深入了解Android Handler机制原理详解

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了深入了解Android Handler机制原理详解相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

前言

android开发中,经常会在子线程中进行一些操作,当操作完毕后会通过handler发送一些数据给主线程,通知主线程做相应的操作。 探索其背后的原理:子线程 handler 主线程 其实构成了线程模型中的经典问题 生产者-消费者模型。 生产者-消费者模型:生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间,生产者往存储空间中添加数据,消费者从存储空间中取走数据。

好处: - 保证数据生产消费的顺序(通过MessageQueue,先进先出) - 不管是生产者(子线程)还是消费者(主线程)都只依赖缓冲区(handler),生产者消费者之间不会相互持有,使他们之间没有任何耦合

源码分析

  • Handler

  • Handler机制的相关类

  • 创建Looper

  • 创建MessageQueue以及Looper与当前线程的绑定

  • Looper.loop()

  • 创建Handler

  • 创建Message

  • Message和Handler的绑定

  • Handler发送消息

  • Handler处理消息

Handler机制的相关类

Hanlder:发送和接收消息 Looper:用于轮询消息队列,一个线程只能有一个Looper Message: 消息实体 MessageQueue: 消息队列用于存储消息和管理消息

创建Looper

创建Looper的方法是调用Looper.prepare() 方法

在ActivityThread中的main方法中为我们prepare了

public static void main(String[] args) {
        Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ActivityThreadMain");
        //其他代码省略...
        Looper.prepareMainLooper(); //初始化Looper以及MessageQueue

        ActivityThread thread = new ActivityThread();
        thread.attach(false);

        if (sMainThreadHandler == null) {
            sMainThreadHandler = thread.getHandler();
        }

        if (false) {
            Looper.myLooper().setMessageLogging(new
                    LogPrinter(Log.DEBUG, "ActivityThread"));
        }

        // End of event ActivityThreadMain.
        Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
        Looper.loop(); //开始轮循操作

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

Looper.prepareMainLooper();

 public static void prepareMainLooper() {
        prepare(false);//消息队列不可以quit
        synchronized (Looper.class) {
            if (sMainLooper != null) {
                throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
            }
            sMainLooper = myLooper();
        }
    }

prepare有两个重载的方法,主要看 prepare(boolean quitAllowed) quitAllowed的作用是在创建MessageQueue时标识消息队列是否可以销毁, 主线程不可被销毁 下面有介绍

  public static void prepare() {
        prepare(true);//消息队列可以quit
    }
    //quitAllowed 主要
    private static void prepare(boolean quitAllowed) {
        if (sThreadLocal.get() != null) {//不为空表示当前线程已经创建了Looper
            throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
            //每个线程只能创建一个Looper
        }
        sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));//创建Looper并设置给sThreadLocal,这样get的时候就不会为null了
    }

创建MessageQueue以及Looper与当前线程的绑定

   private Looper(boolean quitAllowed) {
        mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);//创建了MessageQueue
        mThread = Thread.currentThread(); //当前线程的绑定
   }

MessageQueue的构造方法

 MessageQueue(boolean quitAllowed) {
 //mQuitAllowed决定队列是否可以销毁 主线程的队列不可以被销毁需要传入false, 在MessageQueue的quit()方法就不贴源码了
        mQuitAllowed = quitAllowed;
        mPtr = nativeInit();
    }

Looper.loop()

同时是在main方法中 Looper.prepareMainLooper() 后Looper.loop(); 开始轮询

public static void loop() {
        final Looper me = myLooper();//里面调用了sThreadLocal.get()获得刚才创建的Looper对象
        if (me == null) {
            throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
        }//如果Looper为空则会抛出异常
        final MessageQueue queue = me.mQueue;

        // Make sure the identity of this thread is that of the local process,
        // and keep track of what that identity token actually is.
        Binder.clearCallingIdentity();
        final long ident = Binder.clearCallingIdentity();

        for (;;) {
            //这是一个死循环,从消息队列不断的取消息
            Message msg = queue.next(); // might block
            if (msg == null) {
                //由于刚创建MessageQueue就开始轮询,队列里是没有消息的,等到Handler sendMessage enqueueMessage后
                //队列里才有消息
                // No message indicates that the message queue is quitting.
                return;
            }

            // This must be in a local variable, in case a UI event sets the logger
            Printer logging = me.mLogging;
            if (logging != null) {
                logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
                        msg.callback + ": " + msg.what);
            }

            msg.target.dispatchMessage(msg);//msg.target就是绑定的Handler,详见后面Message的部分,Handler开始
            //后面代码省略.....

            msg.recycleUnchecked();
        }
    }

创建Handler

最常见的创建handler

        Handler handler=new Handler(){
            @Override
            public void handleMessage(Message msg) {
                super.handleMessage(msg);
            }
        };

在内部调用 this(null, false);

public Handler(Callback callback, boolean async) {
        //前面省略
        mLooper = Looper.myLooper();//获取Looper,**注意不是创建Looper**!
        if (mLooper == null) {
            throw new RuntimeException(
                "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
        }
        mQueue = mLooper.mQueue;//创建消息队列MessageQueue
        mCallback = callback; //初始化了回调接口
        mAsynchronous = async;
    }

Looper.myLooper();

    //这是Handler中定义的ThreadLocal  ThreadLocal主要解多线程并发的问题
  // sThreadLocal.get() will return null unless you've called prepare().
   static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();

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

sThreadLocal.get() will return null unless you’ve called prepare(). 这句话告诉我们get可能返回null 除非先调用prepare()方法创建Looper。在前面已经介绍了

创建Message

可以直接new Message 但是有更好的方式 Message.obtain。因为可以检查是否有可以复用的Message,用过复用避免过多的创建、销毁Message对象达到优化内存和性能的目地

public static Message obtain(Handler h) {
        Message m = obtain();//调用重载的obtain方法
        m.target = h;//并绑定的创建Message对象的handler

        return m;
    }

public static Message obtain() {
        synchronized (sPoolSync) {//sPoolSync是一个Object对象,用来同步保证线程安全
            if (sPool != null) {//sPool是就是handler dispatchMessage 后 通过recycleUnchecked 回收用以复用的Message 
                Message m = sPool;
                sPool = m.next;
                m.next = null;
                m.flags = 0; // clear in-use flag
                sPoolSize--;
                return m;
            }
        }
        return new Message();
    }

Message和Handler的绑定

创建Message的时候可以通过 Message.obtain(Handler h) 这个构造方法绑定。当然可以在 在Handler 中的 enqueueMessage()也绑定了,所有发送Message的方法都会调用此方法入队,所以在创建Message的时候是可以不绑定的

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

Handler发送消息

Handler发送消息的重载方法很多,但是主要只有2种。 sendMessage(Message) sendMessage方法通过一系列重载方法的调用,sendMessage调用sendMessageDelayed,继续调用sendMessageAtTime,继续调用enqueueMessage,继续调用messageQueue的enqueueMessage方法,将消息保存在了消息队列中,而最终由Looper取出,交给Handler的dispatchMessage进行处理

我们可以看到在dispatchMessage方法中,message中callback是一个Runnable对象,如果callback不为空,则直接调用callback的run方法,否则判断mCallback是否为空,mCallback在Handler构造方法中初始化,在主线程通直接通过无参的构造方法new出来的为null,所以会直接执行后面的handleMessage()方法。

public void dispatchMessage(Message msg) {
    if (msg.callback != null) {//callback在message的构造方法中初始化或者使用handler.post(Runnable)时候才不为空
        handleCallback(msg);
    } else {
        if (mCallback != null) {//mCallback是一个Callback对象,通过无参的构造方法创建出来的handler,该属性为null,此段不执行
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        handleMessage(msg);//最终执行handleMessage方法
    }
}

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

Handler处理消息

在handleMessage(Message)方法中,我们可以拿到message对象,根据不同的需求进行处理,整个Handler机制的流程就结束了。

小结

handler.sendMessage 发送消息到消息队列MessageQueue,然后looper调用自己的loop()函数带动MessageQueue从而轮询messageQueue里面的每个Message,当Message达到了可以执行的时间的时候开始执行,执行后就会调用message绑定的Handler来处理消息。大致的过程如下图所示

handler机制就是一个传送带的运转机制。

1)MessageQueue就像履带。

2)Thread就像背后的动力,就是我们通信都是基于线程而来的。

3)传送带的滚动需要一个开关给电机通电,那么就相当于我们的loop函数,而这个loop里面的for循环就会带着不断的滚动,去轮询messageQueue

4)Message就是 我们的货物了。

难点问题

1. 线程同步问题

Handler是用于线程间通信的,但是它产生的根本并不只是用于UI处理,而更多的是handler是整个app通信的框架,大家可以在ActivityThread里面感受到,整个App都是用它来进行线程间的协调。Handler既然这么重要,那么它的线程安全就至关重要了,那么它是如何保证自己的线程安全呢?

Handler机制里面最主要的类MessageQueue,这个类就是所有消息的存储仓库,在这个仓库中,我们如何的管理好消息,这个就是一个关键点了。消息管理就2点:1)消息入库(enqueueMessage),2)消息出库(next),所以这两个接口是确保线程安全的主要档口。

enqueueMessage 源码如下:

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
    if (msg.target == null) {
        throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
    }
    if (msg.isInUse()) {
        throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
    }

    // 锁开始的地方
    synchronized (this) {
        if (mQuitting) {
            IllegalStateException e = new IllegalStateException(
                    msg.target + " sending message to a Handler on a dead thread");
            Log.w(TAG, e.getMessage(), e);
            msg.recycle();
            return false;
        }

        msg.markInUse();
        msg.when = when;
        Message p = mMessages;
        boolean needWake;
        if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
            // New head, wake up the event queue if blocked.
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
            needWake = mBlocked;
        } else {
            // Inserted within the middle of the queue.  Usually we don't have to wake
            // up the event queue unless there is a barrier at the head of the queue
            // and the message is the earliest asynchronous message in the queue.
            needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
            Message prev;
            for (;;) {
                prev = p;
                p = p.next;
                if (p == null || when < p.when) {
                    break;
                }
                if (needWake && p.isAsynchronous()) {
                    needWake = false;
                }
            }
            msg.next = p; // invariant: p == prev.next
            prev.next = msg;
        }

        // We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
        if (needWake) {
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
    //锁结束的地方

synchronized锁是一个内置锁,也就是由系统控制锁的lock unlock时机的。在多线程的课程中我们有详细分析过,有问题的同学可以去研究一下。

synchronized (this)

这个锁,说明的是对所有调用同一个MessageQueue对象的线程来说,他们都是互斥的,然而,在我们的Handler里面,一个线程是对应着一个唯一的Looper对象,而Looper中又只有一个唯一的MessageQueue(这个在上文中也有介绍)。所以,我们主线程就只有一个MessageQueue对象,也就是说,所有的子线程向主线程发送消息的时候,主线程一次都只会处理一个消息,其他的都需要等待,那么这个时候消息队列就不会出现混乱。

另外,在看next函数

Message next() {

    ....

    for (;;) {
        ....

        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

        synchronized (this) {
            // Try to retrieve the next message.  Return if found.
                   ...
                    return msg;
                }
            } else {
                // No more messages.
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }

             ...
        }//synchronized 结束之处

        // Run the idle handlers.
        // We only ever reach this code block during the first iteration.
        for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
            final IdleHandler idler = mPendingIdleHandlers[i];
            mPendingIdleHandlers[i] = null; // release the reference to the handler

            boolean keep = false;
            try {
                keep = idler.queueIdle();
            } catch (Throwable t) {
                Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
            }

            if (!keep) {
                synchronized (this) {
                    mIdleHandlers.remove(idler);
                }
            }
        }

        // Reset the idle handler count to 0 so we do not run them again.
        pendingIdleHandlerCount = 0;

        // While calling an idle handler, a new message could have been delivered
        // so go back and look again for a pending message without waiting.
        nextPollTimeoutMillis = 0;
    }
}

next函数很多同学会有疑问:我从线程里面取消息,而且每次都是队列的头部取,那么它加锁是不是没有意义呢?答案是否定的,我们必须要在next里面加锁,因为,这样由于synchronized(this)作用范围是所有 this正在访问的代码块都会有保护作用,也就是它可以保证 next函数和 enqueueMessage函数能够实现互斥。这样才能真正的保证多线程访问的时候messagequeue的有序进行。

小结: 这个地方是面试官经常问的点,而且他们会基于这个点来拓展问你多线程,所以,这个地方请大家重视。

2. 消息机制之同步屏障

同步屏障,view绘制中用 <https://juejin.im/post/6844903910113705998

同步屏障的概念,在Android开发中非常容易被人忽略,因为这个概念在我们普通的开发中太少见了,很容易被忽略。

大家经过上面的学习应该知道,线程的消息都是放到同一个MessageQueue里面,取消息的时候是互斥取消息,而且只能从头部取消息而添加消息是按照消息的执行的先后顺序进行的排序,那么问题来了,同一个时间范围内的消息,如果它是需要立刻执行的,那我们怎么办,按照常规的办法,我们需要等到队列轮询到我自己的时候才能执行哦,那岂不是黄花菜都凉了。所以,我们需要给紧急需要执行的消息一个绿色通道,这个绿色通道就是同步屏障的概念。

同步屏障是什么?

屏障的意思即为阻碍,顾名思义,同步屏障就是阻碍同步消息,只让异步消息通过。如何开启同步屏障呢?如下而已:

MessageQueue#postSyncBarrier()

我们看看它的源码

   /**
     *
   @hide
   **/
      public int postSyncBarrier() {
           return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
      }
private int postSyncBarrier(long when) {
    // Enqueue a new sync barrier token
    synchronized (this) {
        final int token = mNextBarrierToken++;
        //从消息池中获取Message
        final Message msg = Message.obtain();
        msg.markInUse();

        //就是这里!!!初始化Message对象的时候,并没有给target赋值,因此 target==null
        msg.when = when;
        msg.arg1 = token;

        Message prev = null;
        Message p = mMessages;

        if (when != 0) {
            while (p != null && p.when <= when) {
          //如果开启同步屏障的时间(假设记为T)T不为0,且当前的同步消息里有时间小于T,则prev也不为null
                prev = p;
                p = p.next;
            }
        }
        //根据prev是不是为null,将 msg 按照时间顺序插入到 消息队列(链表)的合适位置
        if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
            msg.next = p;
            prev.next = msg;
        } else {
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
        }
        return token;
    }
}

可以看到,Message 对象初始化的时候并没有给 target 赋值,因此,target == null的 来源就找到了。上面消息的插入也做了相应的注释。这样,一条target == null 的消息就进入了消息队列。

那么,开启同步屏障后,所谓的异步消息又是如何被处理的呢?

如果对消息机制有所了解的话,应该知道消息的最终处理是在消息轮询器Looper#loop()中,而loop()循环中会调用MessageQueue#next()从消息队列中进行取消息。

//MessageQueue.java

Message next()

    .....//省略一些代码
    int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
    // 1.如果nextPollTimeoutMillis=-1,一直阻塞不会超时。
    // 2.如果nextPollTimeoutMillis=0,不会阻塞,立即返回。
    // 3.如果nextPollTimeoutMillis>0,最长阻塞nextPollTimeoutMillis毫秒(超时)
    //   如果期间有程序唤醒会立即返回。
    int nextPollTimeoutMillis = 0;
    //next()也是一个无限循环
    for (;;) {
        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
            Binder.flushPendingCommands();
        }
        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
        synchronized (this) {
            //获取系统开机到现在的时间
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages; //当前链表的头结点

            //关键!!!
            //如果target==null,那么它就是屏障,需要循环遍历,一直往后找到第一个异步的消息
            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) {
                //如果有消息需要处理,先判断时间有没有到,如果没到的话设置一下阻塞时间,
                //场景如常用的postDelay
                if (now < msg.when) {
                   //计算出离执行时间还有多久赋值给nextPollTimeoutMillis,
                   //表示nativePollOnce方法要等待nextPollTimeoutMillis时长后返回
                    nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                } else {
                    // 获取到消息
                    mBlocked = false;
                   //链表操作,获取msg并且删除该节点 
                    if (prevMsg != null) 
                        prevMsg.next = msg.next;
                    } else {
                        mMessages = msg.next;
                    }
                    msg.next = null;
                    msg.markInUse();
                    //返回拿到的消息
                    return msg;
                }
            } else {
                //没有消息,nextPollTimeoutMillis复位
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }
            .....//省略

}

从上面可以看出,当消息队列开启同步屏障的时候(即标识为msg.target == null),消息机制在处理消息的时候,优先处理异步消息。这样,同步屏障就起到了一种过滤和优先级的作用。

下面用示意图简单说明:

如上图所示,在消息队列中有同步消息和异步消息(黄色部分)以及一道墙----同步屏障(红色部分)。有了同步屏障的存在,msg_2 和 msg_M 这两个异步消息可以被优先处理,而后面的 msg_3 等同步消息则不会被处理。那么这些同步消息什么时候可以被处理呢?那就需要先移除这个同步屏障,即调用removeSyncBarrier()

同步消息的应用场景

似乎在日常的应用开发中,很少会用到同步屏障。那么,同步屏障在系统源码中有哪些使用场景呢?Android 系统中的 UI 更新相关的消息即为异步消息,需要优先处理。

比如,在 View 更新时,draw、requestLayout、invalidate 等很多地方都调用了ViewRootImpl#scheduleTraversals(),如下:

//ViewRootImpl.java

void scheduleTraversals() {
    if (!mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = true;
        //开启同步屏障
        mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
        //发送异步消息
        mChoreographer.postCallback(
                Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
        if (!mUnbufferedInputDispatch) {
            scheduleConsumeBatchedInput();
        }
        notifyRendererOfFramePending();
        pokeDrawLockIfNeeded();
    }
}

postCallback()最终走到了ChoreographerpostCallbackDelayedInternal()

  private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
            Object action, Object token, long delayMillis) {
        if (DEBUG_FRAMES) {
            Log.d(TAG, "PostCallback: type=" + callbackType- ", action=" + action + ",                      token=" + token  =" + delayMillis);
        }
        synchronized (mLock) {
        final long now = SystemClock.uptimeMillis();
        final long dueTime = now + delayMillis;
        mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);

        if (dueTime <= now) {
            scheduleFrameLocked(now);
        } else {
            Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
            msg.arg1 = callbackType;
            msg.setAsynchronous(true);   //异步消息
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);
        }
    }
}

这里就开启了同步屏障,并发送异步消息,由于 UI 更新相关的消息是优先级最高的,这样系统就会优先处理这些异步消息。

最后,当要移除同步屏障的时候需要调用ViewRootImpl#unscheduleTraversals()

    void unscheduleTraversals() {
        if (mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = false;
            //移除同步屏障
            mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
            mChoreographer.removeCallbacks(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
        }
    }

总结

同步屏障的设置可以方便地处理那些优先级较高的异步消息。当我们调用Handler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier() 并设置消息的setAsynchronous(true)时,target 即为 null ,也就开启了同步屏障。当在消息轮询器 Looper 在loop()中循环处理消息时,如若开启了同步屏障,会优先处理其中的异步消息,而阻碍同步消息。

Handler常问面试题(探讨与思考)

1. 一个线程有几个 Handler?

2.一个线程有几个 Looper?如何保证?

3.Handler内存泄漏原因? 为什么其他的内部类没有说过有这个问题?

4.为何主线程可以new Handler?如果想要在子线程中new Handler 要做些什么准备?

5.子线程中维护的Looper,消息队列无消息的时候的处理方案是什么?有什么用?

6.既然可以存在多个 Handler 往 MessageQueue 中添加数据(发消息时各个 Handler 可能处于不同线程),那它内部是如何确保线程安全的?取消息呢?

7.我们使用 Message 时应该如何创建它?

8.Looper死循环为什么不会导致应用卡死

《Android高级开发面试题2.0》

以上是关于深入了解Android Handler机制原理详解的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

深入理解Android Handler机制(深入至native层)

Android Handler消息机制从原理到应用详解

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React(五)深入React-Hooks工作机制,原理