Android 启动优化（四）- 手把手教你实现 AnchorTask

逃离我推掉我的手 2023-09-29 20:02 96阅读 0赞

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上一篇博客介绍了 AnchorTask 的基本使用，今天，让我们一起看一下怎么实现它。

[Android 启动优化（一） - 有向无环图  
][Android _ - _]

[Android 启动优化（二） - 拓扑排序的原理以及解题思路][Android _ -]

[Android 启动优化（三） - AnchorTask 使用说明 ][Android _ - AnchorTask _]

### 原理简介 ###

AnchorTask，锚点任务，它的实现原理是构建一个有向无环图，拓扑排序之后，如果任务 B 依赖任务 A，那么 A 一定排在任务 B 之前。

***了解原理之前，请必须先了解有向无环图和多线程的一些基本知识，不然，下文，你基本是看不懂的***。

#### 一个共识 ####

![d75a4a340206542c8b2598a68479424f.png][]

*  **前置任务**：任务 3 依赖于任务 0，1，那么任务 3 的前置任务是任务 0， 1
 *  **子任务**：任务 0 执行完之后，任务 3 才能执行，那么称呼任务 3 为 任务 0 的子任务

#### 如何构建一个有向无环图 ####

这里我们采用 BFS 方法实现，算法思想大概是这样的

*  建立入度表，入度为 0 的节点先入队
 *  当队列不为空，进行循环判断
    
     *  节点出队，添加到结果 list 当中
     *  将该节点的邻居入度减 1
     *  若邻居课程入度为 0，加入队列
 *  若结果 list 与所有节点数量相等，则证明不存在环。否则，存在环

#### 多线程中，任务执行是随机的，那如何保证任务被依赖的任务先于任务执行呢？ ####

这里要解决的主要有三个问题

1.  首先我们要解决一个问题，当前任务有哪些前置任务，这个可以用 list 存储，代表它依赖的任务 list。当它所依赖的任务 list 没有执行完毕，当前任务需要等待。
2.  当前任务执行完毕之后，所有依赖它的子任务需要感知到。我们可以用一个 map 来存储这种关系，key 是当前任务，value 是依赖于当前任务的集合（list）
3.  多线程当中，等待和唤醒功能，有多种方式可以实现。wait、notify 机制，ReentrantLock Condition 机制，CountDownLatch 机制。这里我们选择 CountDownLatch 机制，因为 CountDownLatch 有点类似于计数器，特别适合这种场景。

### 具体实现 ###

#### IAnchorTask ####

首先，我们定义一个 IAnchorTask 接口，主要有一个方法

*  `isRunOnMainThread(): Boolean` 表示是否在主线程运行，默认值是 false
 *  `priority(): Int` 方法 表示线程的优先级别，默认值是 Process.THREAD\_PRIORITY\_FOREGROUND
 *  `needWait()` 表示当我们调用 `AnchorTaskDispatcher await` 时，是否需要等待，return true，表示需要等待改任务执行结束，`AnchorTaskDispatcher await` 方法才能继续往下执行。
 *  `fun getDependsTaskList(): List<Class<out AnchorTask>>?` 方法返回前置任务依赖，默认值是返回 null.
 *  `fun run()` 方法，表示任务执行的时候

interface IAnchorTask : IAnchorCallBack {
    
        /**
         * 是否在主线程执行
         */
        fun isRunOnMainThread(): Boolean
    
        /**
         * 任务优先级别
         */
        @IntRange(
            from = Process.THREAD_PRIORITY_FOREGROUND.toLong(),
            to = Process.THREAD_PRIORITY_LOWEST.toLong()
        )
        fun priority(): Int
    
        /**
         * 调用 await 方法，是否需要等待改任务执行完成
         * true 不需要
         * false 需要
         */
        fun needWait(): Boolean
    
        /**
         * 当前任务的前置任务，可以用来确定顶点的入度
         */
        fun getDependsTaskList(): List<Class<out AnchorTask>>?
    
        /**
         * 任务被执行的时候回调
         */
        fun run()
    
    }

它有一个实现类 AnchorTask，增加了 await 和 countdown 方法

*  await 方法，调用它，当前任务会等待
 *  countdown() 方法，如果当前计数器值 > 0,会减一，否则，什么也不操作

abstract class AnchorTask : IAnchorTask {
    
        private val countDownLatch: CountDownLatch = CountDownLatch(getListSize())
        private fun getListSize() = getDependsTaskList()?.size ?: 0
    
        companion object {
            const val TAG = "AnchorTask"
        }
    
        /**
         * self call,await
         */
        fun await() {
            countDownLatch.await()
        }
    
        /**
         * parent call, countDown
         */
        fun countdown() {
            countDownLatch.countDown()
        }
    }

#### 排序实现 ####

无环图的拓扑排序，这里采用的是 BFS 算法。具体的可以见 `AnchorTaskUtils#getSortResult` 方法，它有三个参数

*  list 存储所有的任务
 *  `taskMap: MutableMap<Class<out AnchorTask>, AnchorTask> = HashMap()`存储所有的任务,key 是 Class，value 是 AnchorTask
 *  `taskChildMap: MutableMap<Class<out AnchorTask>, ArrayList<Class<out AnchorTask>>?> = HashMap()`,储存当前任务的子任务， key 是当前任务的 class，value 是 AnchorTask 的 list

算法思想

1.  首先找出所有入度为 0 的队列，用 queue 变量存储
2.  当队列不为空，进行循环判断。
    
     *  从队列 pop 出，添加到结果队列
     *  遍历当前任务的子任务，通知他们的入度减一（其实是遍历 taskChildMap），如果入度为 0，添加到队列 queue 里面
3.  当结果队列和 list size 不相等试，证明有环

@JvmStatic
        fun getSortResult(
            list: MutableList<AnchorTask>, taskMap: MutableMap<Class<out AnchorTask>, AnchorTask>,
            taskChildMap: MutableMap<Class<out AnchorTask>, ArrayList<Class<out AnchorTask>>?>
        ): MutableList<AnchorTask> {
            val result = ArrayList<AnchorTask>()
            // 入度为 0 的队列
            val queue = ArrayDeque<AnchorTask>()
            val taskIntegerHashMap = HashMap<Class<out AnchorTask>, Int>()
    
            // 建立每个 task 的入度关系
            list.forEach { anchorTask: AnchorTask ->
                val clz = anchorTask.javaClass
                if (taskIntegerHashMap.containsKey(clz)) {
                    throw AnchorTaskException("anchorTask is repeat, anchorTask is $anchorTask, list is $list")
                }
    
                val size = anchorTask.getDependsTaskList()?.size ?: 0
                taskIntegerHashMap[clz] = size
                taskMap[clz] = anchorTask
                if (size == 0) {
                    queue.offer(anchorTask)
                }
            }
    
            // 建立每个 task 的 children 关系
            list.forEach { anchorTask: AnchorTask ->
                anchorTask.getDependsTaskList()?.forEach { clz: Class<out AnchorTask> ->
                    var list = taskChildMap[clz]
                    if (list == null) {
                        list = ArrayList<Class<out AnchorTask>>()
                    }
                    list.add(anchorTask.javaClass)
                    taskChildMap[clz] = list
                }
            }
    
            // 使用 BFS 方法获得有向无环图的拓扑排序
            while (!queue.isEmpty()) {
                val anchorTask = queue.pop()
                result.add(anchorTask)
                val clz = anchorTask.javaClass
                taskChildMap[clz]?.forEach { // 遍历所有依赖这个顶点的顶点，移除该顶点之后，如果入度为 0，加入到改队列当中
                    var result = taskIntegerHashMap[it] ?: 0
                    result--
                    if (result == 0) {
                        queue.offer(taskMap[it])
                    }
                    taskIntegerHashMap[it] = result
                }
            }
    
            // size 不相等，证明有环
            if (list.size != result.size) {
                throw AnchorTaskException("Ring appeared，Please check.list is $list, result is $result")
            }
    
            return result
    
        }

#### AnchorTaskDispatcher ####

AnchorTaskDispatcher 这个类很重要，有向无环图的拓扑排序和多线程的依赖唤醒，都是借助这个核心类完成的。

它主要有几个成员变量

// 存储所有的任务
        private val list: MutableList<AnchorTask> = ArrayList()
    
        // 存储所有的任务,key 是 Class<out AnchorTask>，value 是 AnchorTask
        private val taskMap: MutableMap<Class<out AnchorTask>, AnchorTask> = HashMap()
    
        // 储存当前任务的子任务， key 是当前任务的 class，value 是 AnchorTask 的 list
        private val taskChildMap: MutableMap<Class<out AnchorTask>, ArrayList<Class<out AnchorTask>>?> =
            HashMap()
    
        // 拓扑排序之后的主线程任务
        private val mainList: MutableList<AnchorTask> = ArrayList()
    
        // 拓扑排序之后的子线程任务
        private val threadList: MutableList<AnchorTask> = ArrayList()
    
        //需要等待的任务总数，用于阻塞
        private lateinit var countDownLatch: CountDownLatch
    
        //需要等待的任务总数，用于CountDownLatch
        private val needWaitCount: AtomicInteger = AtomicInteger()

它有一个比较重要的方法 `setNotifyChildren(anchorTask: AnchorTask)` ，有一个方法参数 AnchorTask，它的作用是通知该任务的子任务，当前任务执行完毕，入度数减一。

/**
         *  通知 child countdown,当前的阻塞任务书也需要 countdown
         */
        fun setNotifyChildren(anchorTask: AnchorTask) {
            taskChildMap[anchorTask::class.java]?.forEach {
                taskMap[it]?.countdown()
            }
            if (anchorTask.needWait()) {
                countDownLatch.countDown()
            }
        }

接下来看一下 start 方法

fun start(): AnchorTaskDispatcher {
            if (Looper.myLooper() != Looper.getMainLooper()) {
                throw AnchorTaskException("start method should be call on main thread")
            }
            startTime = System.currentTimeMillis()
    
            val sortResult = AnchorTaskUtils.getSortResult(list, taskMap, taskChildMap)
            LogUtils.i(TAG, "start: sortResult is $sortResult")
            sortResult.forEach {
                if (it.isRunOnMainThread()) {
                    mainList.add(it)
                } else {
                    threadList.add(it)
                }
            }
    
            countDownLatch = CountDownLatch(needWaitCount.get())
    
            val threadPoolExecutor =
                this.threadPoolExecutor ?: TaskExecutorManager.instance.cpuThreadPoolExecutor
    
            threadList.forEach {
                threadPoolExecutor.execute(AnchorTaskRunnable(this, anchorTask = it))
            }
    
            mainList.forEach {
                AnchorTaskRunnable(this, anchorTask = it).run()
            }
    
            return this
        }

它主要干几件事

*  检测是否在主线程，不是抛出异常，这里为什么要检测在主线程呢？主要是构建有向无环图的过程，我们必须保证是线程安全的
 *  获取有向无环图的拓扑排序
 *  根据拓扑排序的排序结果，执行相应的任务。可以看到在执行任务的时候，我们使用 `AnchorTaskRunnable` 包裹起来

class AnchorTaskRunnable(
        private val anchorTaskDispatcher: AnchorTaskDispatcher,
        private val anchorTask: AnchorTask
    ) : Runnable {
    
        override fun run() {
            Process.setThreadPriority(anchorTask.priority())
            //  前置任务没有执行完毕的话，等待，执行完毕的话，往下走
            anchorTask.await()
            anchorTask.onStart()
            // 执行任务
            anchorTask.run()
            anchorTask.onFinish()
            // 通知子任务，当前任务执行完毕了，相应的计数器要减一。
            anchorTaskDispatcher.setNotifyChildren(anchorTask)
        }
    }

AnchorTaskRunnable 有点类似于装饰者模式，多线程依赖的执行关系在这里都得到体现，只有几行代码

1.  前置任务没有执行完毕的话，等待，执行完毕的话，往下走
2.  执行任务
3.  通知子任务，当前任务执行完毕了，相应的计数器（入度数）要减一。

### 总结 ###

AnchorTask 的原理不复杂，本质是有向无环图与多线程知识的结合。

1.  根据 BFS 构建出有向无环图，并得到它的拓扑排序
2.  在多线程执行过程中，我们是通过任务的子任务关系和 CounDownLatch 确保先后执行关系的
    
    1.  前置任务没有执行完毕的话，等待，执行完毕的话，往下走
    2.  执行任务
    3.  通知子任务，当前任务执行完毕了，相应的计数器（入度数）要减一。

AnchorTask 源码已经更新到 github，[AnchorTask][]。

### 特别鸣谢 ###

在实现这个开源框架的时候，借鉴了以下开源框架的思想。AppStartFaster 主要是通过 ClassName 找到相应的 Task，而阿里 alpha 是通过 taskName 找到相应的 Task，并且需要指定 ITaskCreator。两种方式各有优缺点，没有优劣之说，具体看使用场景。

[android-startup][]

[alpha][]

[AppStartFaster][]

[Link 1]: https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/8c9363c4e7614b16aa5ae9cf62cfe5de~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image
[Android _ - _]: https://juejin.cn/post/6926794003794903048
[Android _ -]: https://juejin.cn/post/6930805971673415694
[Android _ - AnchorTask _]: https://juejin.cn/post/6931903136256753672
[d75a4a340206542c8b2598a68479424f.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/d75a4a340206542c8b2598a68479424f.png
[AnchorTask]: https://github.com/gdutxiaoxu/AnchorTask
[android-startup]: https://github.com/idisfkj/android-startup
[alpha]: https://github.com/alibaba/alpha
[AppStartFaster]: https://github.com/NoEndToLF/AppStartFaster