万字复盘 Handler 中各式 Message 的使用和原理

Posted 2021-10-13 TechMerger

我们会经常使用 Handler 的 send 或 post 去安排一个延时、非延时或插队执行的 Message。但对于这个 Message 到底什么时候执行以及为什么是这样，鲜少细究过。

本文将一 一盘点并起底个中原理！

同时针对大家不太熟悉的异步 Message 和 IdleHandler，进行演示和原理普及，篇幅较大，慢慢享用。

非延时执行 Message

先在主线程创建一个 Handler 并复写 Callback 处理。

    private val mainHandler = Handler(Looper.getMainLooper()) { msg ->
        Log.d(
            "MainActivity",
            "Main thread message occurred & what:${msg.what}"
        )
        true
    }

不断地发送期望即刻执行的 Message 和 Runnable 给主线程的 Handler。

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        ...
        testSendNoDelayedMessages()
    }

    private fun testSendNoDelayedMessages() {
        Log.d("MainActivity","testSendNoDelayedMessages() start")
        testSendMessages()
        testPostRunnable()
        Log.d("MainActivity","testSendNoDelayedMessages() end ")
    }

    private fun testSendMessages() {
        Log.d("MainActivity","startSendMessage() start")
        for (i in 1..10) {
            sendMessageRightNow(mainHandler, i)
        }
        Log.d("MainActivity","startSendMessage() end ")
    }

    private fun testPostRunnable() {
        Log.d("MainActivity","testPostRunnable() start")
        for (i in 11..20) {
            mainHandler.post { Log.d("MainActivity", "testPostRunnable() run & i:${i}") }
        }
        Log.d("MainActivity","testPostRunnable() end ")
    }

什么时候执行？

公布下日志前，大家可以猜测下运行的结果，Message 或 Runnable 在 send 或 post 之后会否立即执行。不是的话，什么时候执行？

 D MainActivity: testSendNoDelayedMessages() start
 D MainActivity: startSendMessage() start
 D MainActivity: startSendMessage() end
 D MainActivity: testPostRunnable() start
 D MainActivity: testPostRunnable() end
 D MainActivity: testSendNoDelayedMessages() end
 D MainActivity: Main thread message occurred & what:1
 ...
 D MainActivity: Main thread message occurred & what:10
 D MainActivity: testPostRunnable() run & i:11
 ...
 D MainActivity: testPostRunnable() run & i:20

答案可能跟预想的略有出入，但一细想好像又是合理的：发送完的 Message 或 Runnable 不会立即执行，MessageQueue 的唤醒和回调需要等主线程的其他工作完成之后才能执行。

为什么？

非延时的 sendMessage() 和 post() 最终仍然是调用 sendMessageAtTime() 将 Message 放入了 MessageQueue。只不过它的期待执行时间 when变成了 SystemClock.uptimeMillis()，即调用的时刻。

// Handler.java
    public final boolean sendMessage(@NonNull Message msg) {
        return sendMessageDelayed(msg, 0);
    }
    
    public final boolean post(@NonNull Runnable r) {
       return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
    }

    public final boolean sendMessageDelayed(@NonNull Message msg, long delayMillis) {
        return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis); // when 等于当前时刻
    }

    public boolean sendMessageAtTime(@NonNull Message msg, long uptimeMillis) {
        return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);
    }

这些 Message 会按照 when 的先后排队进入 MessageQueue 中，当 Message 满足了条件会立即调用 wake，反之只是插入队列而已。所以，上述的 send 或 post 循环，会按照调用的先后挨个进入队列，第一个 Message 会触发 wake。

// MessageQueue.java
    boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
        ...
        // 鉴于多线程往 Handler 里发送 Message 的情况
        // 在向队列插入 Message 前需要上锁
        synchronized (this) {
            ...
            msg.markInUse(); // Message 标记正在使用
            msg.when = when; // 更新 when 属性
            Message p = mMessages; // 拿到队列的 Head 
            boolean needWake;
            // 如果队列为空
            // 或者 Message 需要插队（sendMessageAtFrontOfQueue）
            // 又或者 Message 执行时刻比 Head 的更早
            // 该 Message 插入到队首
            if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
                // New head, wake up the event queue if blocked.
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
                // 线程是否因为没有可执行的 Message 正在 block 或 wait
                // 是的话，唤醒
                needWake = mBlocked;
            } else {
                // 如果队列已有 Message，Message 优先级又不高，同时执行时刻并不早于队首的 Message
                // 如果线程正在 block 或 wait，或建立了同步屏障（target 为空），并且 Message 是异步的，则唤醒
                needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
                Message prev;
                // 遍历队列，找到 Message 目标插入位置
                for (;;) {
                    prev = p;
                    p = p.next;
                    // 如果已经遍历到队尾了，或 Message 的时刻比当前 Message 要早
                    // 找到位置了，退出遍历
                    if (p == null || when < p.when) {
                        break;
                    }
                    
                    // 如果前面决定需要唤醒，但队列已有执行时刻更早的异步 Message 的话，先不唤醒
                    if (needWake && p.isAsynchronous()) {
                        needWake = false;
                    }
                }
                // 将 Message 插入队列的目标位置
                msg.next = p;
                prev.next = msg;
            }

            // 需要唤醒的话，唤醒 Native 侧的 MessageQueue
            if (needWake) {
                nativeWake(mPtr);
            }
        }
        return true;
    }

总结来讲：

• 第一次 send 的 Message 在 enqueue 进 MessageQueue 的队首后，通知 Native 侧 wake
• 后续发送的其他 Message 或 Runnable 挨个 enqueue 进队列
• 接着执行主线程的其他任务，比如日志的打印
• 空闲后 wake 完毕并在 next() 的下一次循环里将队首 Message 移除和返回给 Looper 去回调和执行
• 之后 loop() 开始读取 MessageQueue 当前队首 Message 的下一次循环，当前时刻必然晚于 send 时候设置的when，所以队列里的 Message 挨个出队和回调

结论

非延时 Message 并非立即执行，只是放入 MessageQueue 等待调度而已，执行时刻不确定。

MessageQueue 会记录请求的时刻，按照时刻的先后顺序进行排队。如果 MessageQueue 中积攒了很多 Message，或主线程被占用的话，Message 的执行会明显晚于请求的时刻。

延时执行 Message

延时执行的 Message 使用更为常见，那它又是何时执行呢？

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        ...
        testSendDelayedMessages()
    }

    private fun testSendDelayedMessages() {
        Log.d("MainActivity","testSendDelayedMessages() start")
        // 发送 Delay 2500 ms 的 Message
        sendDelayedMessage(mainHandler, 1)
        Log.d("MainActivity","testSendDelayedMessages() end ")
    }

28:58.186 发送 Message，29:00.690 Message 执行，时间差为 2504ms，并非准确的 2500ms。

09-22 22:28:57.964 24980 24980 D MainActivity: onCreate()
09-22 22:28:58.186 24980 24980 D MainActivity: testSendDelayedMessages() start
// 发送 Message
09-22 22:28:58.186 24980 24980 D MainActivity: testSendDelayedMessages() end
// Message 执行
09-22 22:29:00.690 24980 24980 D MainActivity: Main thread message occurred & what:1

如果连续发送 10 个均延时 2500ms 的 Message 会怎么样？

    private fun testSendDelayedMessages() {
        Log.d("MainActivity","testSendDelayedMessages() start")
        // 连续发送 10 个 Delay 2500 ms 的 Message
        for (i in 1..10) {
            sendDelayedMessage(mainHandler, i)
        }
        Log.d("MainActivity","testSendDelayedMessages() end ")
    }

第 1 个 Message 执行的时间差为 2505ms（39:56.841 - 39:54.336），第 10 个 Message 执行的时间差已经达到了 2508ms（39:56.844 - 39:54.336）。

09-22 22:39:54.116 25104 25104 D MainActivity: onCreate()
09-22 22:39:54.336 25104 25104 D MainActivity: testSendDelayedMessages() start
09-22 22:39:54.337 25104 25104 D MainActivity: testSendDelayedMessages() end
09-22 22:39:56.841 25104 25104 D MainActivity: Main thread message occurred & what:1
09-22 22:39:56.842 25104 25104 D MainActivity: Main thread message occurred & what:2
09-22 22:39:56.842 25104 25104 D MainActivity: Main thread message occurred & what:3
..
09-22 22:39:56.842 25104 25104 D MainActivity: Main thread message occurred & what:8
09-22 22:39:56.842 25104 25104 D MainActivity: Main thread message occurred & what:9
09-22 22:39:56.844 25104 25104 D MainActivity: Main thread message occurred & what:10

为什么？

延时 Message 执行的时刻 when 采用的是发送的时刻和 Delay 时长的累加，基于此排队进 MessageQueue。

// Handler.java
    public final boolean postDelayed(Runnable r, int what, long delayMillis) {
        return sendMessageDelayed(getPostMessage(r).setWhat(what), delayMillis);
    }

    public final boolean sendMessageDelayed(@NonNull Message msg, long delayMillis) {  
    	return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis); 
    }

    public boolean sendMessageAtTime(@NonNull Message msg, long uptimeMillis) {
        return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis); 
    }

Delay Message 尚未抵达的时候，MessageQueue#next() 会将读取队列的时刻与 when 的差值，作为下一次通知 Native 休眠的时长。进行下一次循环前，next() 还存在其他逻辑，导致 wake up 的时刻存在滞后。此外由于 wake up 后线程存在其他任务导致执行更加延后。

// MessageQueue.java
	Message next() {
        ...
        for (;;) {
            ...
            nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
            synchronized (this) {
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                Message prevMsg = null;
                Message msg = mMessages;
                ...
                
                if (msg != null) {
                    // 计算下一次循环应当休眠的时长
                    if (now < msg.when) {
                        nextPollTimeoutMillis
                            = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                    } else {
                        ...
                    }
                } else {
                    ...
                }
                ...
            }
            ...
        }
    }

结论

由于唤醒时长的计算误差和回调的任务可能占用线程，导致延时执行 Message 不是时间到了就会执行，其执行的时刻必然晚于 Delay 的时刻。

插队执行 Message

Handler 还提供了 Message 插队的 API：sendMessageAtFrontOfQueue() 和 postAtFrontOfQueue()。

在上述的 send 和 post 之后同时调用 xxxFrontOfQueue 的方法，Message 的执行结果会怎么样？

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        ...
        testSendNoDelayedMessages()
        testFrontMessages() // 立马调用 FrontOfQueue 的方法
    }

分别调用 sendMessageAtFrontOfQueue() 和 postAtFrontOfQueue() 的 API。

    private fun testFrontMessages() {
        Log.d("MainActivity","testFrontMessages() start")
        testSendFrontMessages()
        testPostFrontRunnable()
        Log.d("MainActivity","testFrontMessages() end ")
    }

    private fun testSendFrontMessages() {
        Log.d("MainActivity","testSendFrontMessages() start")
        for (i in 21..30) {
            sendMessageFront(mainHandler, i)
        }
        Log.d("MainActivity","testSendFrontMessages() end ")
    }

    private fun testPostFrontRunnable() {
        Log.d("MainActivity","testPostFrontRunnable() start")
        for (i in 31..40) {
            mainHandler.postAtFrontOfQueue() { Log.d("MainActivity", "testPostFrontRunnable() run & i:${i}") }
        }
        Log.d("MainActivity","testPostFrontRunnable() end ")
    }

当主线程的打印日志按序输出后，Message 开始逐个执行。按照预想的一样，FrontOfQueue 的 Message 会先执行，也就是最后一次调用这个 API 的最早回调。

Front 的 Message 逆序执行完毕之后，普通的 Message 才按照请求的顺序执行。

 D MainActivity: testSendNoDelayedMessages() start
 D MainActivity: startSendMessage() start
 D MainActivity: startSendMessage() end
 D MainActivity: testPostRunnable() start
 D MainActivity: testPostRunnable() end
 D MainActivity: testSendNoDelayedMessages() end
 D MainActivity: testFrontMessages() start
 D MainActivity: testSendFrontMessages() start
 D MainActivity: testSendFrontMessages() end
 D MainActivity: testPostFrontRunnable() start
 D MainActivity: testPostFrontRunnable() end
 D MainActivity: testFrontMessages() end
 D MainActivity: testPostFrontRunnable() run & i:40
 ...
 D MainActivity: testPostFrontRunnable() run & i:31
 D MainActivity: Main thread message occurred & what:30
 ...
 D MainActivity: Main thread message occurred & what:21
 D MainActivity: Main thread message occurred & what:1
 ...
 D MainActivity: Main thread message occurred & what:10
 D MainActivity: testPostRunnable() run & i:11
 ...
 D MainActivity: testPostRunnable() run & i:20

怎么实现的？

原理在于 sendMessageAtFrontOfQueue() 或 postAtFrontOfQueue() 发送的 Mesage 被记录的 when 属性被固定为 0。

// Handler.java
    public final boolean sendMessageAtFrontOfQueue(@NonNull Message msg) {
        return enqueueMessage(queue, msg, 0); // 发送的 when 等于 0
    }

    public final boolean postAtFrontOfQueue(@NonNull Runnable r) {
        return sendMessageAtFrontOfQueue(getPostMessage(r));
    }

从入队函数可以看出，when 为 0 的 Message 会立即插入队首，所以总会先得到执行。

// MessageQueue.java
    enqueueMessage(Message msg, long when) {
        ...
        synchronized (this) {
            ...
            // 如果 Message 需要插队（sendMessageAtFrontOfQueue）
            // 则插入队首
            if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
            } else {
                ..万字复盘 Handler 中各式 Message 的使用和原理

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