深刻理解Message, MessageQueue, Handler和Looper

作過Android的都知道Message, MessageQueue, Handler和Looper，但知道不表明你理解它們。有時以爲用得很順手，但Android怎麼實現又說不上來，總以爲似懂非懂。不把它們攻破實在渾身不舒服。

先讓咱們一句話總結，再開始分析。

Looper不斷獲取MessageQueue中的一個Message，而後交給Hanlder處理。

其實Message和Runnable能夠一併壓入MessageQueue中，造成一個集合，後面將有所體現。

本文所涉及的代碼文件以及路徑：

frameworks/base/core/java/android/os/Hanlder.java

frameworks/base/core/java/android/os/Message.java

frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java

frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java

frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java

frameworks/base/core/jni/android_os_MessageQueue.cpp

一、Message

android.os.Message定義了消息必要的描述和屬性數據。

public final class Message implements Parcelable {
    public int what;
    public int arg1;
    public int arg2;
    public Object obj;
    public Messenger replyTo;
    Bundle data;
    Handler target;
    Runnable callback;
    ......
}

請注意裏面的target和callback，後面將對此進行關聯。其中arg1和arg2是用來存放整型數據的，what用來保存消息標識，obj是Object類型的任意對象，replyTo是消息管理器，會關聯到一個handler。一般Message對象不是直接new出來，只要調用handler中的obtainMessage方法來直接得到Message對象。這也是Android推薦的作法。

/**
 * Return a new Message instance from the global pool. Allows us to
 * avoid allocating new objects in many cases.
 */
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();
}

你看，若是池中沒有才會new一個Message。

二、MessageQueue

MessageQueue是一個final class，用來存放消息的消息隊列，它具備隊列的常規操做，包括：

• 新建隊列

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

• private native static long nativeInit();

  由代碼能夠看出，由構造函數和本地方法nativeInit()組成。其中，nativeInit()會在本地建立一個NativeMessageQueue對象，而後賦給MessageQueue中的成員變量，這一系列經過內存指針進行。

• static jlong android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz) {
      NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = new NativeMessageQueue();
      if (!nativeMessageQueue) {
          jniThrowRuntimeException(env, "Unable to allocate native queue");
          return 0;
      }
  
      nativeMessageQueue->incStrong(env);
      return reinterpret_cast<jlong>(nativeMessageQueue);
  }

• 元素入隊

• boolean enqueueMessage(Message msg, long when)

• 元素出隊

• Message next()

• 元素刪除

• void removeMessages(Handler h, Runnable r, Object object)

  void removeMessages(Handler h, int what, Object object)

• 銷燬隊列

• // Disposes of the underlying message queue.
  // Must only be called on the looper thread or the finalizer.
  private void dispose() {
      if (mPtr != 0) {
          nativeDestroy(mPtr);
          mPtr = 0;
      }
  }

  銷燬隊列也須要用到本地方法，此處就不展開了。

三、Handler

Handler做爲消息處理者，一是處理Message，二是將某個Message壓入MessageQueue中。Handler類中持有MessageQueue和Looper成員變量（後面再體現它們的做用）：

public class Handler {
    final MessageQueue mQueue;
    final Looper mLooper;
    final Callback mCallback;
    final boolean mAsynchronous;
    IMessenger mMessenger;
    ......
}

先讓咱們focus Handler如何處理Message

public void dispatchMessage(Message msg)

public void handleMessage(Message msg)

一個對Message進行分發，一個對Message進行處理。

還記得開始的一句話總結麼？Looper從MessageQueue中取出一個Message後，首先會調用Handler.dispatchMessage進行消息分發。這裏雖然還沒涉及Looper的討論，但能夠先給出消息分發的代碼，具體在Looper類的loop方法中

public static void loop() {
    ......
    for (;;) {
        ......
        msg.target.dispatchMessage(msg);
        ......
    }
}

好，回到Handler的dispatchMessage方法

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

經過代碼得知，默認狀況下Handler的派發流程是：

• 若是Message中的callback不爲空，經過callback來處理（開頭咱們提到Message中有一個callback）
• 若是Handler的mCallback不爲空，經過mCallback來處理
• 若是上面兩個都爲空，才調用handleMessage來處理

其中mCallback爲

public interface Callback {
    public boolean handleMessage(Message msg);
}

而通常狀況下，咱們就是經過直接new Handler的方式重寫handleMessage來處理Message，這個Handler就是消息處理責任人。

/**
 * Subclasses must implement this to receive messages.
 */
public void handleMessage(Message msg) {
}

接着，Handler第二個做用是將某個Message壓入MessageQueue中。你們注意沒有，Message是Handler處理，而Message也是Handler壓入到MessageQueue中，既然這樣，爲何不直接執行？其實這樣是體現程序設計的有序性，若是事件優先級較小，就須要排隊，不然立刻處理。

將Message壓入到MessageQueue中，能調用的主要的方法有：

public final boolean post(Runnable r)

public final boolean postDelayed(Runnable r, long delayMillis)

public final boolean sendMessage(Message msg)

public final boolean sendEmptyMessage(int what)

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);
}

post系列的方法會調用相應的sendEmptyMessage、sendEmptyMessageDelayed等方法，最終進入sendMessageAtTime中，而後調用enqueueMessage，把Message壓入隊列中。

因爲post方法的參數是Runnable對象，因此Hander內部提供了getPostMessage方法把Runnable對象轉化爲Message

private static Message getPostMessage(Runnable r) {
    Message m = Message.obtain();
    m.callback = r;
    return m;
}

最終，Handler造成了一個循環：Handler->MessageQueue->Message->Handler

四、Looper

Looper也是一個final class，而且持有一個MessageQueue，MessageQueue做爲線程的消息存儲倉庫，配合Handler, Looper一塊兒完成一系列操做。值得注意的是，還有一個final Thread和一個final ThreadLocal<Looper>的成員變量，其中ThreadLocal負責建立一個只針對當前線程的Looper及其它相關數據對象，其它線程沒法訪問。

Looper類中的註釋還給了一個使用Looper的普通線程範例：

/*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();
  *      }
  *  }
*/

其實就是三個步驟：

• Looper.prepare()準備工做
• 建立消息處理的handler
• 調用Looper.loop()進入消息循環

看起來簡單吧？但是你能看出mHandler是怎樣把消息投遞到Looper所管理的MessageQueue中的麼？Looper在何時建立呢？

先看一下Looper.prepare()到底作了什麼事情

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));
}

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

首先經過sThreadLocal.get()判斷保證一個Thread只能有一個Looper實例，最後new Looper完成Looper的實例化。同時MessageQueue就在Looper的構造函數中建立出來。

再來看handler的建立。還記得前面提到的Handler類中的成員變量麼？Handler中就持有一個Looper，這樣一來，Handler就和Looper關聯起來了。Handler一共有7個構造函數，看其中一個：

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;
}

Looper中的myLooper()

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

這樣一來，Handler中的構造函數經過Looper.myLooper()獲取當前線程中的Looper實例，實際上就是Looper中的sThreadLocal.get()調用；而後把mLooper.mQueue賦給Handler的mQueue，最終Handler, Looper和MessageQueue就聯繫起來了。後續Handler執行post/send系列的方法時，會將消息投遞給mQueue，也就是mLooper.mQueue中。一旦Looper處理到消息，它又從中調用Handler來進行處理。

最後看Looper.loop()。

它有兩個做用，一是建立處理消息的環境；二是循環處理消息。

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();
    }
}

由前面得知，myLooper()就是調用sThreadLocal.get()來獲取與之匹配的Looper實例。me.mQueue驗證了每個Looper中都自帶了一個MessageQueue。進入for循環後，開始從MessageQueue中取出一個消息（可能會阻塞），若是當前消息隊列中沒有Message，線程退出；不然分發消息。msg.target.dispatchMessage(msg)中的target就是一個Handler。最後消息處理完畢，進行回收。

平時咱們在Activity中使用Handler處理Message時，爲何看不到Looper呢？這隻能說Android偷偷爲咱們作了一些背後的工做。好了，UI線程要上場了。

五、ActivityThread

沒錯，ActivityThread就是咱們熟悉的UI線程，它在應用程序啓動的時候由系統建立出來。先來看一下這個UI線程的main函數

public static void main(String[] args) {
        ......
        Looper.prepareMainLooper();

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

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

        ......
        Looper.loop();

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

有兩點與普通線程不同的地方。

普通線程只要prepare就能夠了，而主線程使用的是prepareMainLooper；普通線程生成一個與Looper綁定的Handler對象就行，而主線程是從當前線程中獲取Handler（thread.getHandler()）。

public static void prepareMainLooper() {
    prepare(false);
    synchronized (Looper.class) {
        if (sMainLooper != null) {
            throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
        }
        sMainLooper = myLooper();
    }
}

其實prepareMainLooper也是調用prepare，只是不讓該線程退出。通過prepare後，myLooper()就獲得一個本地線程<ThreadLocal>的Looper對象，而後賦給sMainLooper，也就是UI線程的Looper。若是其它線程想得到主線程的Looper，只需調用getMainLooper()。

public static Looper getMainLooper() {
    synchronized (Looper.class) {
        return sMainLooper;
    }
}

再來看thread.getHandler()。

其實ActivityThead內部有一個繼承Handler的H類

private class H extends Handler {
    ......
    public void handleMessage(Message msg) {
        ......
    }
    ......
}

final H mH = new H();

因此thread.getHandler()返回的就是mH，這樣ActivityThread也有一個Handler處理各類消息了。

總結一下。

• 每一個Thread只對應一個Looper
• 每一個Looper只對應一個MessageQueue
• 每一個MessageQueue有N個Message
• 每一個Message最多指定一個Handler來處理

而Thread和Handler是一對多的關係。

 

到這裏，是否是對Message, MessageQueue, Handler和Looper有了更深的認識呢？

 

參考：

《深刻理解Android內核設計思想》 林學森 編著