Android消息機制探索(Handler,Looper,Message,MessageQueue)

時間 2019-11-17

標籤 android 消息機制探索 handler looper message messagequeue 欄目 Android 简体版

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概覽

Android消息機制是Android操做系統中比較重要的一塊。具體使用方法在這裏再也不闡述，能夠參考Android的官方開發文檔。java

消息機制的主要用途有兩方面：編程

一、線程之間的通訊。好比在子線程中想更新UI，就經過發送更新消息到UI線程中來實現。緩存

二、任務延遲執行。好比30秒後執行刷新任務等。安全

消息機制運行的大概示意圖以下：app

一個線程中只能有一個Looper對象，一個Looper對象中持有一個消息隊列，一個消息隊列中維護多個消息對象，用一個Looper能夠建立多個Handler對象，Handler對象用來發送消息到消息隊列中、和處理Looper分發給本身的消息（也就是本身以前發送的那些消息），這些Handler對象能夠跨線程運行，可是最終消息的處理，都是在建立該Handler的線程中運行。 less

Android爲何是單線程模型？

整個消息機制的一個重要用途，就是線程間通訊，並且大部分都是工做線程向主線程發送數據和消息。那麼爲何Android系統要這樣設計呢？其實典型的Android應用，都是事件驅動的GUI程序，跟Window的GUI程序很相似。這種程序，特色就是基於事件運行，好比點擊事件或者滑動事件。因此這種狀況下，確定是要有一個專門的線程來負責事件的監聽和分發。在Android中，系統默認啓動的主線程，就幹這個事情了。異步

因爲該消息分發線程有着本身獨特的任務，因此若是該線程阻塞了的話，系統就會出現無響應的狀況。這樣，天然就不可能把耗時的任務放在該線程中，因此官方推薦是把耗時的任務放到工做線程中執行。可是不少時候，耗時任務的執行結果，都是要反饋到UI上的。而Android中的View，是不能在非UI線程中更新的，由於View不是線程安全的，沒有同步，因此必需要把數據經過線程間通訊的模式，發送到UI線程，這能才能夠正常更新UI。async

因此你們會問，Android爲何不把View設計成線程安全的呢？那麼在Java這種指令式編程語言中，線程安全就是意味着要加鎖。其實咱們能夠思考一下，整個View響應事件，事件從屏幕產生，通過Framework，最後到kernel，而後kernel處理完成後，向上傳遞到framework，而後又傳遞到View層。以下圖所示：編程語言

那麼若是整個流程都是線程安全的話，就會面臨着兩個相對的加鎖流程，這種反方向的加鎖，很容易就會致使死鎖的狀況發生。這是絕大多數GUI系統存在的問題，因此絕大多數GUI系統都是採用事件分發機制來實現的。因此說Android爲何設計成單線程模型了。ide

分析

在熟悉了基本用法以後，有必要深刻探索一下。

邏輯分析

Android消息機制的framework層主要圍繞Handler、Looper、Message、MessageQueue這四個對象來操做。消息機制主要是對消息進行生成、發送、存儲、分發、處理等操做。

Message：

該類表明的是消息機制中的消息對象。是在消息機制中被建立，用來傳遞數據以及操做的對象，也負責維護消息對象緩存池。

Message對象中主要有如下幾個屬性：

what：消息類型。

arg一、arg二、obj、data：該消息的數據域

when：該消息應該被處理的時間，該字段的值爲SystemClock.uptimeMillis()。當該字段值爲0時，說明該消息須要被放置到消息隊列的首部。

target：發送和處理該消息的Handler對象。

next：對象池中該消息的下一個消息。

Message對象中，主要維護了一個Message對象池，由於系統中會頻繁的使用到Message對象，因此用對象池的方式來減小頻繁建立對象帶來的開支。Message對象池使用單鏈表實現。最大數量限制爲50。因此官方推薦咱們經過對象池來獲取Message對象。

特別注意的是，咱們日常使用的都是普通的Message對象，也就是同步的Message對象。其實還有兩種特殊的Message對象，目前不多被使用到，但也有必要了解一下。

第一個是同步的障礙消息（Barrier Message），該消息的做用就是，若是該消息到達消息隊列的首部，則消息隊列中其餘的同步消息就會被阻塞，不能被處理。障礙消息的特徵是target==null&&arg1==barrierToken

第二個是異步消息，異步消息不會被上面所說的障礙消息影響。經過Message對象的setAsynchronous(boolean async)方法來設置一個消息爲異步消息。

MessageQueue：

該類表明的是消息機制中的消息隊列。它主要就是維護一個線程安全的消息隊列，提供消息的入隊、刪除、以及阻塞方式的輪詢取出等操做。

Looper：

該類表明的是消息機制中的消息分發器。有了消息，有了消息隊列，還缺乏處理消息分發機制的對象，Looper就是處理消息分發機制的對象。它會把每一個Message發送到正確的處理對象上進行處理。若是一個Looper開始工做後，一直沒有消息處理的話，那麼該線程就會被阻塞。在非UI線程中，這時候應該監聽當前MessageQueue的Idle事件，若是當前有Idle事件，則應該退出當前的消息循環，而後結束該線程，釋放相應的資源。

Handler：

該類表明的是消息機制中的消息發送和處理器。有了消息、消息隊列、消息分發機制，還缺乏的就是消息投遞和消息處理。Handler就是用來作消息投遞和消息處理的。Handler事件處理機制採用一種按自由度從高到低的優先級進行消息的處理，正常狀況下，一個Handler對象能夠設置一個callback屬性，一個Handler對象能夠操做多個Message對象，從某種程度上來講，建立一個Message對象比給一個Handler對象設置callback屬性來的自由，而給一個Handler對象設置callback屬性比衍生一個Handler子類來的自由，因此消息處理優先級爲Message>Handler.callback.Handler.handleMessage()。

代碼分析

重要部分的源代碼解析，源代碼基於sdk 23。

Message：

普通的消息對象，包含了消息類型、數據、行爲。內部包含了一個用單鏈表實現的對象池，最大數量爲50，爲了不頻繁的建立對象帶來的開銷。

一、從對象池中獲取Message對象。

源代碼:

public static Message obtain() {
        synchronized (sPoolSync) {
            if (sPool != null) {
                Message m = sPool;
                sPool = m.next;
                m.next = null;
                m.flags = 0; // clear in-use flag
                sPoolSize--;
                return m;
            }
        }
        return new Message();
    }

僞代碼:

public static Message obtain() {
        synchronized (sPoolSync) {
            if (對象池不爲空) {
                從單鏈表實現的對象池中取出一個對象（從鏈表頭獲取）;
        清空該對象標誌位（在使用中、異步等）;
                修正對象池大小;
                return 取出的消息對象;
            }
        }
        return 新建消息對象;
    }

二、返回Message對象到對象池

源代碼:

void recycleUnchecked() {
        // Mark the message as in use while it remains in the recycled object pool.
        // Clear out all other details.
        flags = FLAG_IN_USE;
        what = 0;
        arg1 = 0;
        arg2 = 0;
        obj = null;
        replyTo = null;
        sendingUid = -1;
        when = 0;
        target = null;
        callback = null;
        data = null;

        synchronized (sPoolSync) {
            if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
                next = sPool;
                sPool = this;
                sPoolSize++;
            }
        }
    }

僞代碼:

void recycleUnchecked() {
        標誌爲正在使用中;
        清空當前對象的其餘數據;

        synchronized (sPoolSync) {
            if (對象池沒容量有達到上限) {
                在單鏈表表頭插入該對象;
                修正對象池大小;
            }
        }
    }

Looper：

使用ThreadLocal來實現線程做用域的控制，每一個線程最多有一個Looper對象，內部持有一個MessageQueue的引用。

一、初始化一個Looper

源代碼:

    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));
    }

僞代碼:

    private static void prepare(boolean quitAllowed) {
        if (當前線程中已經有了一個Looper對象) {
            throw new RuntimeException("一個線程只能建立一個Looper對象");
        }
        從新實例化一個能夠退出的Looper;
        把該Looper對象和當前線程關聯起來;
    }

二、Looper開始工做

源代碼:

    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();
        }
    }

僞代碼:

   public static void loop() {
        獲取當前線程的Looper對象;
        if (當前線程沒有Looper對象) {
            throw new RuntimeException("沒有Looper; Looper.prepare() 沒有在當前線程被調用過");
        }
        獲取該Looper對象關聯的MessageQueue;

        清除IPC身份標誌;

        for (;;) {
            從MessageQueue中獲取一個Message，若是當前MessageQueue沒有消息，就會阻塞;
            if (沒有取到消息) {
                // 沒有消息意味着消息隊列退出了.
                return;
            }

            打印日誌;
            
            調用當前Message對象的target來處理消息，也就是發送該Message的Handler對象;

            打印日誌;

            獲取新的IPC身份標識;
            if (IPC身份標識改變了) {
                打印警告信息;

            回收該消息，放入到Message對象池中;
        }
    }

Handler：

負責消息的發送、定時發送、延遲發送、消息處理等動做。

一、事件處理

源代碼:

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

僞代碼:

public void dispatchMessage(Message msg) {
        if (該消息的callback屬性不爲空) {
            運行該消息的callback對象的run()方法;
        } else {
            if (當前Handler對象的mCallback屬性不爲空) {
                if (mCallback對象成功處理了消息) {
                    return;
                }
            }
            Handler內部處理該消息;
        }
    }

MessageQueue：

使用單鏈表的方式維護一個消息隊列，提升頻繁插入刪除消息等操做的性能，該鏈表用消息的when字段進行排序，先被處理的消息排在鏈表前部。內部的阻塞輪詢和喚醒等操做，使用JNI來實現。

一、Message對象的入隊操做

源代碼:

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;
    }

僞代碼:

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
        if (該消息沒有target) {
            throw new IllegalArgumentException("Message對象必需要有一個target");
        }
        if (該消息正在被使用) {
            throw new IllegalStateException(msg + " 該消息正在使用中");
        }

        synchronized (this) {
            if (消息隊列退出了) {
                打印警告信息;
                回收該消息，返回到Message對象池;
                return false;
            }

            設置該消息爲正在使用中;
            設置消息將要被處理的時間;
            Message p = mMessages;
            boolean needWake;
            if (msg隊列爲空 || 該消息對象請求放到隊首 || 執行時間先於當前隊首msg的執行時間（當前隊列中全是delay msg）) {
                把當前msg添加到msg隊列首部;
                若是阻塞了，設置爲須要被喚醒;
            } else {
                if (阻塞了 && 隊首是barrier && 當前msg是異步msg) {
                    設置爲須要被喚醒
                }
                for (;;) {
                    根據msg.when的前後，找到合適的插入位置，先執行的在隊列前面;
                    if (須要喚醒 && 插入位置以前有異步消息) {
                        不須要喚醒;
                    }
                }
                插入到合適的位置;
            }

            if (須要喚醒) {
                調用native方法進行本地喚醒;
            }
        }
        return true;
    }

二、查詢待處理消息

源代碼:

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;
        }
    }

僞代碼:

Message next() {
        if (消息隊列退出了) {
            return null;
        }

        把Idle事件的次數標記爲第一次;
        下一次輪詢的等待（阻塞）時間設爲0;
        for (;;) {
            if (下一次輪詢須要阻塞) {
                清楚Binder的pending command，用來釋放資源;
            }

            使用當前的設置輪詢阻塞時間去作一次native的輪詢，若是阻塞時間大於0，則會阻塞，直到取到消息爲止;

            synchronized (this) {
                if (消息隊列首部爲barrier消息) {
                    取出第一個異步消息;
                }
                if (查詢到知足條件的消息) {
                    if (還沒到該消息的執行時間) {
                        設置下一次輪詢的阻塞時間爲msg.when - now，最大不超過Integer.MAX_VALUE;
                    } else {
                        阻塞標識設置爲false;
                        取出該消息，重定向鏈表頭;
                        標記該消息爲在使用中;
                        return 該消息;
                    }
                } else {
                    沒有消息，設置下一次輪詢阻塞時間爲-1，不阻塞;
                }

                if (消息隊列退出了) {
                    釋放資源;
                    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 (第一次Idle事件) {
                    計算Idle監聽器數量;
                }
                if (沒有Idle監聽器) {
                    阻塞標識設置爲true;
                    continue;
                }

                生成Idle監聽對象;
            }

            for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
                通知Idle事件的監聽對象，根據標識來肯定這些監聽器是否繼續監聽。
            }

            設置Idle事件的標識爲不是第一次;

            調用了Idle監聽器以後，可能有新的消息進入隊列，因此下一次輪詢阻塞時間設置爲0;
        }
    }

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