Android中线程间通信原理分析：Looper，MessageQueue，Handler

Posted 2020-09-13

自问自答的两个问题

在我们去讨论Handler，Looper，MessageQueue的关系之前，我们需要先问两个问题：

1.这一套东西搞出来是为了解决什么问题呢？

2.如果让我们来解决这个问题该怎么做？

以上者两个问题，是我最近总结出来的，在我们学习了解一个新的技术之前，最好是先能回答这两个问题，这样你才能对你正在学习的东西有更深刻的认识。

第一个问题：google的程序员们搞出这一套东西是为了解决什么问题的？这个问题很显而易见，为了解决线程间通信的问题。我们都知道，android的UI/View这一套系统是运行在主线程的，并且这个主线程是死循环的，来看看具体的证据吧。

public final class ActivityThread {
    public static void main(String[] args) {

        //...

        Looper.loop();

        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
    }
}

如上面的代码示例所示，ActivityThread.main()方法作为Android程序的入口，里面我省略了一些初始化的操作，然后就执行了一句Looper.loop()方法，就没了，再下一行就抛异常了。

loop()方法里面实际上就是一个死循环，一直在执行着，不断的从一个MQ（MessageQueue，后面我都缩写成MQ了）去取消息，如果有的话，那么就执行它或者让它的发送者去处理它。

一般来说，主线程循环中都是执行着一些快速的UI操作，当你有手touch屏幕的时候，系统会产生事件，UI会处理这些事件，这些事件都会在主线程中执行，并快速的响应着UI的变化。如果主线程上发生一些比较耗时的操作，那么它后面的方法就无法得到执行了，那么就会出现卡顿，不流畅。

因此，Android并不希望你在主线程去做一些耗时的操作，这里对“耗时”二字进行朴素的理解就行了，就是执行起来需要消耗的时间比较多的操作。比如读写文件，小的文件也许很快，但你无法预料文件的大小，再比如访问网络，再比如你需要做一些复杂的计算等等。

为了不阻碍主线程流畅的执行，我们就必须在需要的时候把耗时的操作放到其他线程上去，当其他线程完成了工作，再给一个通知（或许还带着数据）给到主线程，让主线程去更新UI什么的，当然了，如果你要的耗时操作只是默默无闻的完成就行了，并不需要通知UI，那么你完全不需要给通知给到UI线程。这就是线程间的通信，其他线程做耗时操作，完成了告诉UI线程，让它进行更新。为了解决这个问题，Android系统给我们提供了这样一套方案来解决。

第二个问题：如果让我们来想一套方案来解决这个线程间通信的问题，该怎么做呢？
先看看我们现在已经有的东西，我们有一个一直在循环的主线程，它实现起来大概是这个样子：

public class OurSystem {
    public static void main(String [] args) {
        for (;;) {
            //do something...
        }
    }
}

为什么主线程要一直死循环的执行呢？

关于这一点，我个人并没有特别透彻的认知，但我猜测，对于有GUI的系统/程序，应该都有一个不断循环的主线程，因为这个GUI程序肯定是要跟人进行交互的，也就是说，需要等待用户的输入，比如触碰屏幕，动动鼠标，敲敲键盘什么的，这些事件肯定是硬件层先获得一个响应/信号，然后会不断的向上封装传递。

如果说我们一碰屏幕，一碰鼠标，就开启一个新线程去处理UI上的变化，首先，这当然是可以的！UI在什么线程上更新其实都是可以的嘛，并不是说一定要在主线程上更新，这是系统给我设的一个套子。然后，问题也会复杂的多，如果我们快速的点击2下鼠标，那么一瞬间就开启了两个新线程去执行，那么这两个线程的执行顺序呢？两个独立的线程，我们是无法保证说先启动的先执行。

所以第一个问题就是执行顺序的问题。

第二个问题就是同步，几个相互独立的线程如果要处理同一个资源，那么造成的结果都是令人困惑，不受控制的。另一方面强行给所有的操作加上同步锁，在效率上也会有问题。

为了解决顺序执行的问题，非常容易就想到的一种方案是事件队列，各种各样的事件先进入到一个队列中，然后有个东西会不断的从队列中获取，这样第一个事件一定在第二个事件之前被执行，这样就保证了顺序，如果我们把这个“取事件”的步骤放在一个线程中去做，那么也顺便解决了资源同步的问题。

因此，对于GUI程序会有一个一直循环的（主）线程，可能就是这样来的吧。

这是一个非常纯净的死循环，我们想要做一些事情的话，就得让它从一个队列里面获取一些事情来做，就像打印机一样。因此我们再编写一个消息队列类，来存放消息。消息队列看起来应该是这样：

public class OurMessageQueue() {
    private LinkedList<Message> mQueue = new LinkedList<Message>();

    // 放进去一条消息
    public void enQueue() {
        //...
    }

    // 取出一条消息
    public Message deQueue() {
        //...
    }

    // 判断是否为空队列
    public boolean isEmpty() {
        //...
    }
}

接下来我们的循环就需要改造成能从消息队列里获取消息，并能够根据消息来做些事情了：

public class OurSystem {
    public static void main(String [] args) {

        // 初始化消息队列
        OurMessageQueue mq = ...

        for (;;) {
            if (!mq.isEmpty()) {
                Message msg = mq.deQueue();
                //do something...
            }
        }
    }
}

现在我们假象一下，我们需要点击一下按钮，然后去下载一个超级大的文件，下载完成后，我们再让主线程显示文件的大小。
首先，按一下按钮，这个事件应该会被触发到主线程来（具体怎么来的我还尚不清楚，但应该是先从硬件开始，然后插入到消息队列中，主线程的循环就能获取到了），然后主线程开启一个新的异步线程来进行下载，下载完成后再通知主线程来更新，代码看上去是这样的：

// 脑补的硬件设备……
public class OurDevice {

    // 硬件设备可能有一个回调
    public void onClick() {

        // 先拿到同一个消息队列，并把我们要做的事情插入队列中
        OurMessageQueue mq = ...
        Message msg = Message.newInstance("download a big file");
        mq.enQueue(msg);
    }
}

然后，我们的主线程循环获取到了消息：

public class OurSystem {
    public static void main(String [] args) {

        // 初始化消息队列
        OurMessageQueue mq = ...

        for (;;) {
            if (!mq.isEmpty()) {
                Message msg = mq.deQueue();

                // 是一条通知我们下载文件的消息
                if (msg.isDownloadBigFile()) {

                    // 开启新线程去下载文件
                    new Thread(new Runnable() {
                        void run() {
                            // download a big file, may cast 1 min...
                            // ...
                            // ok, we finished download task.

                            // 获取到同一个消息队列
                            OurMessageQueue mq = ...

                            // 消息入队
                            mq.enQueue(Message.newInstance("finished download"));
                        }
                    }).start();
                }

                // 是一条通知我们下载完成的消息
                if (msg.isFilishedDownload()) {
                    // update UI!
                }
            }
        }
    }
}

注意，主线程循环获取到消息的时候，显示对消息进行的判断分类，不同的消息应该有不同的处理。在我们获取到一个下载文件的消息时，开启了一个新的线程去执行，耗时操作与主线程就被隔离到不同的执行流中，当完成后，新线程中用同一个消息队列发送了一个通知下载完成的消息，主线程循环获取到后，里面就可以更新UI。

这样就是一个我随意脑补的，简单的跨线程通信的方案。

有如下几点是值得注意的：

• 主线程是死循环的从消息队列中获取消息。
• 我们要将消息发送到主线程的消息队列，我们需要通过某种方法能获取到主线程的消息队列对象
• 消息（Message）的结构应该如何设计呢？

Android中的线程间通信方案

Looper

android.os.Looper from Grepcode

Android中有一个Looper对象，顾名思义，直译过来就是循环的意思，Looper也确实干了维持循环的事情。
Looper的代码是非常简单的，去掉注释也就300多行。
在官方文档的注释中，它推荐我们这样来使用它：

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();
    }
}

先来看看prepare方法干了什么：

Looper.prepare()

public static void prepare() {
    prepare(true);
}

private static void prepare(boolean quitAllowed) {
    if (sThreadLocal.get() != null) {
        throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
    }
    sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}

注意prepare(boolean)方法中，有一个sThreadLocal变量，这个变量有点像一个哈希表，它的key是当前的线程，也就是说，它可以存储一些数据/引用，这些数据/引用是与当前线程是一一对应的，在这里的作用是，它判断一下当前线程是否有Looper这个对象，如果有，那么就报错了，"Only one Looper may be created per thread"，一个线程只允许创建一个Looper，如果没有，就new一个新的塞进这个哈希表中。然后它调用了Looper的构造方法。

Looper的构造方法

private Looper(boolean quitAllowed) {
    mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
    mThread = Thread.currentThread();
}

在Looper的构造方法中，很关键的一句，它new了一个MessageQueue对象，并自己维持了这个MQ的引用。

此时prepare()方法的工作就结束了，接下来需要调用静态方法loop()来启动循环。

Looper.loop()

public static void loop() {
    final Looper me = myLooper();
    if (me == null) {
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn‘t called on this thread.");
    }
    final MessageQueue queue = me.mQueue;

    for (;;) {
        Message msg = queue.next(); // might block
        if (msg == null) {
            // No message indicates that the message queue is quitting.
            return;
        }

        msg.target.dispatchMessage(msg);

        //...
    }
}

loop()方法，我做了省略，省去了一些不关心的部分。剩下的部分非常的清楚了，首先调用了静态方法myLooper()获取一个Looper对象。

public static Looper myLooper() {
    return sThreadLocal.get();
}

myLooper()同样是静态方法，它是直接从这个ThreadLocal中去获取，这个刚刚说过了，它就类似于一个哈希表，key是当前线程，因为刚刚prepare()的时候，已经往里面set了一个Looper，那么此时应该是可以get到的。拿到当前线程的Looper后，接下来，final MessageQueue queue = me.mQueue;拿到与这个Looper对应的MQ，拿到了MQ后，就开启了死循环，对消息队列进行不停的获取，当获取到一个消息后，它调用了Message.target.dispatchMessage()方法来对消息进行处理。

Looper的代码看完了，我们得到了几个信息：

• Looper调用静态方法prepare()来进行初始化，一个线程只能创建一个与之对应的Looper，Looper初始化的时候会创建一个MQ，因此，有了这样的对应关系，一个线程对应一个Looper，一个Looper对应一个MQ。可以说，它们三个是在一条线上的。
• Looper调用静态方法loop()开始无限循环的取消息，MQ调用next()方法来获取消息

MessageQueue

android.os.MessageQueue from Grepcode

对于MQ的源码，简单的看一下，构造函数与next()方法就好了。

MQ的构造方法

MessageQueue(boolean quitAllowed) {
    mQuitAllowed = quitAllowed;
    mPtr = nativeInit();
}

MQ的构造方法简单的调用了nativeInit()来进行初始化，这是一个jni方法，也就是说，可能是在JNI层维持了它这个消息队列的对象。

MessageQueue.next()

Message next() {

    final long ptr = mPtr;
    if (ptr == 0) {
        return null;
    }

    int nextPollTimeoutMillis = 0;
    for (;;) {
        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
            Binder.flushPendingCommands();
        }

        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

        synchronized (this) {
            // Try to retrieve the next message.  Return if found.
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages;
            if (msg != null && msg.target == null) {
                // Stalled by a barrier.  Find the next asynchronous message in the queue.
                do {
                    prevMsg = msg;
                    msg = msg.next;
                } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
            }
            if (msg != null) {
                if (now < msg.when) {
                    // Next message is not ready.  Set a timeout to wake up when it is ready.
                    nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                } else {
                    // Got a message.
                    mBlocked = false;
                    if (prevMsg != null) {
                        prevMsg.next = msg.next;
                    } else {
                        mMessages = msg.next;
                    }
                    msg.next = null;
                    if (false) Log.v("MessageQueue", "Returning message: " + msg);
                    return msg;
                }
            } else {
                // No more messages.
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }
        }

    }
}

next()方法的代码有些长，我作了一些省略，请注意到，这个方法也有一个死循环，这样做的效果就是，在Looper的死循环中，调用了next()，而next()这里也在死循环，表面上看起来，方法就阻塞在Looper的死循环中的那一行了，知道next()方法能返回一个Message对象出来。

简单浏览MQ的代码，我们得到了这些信息：

• MQ的初始化是交给JNI去做的
• MQ的next()方法是个死循环，在不停的访问MQ，从中获取消息出来返回给Looper去处理。

Message

android.os.Message from Grepcode

Message对象是MQ中队列的element，也是Handler发送，接收处理的一个对象。对于它，我们需要了解它的几个成员属性即可。

Message的成员变量可以分为三个部分：

• 数据部分：它包括what(int), arg1(int), arg2(int), obj(Object), data(Bundle)等，一般用这些来传递数据。
• 发送者（target）：它有一个成员变量叫target，它的类型是Handler的，这个成员变量很重要，它标记了这个Message对象本身是谁发送的，最终也会交给谁去处理。
• callback：它有一个成员变量叫callback，它的类型是Runnable，可以理解为一个可以被执行的代码片段。

Handler

android.os.Handler from Grepcode

Handler对象是在API层面供给开发者使用最多的一个类，我们主要通过这个类来进行发送消息与处理消息。

Handler的构造方法（初始化）

通常我们调用没有参数的构造方法来进行初始化，使用起来大概是这样的：

Handler mHandler = new Handler() {
    handleMessage(Message msg) {
        //...
    }
}

没有参数的构造方法最终调用了一个两个参数的构造方法，它的部分源码如下：

public Handler(Callback callback, boolean async) {
    //...
    mLooper = Looper.myLooper();
    if (mLooper == null) {
        throw new RuntimeException(
            "Can‘t create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
    }
    mQueue = mLooper.mQueue;
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;
}

注意到，它对mLooper成员变量进行了赋值，通过Looper.myLooper()方法获取到当前线程对应的Looper对象。上面已经提到过，如果Looper调用过prepare()方法，那么这个线程对应了一个Looper实例，这个Looper实例也对应了一个MQ，它们三者之间是一一对应的关系。

然后它通过mLooper对象，获取了一个MQ，存在自己的mQueue成员变量中。

Handler的初始化代码说明了一点，Handler所初始化的地方（所在的线程），就是从将这个线程对应的Looper的引用赋值给Handler，让Handler也持有。

对于主线程来说，我们在主线程的执行流中，new一个Handler对象，Handler对象都是持有主线程的Looper（也就是Main Looper）对象的。

同样的，如果我们在一个新线程，不调用Looper.prepare()方法去启动一个Looper，直接new一个Handler对象，那么它就会报错。像这样

new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            //Looper.prepare(); 

            //因为Looper没有初始化，所以Looper.myLooper()不能获取到一个Looper对象
            Handler h = new Handler();
            h.sendEmptyMessage(112);

        }
     }).start();

以上代码运行后会报错：

java.lang.RuntimeException: Can‘t create handler inside thread that has not called Looper.prepare()

小结：Handler的初始化会获取到当前线程的Looper对象，并通过Looper拿到对应的MQ对象，如果当前线程的执行流并没有执行过Looper.prepare()，则无法创建Handler对象。

Handler.sendMessage()

sendMessage消息有各种各样的形式或重载，最终会调用到这个方法：

public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {
    MessageQueue queue = mQueue;
    if (queue == null) {
        RuntimeException e = new RuntimeException(
                this + " sendMessageAtTime() called with no mQueue");
        Log.w("Looper", e.getMessage(), e);
        return false;
    }
    return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);
}

它又调用了enqueueMessage方法：

private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
    msg.target = this;
    if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}

注意到它对Message的target属性进行了赋值，这样这条消息就知道自己是被谁发送的了。然后将消息加入到队列中。

Handler.dispatchMessage()

Message对象进入了MQ后，很快的会被MQ的next()方法获取到，这样Looper的死循环中就能得到一个Message对象，回顾一下，接下来，就调用了Message.target.dispatchMessage()方法对这条消息进行了处理。

public void dispatchMessage(Message msg) {
    if (msg.callback != null) {
        handleCallback(msg);
    } else {
        if (mCallback != null) {
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        handleMessage(msg);
    }
}

private static void handleCallback(Message message) {
    message.callback.run();
}

public void handleMessage(Message msg) {
    //这个方法是空实现，让客户端程序员去覆写实现自己的逻辑
}

dispatchMessage方法有两个分支，如果callback（Runnable）不是null，则直接执行callback.run()方法，如果callback是null，则将msg作为参数传给handleMessage()方法去处理，这样就是我们常见的处理方法了。

Message.target与Handler

特别需要注意Message中的target成员变量，它是指向自己的发送者，这一点意味着什么呢？

意味着：一个有Looper的线程可以有很多个Handler，这些Handler都是不同的对象，但是它们都可以将Message对象发送到同一个MQ中，Looper不断的从MQ中获取这些消息，并将消息交给它们的发送者去处理。一个MQ是可以对应多个Handler的（多个Handler都可以往同一个MQ中消息入队）。

下图可以简要的概括下它们之间的关系。

Looper，MessageQueue，Handler，Message

总结

• Looper调用prepare()进行初始化，创建了一个与当前线程对应的Looper对象（通过ThreadLocal实现），并且初始化了一个与当前Looper对应的MessageQueue对象。
• Looper调用静态方法loop()开始消息循环，通过MessageQueue.next()方法获取Message对象。
• 当获取到一个Message对象时，让Message的发送者（target）去处理它。
• Message对象包括数据，发送者（Handler），可执行代码段（Runnable）三个部分组成。
• Handler可以在一个已经Looper.prepare()的线程中初始化，如果线程没有初始化Looper，创建Handler对象会失败。
• 一个线程的执行流中可以构造多个Handler对象，它们都往同一个MQ中发消息，消息也只会分发给对应的Handler处理。
• Handler将消息发送到MQ中，Message的target域会引用自己的发送者，Looper从MQ中取出来后，再交给发送这个Message的Handler去处理。
• Message可以直接添加一个Runnable对象，当这条消息被处理的时候，直接执行Runnable.run()方法。

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