Android的消息机制Handler详解

Posted 2020-08-02 Young_xiaoT

android的消息机制详解

Android的消息机制主要指 Handler 的运行机制，Handler的运行需要底层的MessageQueue 和 Looper 的支撑。

MessageQueue：消息队列，它的内部存储了一组消息，以队列的形式对外提供插入和删除的工作，其内部存储结构采用单链表的数据结构来存储消息列表。

Looper：可理解为消息循环。

由于MessageQueue只是一个消息存储单元，不能去处理消息，而Looper会以无限循环的形式去查找是否有新的消息，如果有的话就处理，否则就一直等待着。

Looper还有一个特殊的概念，就是ThreadLocal，它的作用可以在每个线程中存储数据。

Handler创建的时候会采用当前线程的Looper来构造消息循环系统，Handler内部需要使用ThreadLocal来获取每个线程的Looper。ThreadLocal可以在不同的线程中互不干扰地存储并提供数据。

注意：线程默认是没有Looper的，如果需要使用Handler就必须为线程创建Looper。主线程，UI线程，它就是ActivityThread，ActivityThread被创建时就会初始化Looper，这也是在主线程中默认可以使用Handler的原因。

Android消息机制概述

Android的UI控件不是线程安全的，如果在多线程中并发访问可能会导致UI控件处于不可预期的状态，如果对UI控件加锁会有两个确定：首先加上锁机制会使UI访问逻辑变得负责；其次锁机制会降低UI的访问效率，锁机制会阻碍某些线程的执行。鉴于这个两个缺点，最简单且高效的方法就是采用单线程模型来处理UI操作，只需要通过Handler切换一下UI访问的执行线程即可。

Handler创建完成后，其内部的 Looper 以及 MessageQueue就可以和Handler一起工作，Handler的post方法将一个 Runnable 投递到 Handler 内部的 Looper中去处理，也可以通过send发送一个消息（post最终也是通过send来完成的）。当Handler的send方法被调用时，它会调用 MessageQueue 的 enqueueMessage 方法将这个消息放入消息队列中，然后Looper发现有新消息到来时，就会处理这个消息，最终消息中的Runnable或者Handler的 handleMessage方法就会被调用。注意 Looper 是运行在创建Handler所在的线程中的，这样一来Handler中的业务逻辑就可以切换到创建Handler所在的线程中去执行。

Android 消息机制分析

ThreadLocal 的工作原理

ThreadLocal是一个线程内部的数据存储类，通过它可以在指定的线程中存储数据，数据存储以后，只有在指定线程中可以获取到存储的数据，对于其他线程来说则无法获取到数据。

在不同线程中访问通同一个ThreadLocal对象，通过ThreadLocal获取的值却是不一样的，是因为不同线程访问同一个ThreadLocal的get方法，ThreadLocal内部会从各自的线程中取出一个数组，然后再从数组中根据当前ThreadLocal的索引去查找出对应的 value 值。

消息队列的工作原理

消息队列在 Android 中指的是 MessageQueue，MessageQueue主要包含两个操作: 插入和读取。

插入：enqueueMessage

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.");
        }

        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);
            }
        }
        return true;
    }

读取：next，读取本身会伴随删除操作

Message next() {
        // Return here if the message loop has already quit and been disposed.
        // This can happen if the application tries to restart a looper after quit
        // which is not supported.
        final long ptr = mPtr;
        if (ptr == 0) {
            return null;
        }

        int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
        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 (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
                        msg.markInUse();
                        return msg;
                    }
                } else {
                    // No more messages.
                    nextPollTimeoutMillis = -1;
                }

                // Process the quit message now that all pending messages have been handled.
                if (mQuitting) {
                    dispose();
                    return null;
                }

                // If first time idle, then get the number of idlers to run.
                // Idle handles only run if the queue is empty or if the first message
                // in the queue (possibly a barrier) is due to be handled in the future.
                if (pendingIdleHandlerCount < 0
                        && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
                    pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
                }
                if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
                    // No idle handlers to run.  Loop and wait some more.
                    mBlocked = true;
                    continue;
                }

                if (mPendingIdleHandlers == null) {
                    mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
                }
                mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
            }

            // 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方法是一个无限循环的方法，如果消息队列中没有消息，那么 next 方法会一直阻塞在这里，当有消息到来时，next方法会返回这条消息并将其从单链表中移除。

Looper 的工作原理

Looper在 Android 的消息机制中扮演者消息循环的角色，它会不停地从MessageQueue中查看是否有新消息，如果有新消息就立刻处理，否则就一直阻塞在那里。

它的构造方法，创建一个MessageQueue即消息队列，然后将当前线程的对象保存起来：

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

Handler 的工作需要 Looper，没有 Looper 的线程就会报错，可以通过 Looper.prepare()为当前线程创建一个Looper，接着通过Looper.loop()来开启消息循环：

new Thread("Thread#2"){
    @Override
    public void run() {
        Looper.prepare();
        Handler handler = new Handler();
        Looper.loop();
    }
}.start();

Looper除了 prepare 方法外，还提供了 prepareMainLooper 方法，主要给 ActivityThread 创建 Looper 使用，Looper 还提供一个 getMainLooper() 方法，可以在任何地方获取到主线程的 Looper。

Looper 还提供 quite 和 quitSafely 来退出一个 Looper， 二者区别是：quit 会直接退出Looper，而 quitSafely 只是设定一个退出标记，然后把消息队列中的已有消息处理完毕后才安全退出。

Looper 退出后，通过 Handler 发送的消息会失败，这时Handler的send方法会返回false。

在子线程中，如果手动为其创建了 Looper ，那么在所有的事情完成以后应该调用 quit 方法来终止消息循环，否则这个子线程就会一直处于等待的状态，而如果退出 Looper 以后，这个线程就会立刻终止，因此建议不需要的时候终止 Looper 。

Looper 最重要的一个方法就是 loop(),只有调用 loop 方法，消息循环系统才会真正地起作用：

    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;
        // 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 (;;) {
            Message msg = queue.next(); // might block
            if (msg == null) {
                // 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);

            if (logging != null) {
                logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
            }

            // Make sure that during the course of dispatching the
            // identity of the thread wasn‘t corrupted.
            final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity();
            if (ident != newIdent) {
                Log.wtf(TAG, "Thread identity changed from 0x"
                        + Long.toHexString(ident) + " to 0x"
                        + Long.toHexString(newIdent) + " while dispatching to "
                        + msg.target.getClass().getName() + " "
                        + msg.callback + " what=" + msg.what);
            }

            msg.recycleUnchecked();
        }
    }

loop 方法是一个死循环，唯一跳出循环的方式就是 MessageQueue 的 next 方法返回了 null。

当Looper的 quit 方法调用时，Looper 就会调用 MessageQueue 的 quit 或者 quitSafely 方法来通知消息队列退出，当消息队列被标记为退出状态时，它的next方法就会返回null，也就是说 Looper 必须退出，否则 loop 方法就会一直循环下去。

loop 方法会调用 MessageQueue 的 next 方法来获取新消息，而next是一个阻塞操作，当没有消息时，next 方法会一直阻塞在那里，这也导致 loop 方法一直阻塞在那里。

如果 MessageQueue 的 next 方法返回了新消息，Looper 会处理这条消息：msg.target.dispatchMessage(msg);这里的msg.target是发送这条消息的 Handler 对象，这样Handler发送的消息最终又交给它的dispatchMessage方法来处理，不同的是，Handler的dispatchMessage方法是在创建Handler时所使用的 Looper 中执行的，这样就成功地将代码逻辑切换到指定的线程中去执行。

Handler 的工作原理

Handler主要包含消息的发送和接收过程。消息的发送可以通过 post 的一系列方法以及 send 的一系列方法来实现。

    public final boolean sendMessage(Message msg)
    {
        return sendMessageDelayed(msg, 0);
    }

    public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
    {
        if (delayMillis < 0) {
            delayMillis = 0;
        }
        return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
    }

    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);
    }

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

Handler 发送消息的过程仅仅是向消息队列中插入一条消息，MessageQueue 的 next 方法就会返回这条消息给 Looper，Looper 接收到消息就开始处理了，最终消息由 Looper 交由 Handler 处理，即 Handler 的 dispatchMessage 方法会被调用，这时 Handler 就会进入消息处理阶段，dispatchMessage 的实现如下：

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

首先，检查Message的callback是否为null，不为null就通过handleCallback(msg)来处理消息，Message的callback是一个 Runnable 对象，实际上就是 Handler的post方法所传递的 Runnable 参数。

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

其次，检查 mCallback 是否为 null，不为 null 就调用 mCallback 的handleMessage方法，这样就不用派生Handler的子类

Handler handler = new Handler(callback);

最后，调用 Handler 的 handleMessage 方法来处理消息。

Handler 还有一个特殊的构造方法，就是通过一个特定的 Looper 来构造 Handler，它的实现如下：

    public Handler(Looper looper) {
        this(looper, null, false);
    }

    public Handler(Looper looper, Callback callback, boolean async) {
        mLooper = looper;
        mQueue = looper.mQueue;
        mCallback = callback;
        mAsynchronous = async;
    }

下面看一下 Handler 的默认构造方法：

    public Handler(Callback callback, boolean async) {
        if (FIND_POTENTIAL_LEAKS) {
            final Class<? extends Handler> klass = getClass();
            if ((klass.isAnonymousClass() || klass.isMemberClass() || klass.isLocalClass()) &&
                    (klass.getModifiers() & Modifier.STATIC) == 0) {
                Log.w(TAG, "The following Handler class should be static or leaks might occur: " +
                    klass.getCanonicalName());
            }
        }

        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;
    }

如果当前线程没有 Looper 的话，就会抛出 “Can’t create handler inside thread that has not called Looper.prepare()”异常。

主线程的消息循环

Android 的主线程就是 ActivityThread，主线程的入口方法为 main，在 main 方法中通过 Looper.prepareMainLooper()来创建主线程的 Looper 以及 MessageQueue，并通过 Looper.loop() 来开启主线程的消息循环。

public static void main(String[] args) {
        Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ActivityThreadMain");
        SamplingProfilerIntegration.start();

        // CloseGuard defaults to true and can be quite spammy.  We
        // disable it here, but selectively enable it later (via
        // StrictMode) on debug builds, but using DropBox, not logs.
        CloseGuard.setEnabled(false);

        Environment.initForCurrentUser();

        // Set the reporter for event logging in libcore
        EventLogger.setReporter(new EventLoggingReporter());

        AndroidKeyStoreProvider.install();

        // Make sure TrustedCertificateStore looks in the right place for CA certificates
        final File configDir = Environment.getUserConfigDirectory(UserHandle.myUserId());
        TrustedCertificateStore.setDefaultUserDirectory(configDir);

        Process.setArgV0("<pre-initialized>");

        Looper.prepareMainLooper();

        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();

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

主线程消息循环开始以后，ActivityThread还需要一个 Handler 来和消息队列进行交互，这个Handler就是ActivitThread.H，它内部定义了一组消息类型，主要包含了四大组件的启动和停止过程：

    private class H extends Handler {
        public static final int LAUNCH_ACTIVITY         = 100;
        public static final int PAUSE_ACTIVITY          = 101;
        public static final int PAUSE_ACTIVITY_FINISHING= 102;
        public static final int STOP_ACTIVITY_SHOW      = 103;
        public static final int STOP_ACTIVITY_HIDE      = 104;
        public static final int SHOW_WINDOW             = 105;
        public static final int HIDE_WINDOW             = 106;
        public static final int RESUME_ACTIVITY         = 107;
        public static final int SEND_RESULT             = 108;
        public static final int DESTROY_ACTIVITY        = 109;
        public static final int BIND_APPLICATION        = 110;
        public static final int EXIT_APPLICATION        = 111;
        public static final int NEW_INTENT              = 112;
        public static final int RECEIVER                = 113;
        public static final int CREATE_SERVICE          = 114;
        public static final int SERVICE_ARGS            = 115;
        public static final int STOP_SERVICE            = 116;

        ...
    }

ActivityThread 通过 ApplicationThread 和 AMS 进行进程间通信，AMS 以进程间通信的方式完成。 ActivityThread的请求会回调 ApplicationThread 中的Binder 方法，然后ApplicationThread 会向 H 发送消息，H 收到消息后会将 ApplicationThread 中的逻辑切换到 ActivityThread 中去执行，即切换到主线程中去执行，这个过程就是主线程的消息循环模型。