , который блокирует текущий поток и ожидает появления следующего сообщения.
Метод next() реализует бесконечный цикл, на каждой итерации которого сравнивает текущее время со значением поля when объекта message в голове очереди.
Если SystemClock.uptimeMillis() ≥ msg.when , то next() возвращает сообщение.
Если SystemClock.uptimeMillis() , то поток засыпает на время равное when — uptimeMillis .
Допустим поток вычислил when — uptimeMillis и заснул на минуту. Что будет, если хэндлер добавит в очередь новое сообщение со значением when — uptimeMillis равное 5 секунд, пока поток спит?
При вызове MessageQueue.enqueueMessage() сообщение добавляется в очередь и поток-потребитель пробуждается. Метод next() отрабатывает итерацию, в которой устанавливает новое значение времени пробуждения, равное 5 секундам.
Метод loop() , получив сообщение из next() , передает это сообщение на обработку хэндлеру, вызывая метод dispatchMessage(). Лупер получает хэндлер-обработчик из поля target :
Источник
Android UI thread
Большая часть кода Android приложения работает в контексте компонент, таких как Activity, Service, ContentProvider или BroadcastReceiver. Рассмотрим, как в системе Android организованно взаимодействие этих компонент с потоками.
При запуске приложения система выполняет ряд операций: создаёт процесс ОС с именем, совпадающим с наименованием пакета приложения, присваивает созданному процессу уникальный идентификатор пользователя, который по сути является именем пользователя в ОС Linux. Затем система запускает Dalvik VM где создаётся главный поток приложения, называемый также «поток пользовательского интерфейса (UI thread)». В этом потоке выполняются все четыре компонента Android приложения: Activity, Service, ContentProvider, BroadcastReceiver. Выполнение кода в потоке пользовательского интерфейса организованно посредством «цикла обработки событий» и очереди сообщений.
Рассмотрим взаимодействие системы Android с компонентами приложения.
Activity. Когда пользователь выбирает пункт меню или нажимает на экранную кнопку, система оформит это действие как сообщение (Message) и поместит его в очередь потока пользовательского интерфейса (UI thread).
Service. Исходя из наименования, многие ошибочно полагают, что служба (Service) работает в отдельном потоке (Thread). На самом деле, служба работает так же, как Activity в потоке пользовательского интерфейса. При запуске локальной службы командой startService, новое сообщение помещается в очередь основного потока, который выпонит код сервиса.
BroadcastReceiver. При создании широковещательного сообщения система помещает его в очередь главного потока приложения. Главный поток позднее загрузит код BroadcastReceiver который зарегистрирован для данного типа сообщения, и начнёт его выполнение.
ContentProvider. Вызов локального ContentProvider немного отличается. ContentProvider также выполняется в основном потоке но его вызов является синхронным и для запуска кода ContentProvider не использует очередь сообщений.
Исходя из вышесказанного можно заметить, что если главный поток в данный момент обрабатывает пользовательский ввод или выполняет иное действие, выполнение кода, полученного в новом сообщении, начнётся только после завершения текущей операции. Если какая либо операция в одном из компонентов потребует значительного времени выполнения, пользователь столкнётся или с анимацией с рывками, или с неотзывчивыми элементами интерфейса или с сообщением системы «Приложение не отвечает» (ANR).
Для решения данной проблемы используется парадигма параллельного программирования. В Java для её реализации используется понятие потока выполнения (Thread).
Thread: поток, поток выполнения, иногда ещё упоминается как нить, можно рассматривать как отдельную задачу, в которой выполняется независимый набор инструкций. Если в вашей системе только один процессор то потоки выполняются поочередно (но быстрое переключение системы между ними создает впечатление параллельной или одновременной работы). На диаграмме показано приложение, которое имеет три потока выполнения:
Но, к сожалению, для взаимодействия с пользователем, от потока мало пользы. На самом деле, если вы внимательно посмотрите на диаграмму выше, вы поймёте, что как только поток выполнить все входящие в него инструкции он останавливается и перестаёт отслеживать действия пользователя. Чтобы избежать этого, нужно в наборе инструкций реализовать бесконечный цикл. Но возникает проблема как выполнить некое действие, например отобразить что-то на экране из другого потока, иными словами как вклиниться в бесконечный цикл. Для этого в Android можно использовать Android Message System. Она состоит из следующих частей:
Looper: который ещё иногда ещё называют «цикл обработки событий» используется для реализации бесконечного цикла который может получать задания используется. Класс Looper позволяет подготовить Thread для обработки повторяющихся действий. Такой Thread, как показано на рисунке ниже, часто называют Looper Thread. Главный поток Android на самом деле Looper Thread. Looper уникальны для каждого потока, это реализованно в виде шаблона проектирования TLS или Thread Local Storage (любопытные могут посмотреть на класс ThreadLocal в Java документации или Android).
Message: сообщение представляет собой контейнер для набора инструкций которые будут выполнены в другом потоке.
Handler: данный класс обеспечивает взаимодействие с Looper Thread. Именно с помощью Handler можно будет отправить Message с реализованным Runnable в Looper, которая будет выполнена (сразу или в заданное время) потоком с которым связан Handler. Код ниже иллюстрирует использование Handler. Этот код создаёт Activity которая завершиться через определённый период времени.
HandlerThread: написание кода потока реализующего Looper может оказаться не простой задачей, чтобы не повторять одни и те же ошибки система Android включает в себя класс HandlerThread. Вопреки названию этот класс не занимается связью Handler и Looper.
Практическую реализацию данного подхода можно изучить на примере кода класса IntentService, данный класс хорошо подходит для выполнения асинхронных сетевых или иных запросов, так как он может принимать задания одно за другим, не дожидаясь полной обработки текущего, и завершает свою работу самостоятельно.
Выполнение операций в отдельном потоке, не означает, что вы можете делать все что угодно, не влияя на производительность системы. Никогда не забывайте, что написанный вами код работает на машинах, как правило, не очень мощных. Поэтому всегда стоит использовать возможности предоставляемые системой для оптимизации.
Подготовлено на основе материалов AndroidDevBlog
Источник
