HarmonyOS使用多线程并发能力开发

 

一、多线程并发概述

1、简介

并发模型是用来实现不同应用场景中并发任务的编程模型，常见的并发模型分为基于内存共享的并发模型和基于消息通信的并发模型。

Actor并发模型作为基于消息通信并发模型的典型代表，不需要开发者去面对锁带来的一系列复杂偶发的问题，同时并发度也相对较高，因此得到了广泛的支持和使用，也是当前ArkTS语言选择的并发模型。

由于Actor模型的内存隔离特性，所以需要进行跨线程的数据序列化传输。

2、数据传输对象

目前支持传输的数据对象可以分为普通对象、可转移对象、可共享对象、Native绑定对象四种。

● 普通对象

普通对象传输采用标准的结构化克隆算法（Structured Clone）进行序列化，此算法可以通过递归的方式拷贝传输对象，相较于其他序列化的算法，支持的对象类型更加丰富。

序列化支持的类型包括：除Symbol之外的基础类型、Date、String、RegExp、Array、Map、Set、Object（仅限简单对象，比如通过“{}”或者“new Object”创建，普通对象仅支持传递属性，不支持传递其原型及方法）、ArrayBuffer、TypedArray。

● 可转移对象

可转移对象（Transferable object）传输采用地址转移进行序列化，不需要内容拷贝，会将ArrayBuffer的所有权转移给接收该ArrayBuffer的线程，转移后该ArrayBuffer在发送它的线程中变为不可用，不允许再访问。

// 定义可转移对象
let buffer = new ArrayBuffer(100);

　　

● 可共享对象

共享对象SharedArrayBuffer，拥有固定长度，可以存储任何类型的数据，包括数字、字符串等。

共享对象传输指SharedArrayBuffer支持在多线程之间传递，传递之后的SharedArrayBuffer对象和原始的SharedArrayBuffer对象可以指向同一块内存，进而达到内存共享的目的。

SharedArrayBuffer对象存储的数据在同时被修改时，需要通过原子操作保证其同步性，即下个操作开始之前务必需要等到上个操作已经结束。

// 定义可共享对象，可以使用Atomics进行操作
let sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);

　　

● Native绑定对象

Native绑定对象（Native Binding Object）是系统所提供的对象，该对象与底层系统功能进行绑定，提供直接访问底层系统功能的能力。

当前支持序列化传输的Native绑定对象主要包含：Context和RemoteObject。

Context对象包含应用程序组件的上下文信息，它提供了一种访问系统服务和资源的方式，使得应用程序组件可以与系统进行交互。获取Context信息的方法可以参考获取上下文信息。

RemoteObject对象的主要作用是实现远程通信的功能，它允许在不同的进程间传递对象的引用，使得不同进程之间可以共享对象的状态和方法，服务提供者必须继承此类，RemoteObject对象的创建可以参考RemoteObject的实现。

3、TaskPool和Worker

ArkTS提供了TaskPool和Worker两种并发能力供开发者选择，其具体的实现特点和各自的适用场景存在差异，详细请参见TaskPool和Worker的对比。

二、TaskPool和Worker的对比

TaskPool（任务池）和Worker的作用是为应用程序提供一个多线程的运行环境，用于处理耗时的计算任务或其他密集型任务。可以有效地避免这些任务阻塞主线程，从而最大化系统的利用率，降低整体资源消耗，并提高系统的整体性能。

本文将从实现特点和适用场景两个方面来进行TaskPool与Worker的比较，同时提供了各自运作机制和注意事项的相关说明。

1.  实现特点对比

表1 TaskPool和Worker的实现特点对比

实现	TaskPool	Worker
内存模型	线程间隔离，内存不共享。	线程间隔离，内存不共享。
参数传递机制	采用标准的结构化克隆算法（Structured Clone）进行序列化、反序列化，完成参数传递。 支持ArrayBuffer转移和SharedArrayBuffer共享。	采用标准的结构化克隆算法（Structured Clone）进行序列化、反序列化，完成参数传递。 支持ArrayBuffer转移和SharedArrayBuffer共享。
参数传递	直接传递，无需封装，默认进行transfer。	消息对象唯一参数，需要自己封装。
方法调用	直接将方法传入调用。	在Worker线程中进行消息解析并调用对应方法。
返回值	异步调用后默认返回。	主动发送消息，需在onmessage解析赋值。
生命周期	TaskPool自行管理生命周期，无需关心任务负载高低。	开发者自行管理Worker的数量及生命周期。
任务池个数上限	自动管理，无需配置。	最多开启8个Worker。
任务执行时长上限	无限制。	无限制。
设置任务的优先级	不支持。	不支持。
执行任务的取消	支持取消任务队列中等待的任务。	不支持。

2.  适用场景对比

TaskPool和Worker均支持多线程并发能力。TaskPool偏向独立任务（线程级）维度；而Worker偏向线程的维度，支持长时间占据线程执行。

常见的一些开发场景及适用具体说明如下：

● 有关联的一系列同步任务。例如某数据库操作时，要用创建的句柄操作，包含增、删、改、查多个任务，要保证同一个句柄，需要使用Worker。

● 需要频繁取消的任务。例如图库大图浏览场景，为提升体验，会同时缓存当前图片左右侧各2张图片，往一侧滑动跳到下一张图片时，要取消另一侧的一个缓存任务，需要使用TaskPool。

● 大量或者调度点较分散的任务。例如大型应用的多个模块包含多个耗时任务，不方便使用8个Worker去做负载管理，推荐采用TaskPool。

3.  TaskPool运作机制

图1 TaskPool运作机制示意图

TaskPool支持开发者在主线程封装任务抛给任务队列，系统选择合适的工作线程，进行任务的分发及执行，再将结果返回给主线程。接口直观易用，支持任务的执行、取消。工作线程数量上限为4。

4.  Worker运作机制

图2 Worker运作机制示意图

创建Worker的线程称为宿主线程（不一定是主线程，工作线程也支持创建Worker子线程），Worker自身的线程称为Worker子线程（或Actor线程、工作线程）。每个Worker子线程与宿主线程拥有独立的实例，包含基础设施、对象、代码段等。Worker子线程和宿主线程之间的通信是基于消息传递的，Worker通过序列化机制与宿主线程之间相互通信，完成命令及数据交互。

5.  TaskPool注意事项

● 实现任务的函数需要使用装饰器@Concurrent标注，且仅支持在.ets文件中使用。

● 实现任务的函数只支持普通函数或者async函数，不支持类成员函数或者匿名函数。

● 实现任务的函数仅支持在Stage模型的工程中使用import的变量和入参变量，否则只能使用入参变量。

● 实现任务的函数入参需满足序列化支持的类型，详情请参见普通对象传输。

● 由于不同线程中上下文对象是不同的，因此TaskPool工作线程只能使用线程安全的库，例如UI相关的非线程安全库不能使用。

● 序列化传输的数据量大小限制为16MB。

6.  Worker注意事项

● 创建Worker时，传入的Worker.ts路径在不同版本有不同的规则，详情请参见文件路径注意事项。

● Worker创建后需要手动管理生命周期，且最多同时运行的Worker子线程数量为8个，详情请参见生命周期注意事项。

● Ability类型的Module支持使用Worker，Library类型的Module不支持使用Worker。

● 创建Worker不支持使用其他Module的Worker.ts文件，即不支持跨模块调用Worker。

● 由于不同线程中上下文对象是不同的，因此Worker线程只能使用线程安全的库，例如UI相关的非线程安全库不能使用。

● 序列化传输的数据量大小限制为16MB。

文件路径注意事项

当使用Worker模块具体功能时，均需先构造Worker实例对象，其构造函数与API版本相关。

// API 9及之后版本使用：
const worker1 = new worker.ThreadWorker(scriptURL);
// API 8及之前版本使用：
const worker1 = new worker.Worker(scriptURL);

　　

构造函数需要传入Worker的路径（scriptURL），Worker文件存放位置默认路径为Worker文件所在目录与pages目录属于同级。

Stage模型

构造函数中的scriptURL示例如下：

// 写法一
// Stage模型-目录同级（entry模块下，workers目录与pages目录同级）
const worker1 = new worker.ThreadWorker('entry/ets/workers/MyWorker.ts', {name:"first worker in Stage model"});
// Stage模型-目录不同级（entry模块下，workers目录是pages目录的子目录）
const worker2 = new worker.ThreadWorker('entry/ets/pages/workers/MyWorker.ts');

// 写法二
// Stage模型-目录同级（entry模块下，workers目录与pages目录同级），假设bundlename是com.example.workerdemo
const worker3 = new worker.ThreadWorker('@bundle:com.example.workerdemo/entry/ets/workers/worker');
// Stage模型-目录不同级（entry模块下，workers目录是pages目录的子目录），假设bundlename是com.example.workerdemo
const worker4 = new worker.ThreadWorker('@bundle:com.example.workerdemo/entry/ets/pages/workers/worker');

　　

● 基于Stage模型工程目录结构，写法一的路径含义：

○ entry：module.json5文件中module的name属性对应值。

○ ets：用于存放ets源码，固定目录。

○ workers/MyWorker.ts：worker源文件在ets目录下的路径。

● 基于Stage模型工程目录结构，写法二的路径含义：

○ @bundle：固定标签。

○ bundlename：当前应用包名。

○ entryname：module.json5文件中module的name属性对应值。

○ ets：用于存放ets源码，固定目录。

○ workerdir/workerfile：worker源文件在ets目录下的路径，可不带文件后缀名。

FA模型

构造函数中的scriptURL示例如下：

// FA模型-目录同级（entry模块下，workers目录与pages目录同级）
const worker1 = new worker.ThreadWorker('workers/worker.js', {name:'first worker in FA model'});
// FA模型-目录不同级（entry模块下，workers目录与pages目录的父目录同级）
const worker2 = new worker.ThreadWorker('../workers/worker.js');

　　

生命周期注意事项

● Worker的创建和销毁耗费性能，建议开发者合理管理已创建的Worker并重复使用。Worker空闲时也会一直运行，因此当不需要Worker时，可以调用terminate()接口或parentPort.close()方法主动销毁Worker。若Worker处于已销毁或正在销毁等非运行状态时，调用其功能接口，会抛出相应的错误。

● Worker存在数量限制，支持最多同时存在8个Worker。

○ 在API version 8及之前的版本，当Worker数量超出限制时，会抛出“Too many workers, the number of workers exceeds the maximum.”错误。

○ 从API version 9开始，当Worker数量超出限制时，会抛出“Worker initialization failure, the number of workers exceeds the maximum.”错误。