Android異步消息機制-深入理解Handler、Looper和MessageQueue之間的關系
相信做安卓的很多人都遇到過這方面的問題，什么是異步消息機制，什么又是Handler、Looper和MessageQueue，它們之間又有什么關系？它們是如何協作來保證安卓app的正常運行？它們在開發中具體的使用場景是怎樣的？今天，就讓我們來揭開這幾個Android異步消息機制中重要角色的神秘面紗。
一、寫在前面
為什么要學習Android異步消息機制？和AMS、WMS、View體系一樣，異步消息機制是Android framework層非常重要的知識點，掌握了對于日常開發、問題定位和解決都是非常有幫助的，會使的我們開發事半功倍。而要想成為一個合格的Android開發人員，光是懂得調用Android提供的那些個api是不夠的，還要學會分析這些api背后的原理，知道它們是如果工作的，做到知其然亦知其所以然，如果不去學習技術背后的原理，只流于表面，這樣永遠都不會有進步，永遠都只是一個Android菜鳥。
二、源碼分析
1、主線程創建Looper
Android中主線程也就是我們所說的UI線程，可以簡單理解為所有的界面呈現，能看得到的操作，所有的觸摸、點擊屏幕、更新界面UI事件的處理，都是在主線程中完成的。一個線程只有一條執行路徑，如果主線程同時有多個事件要處理，那么是怎么做到有條不紊地處理的呢？接下來，以上提到的幾個角色就要登場了，就是Handler+Looper+MessageQueue這三個角色在起作用。
Looper是線程的消息輪詢器，是整個消息機制的核心，來看看主線程的Looper是如何創建的。
主線程開啟于 ActivityThread 的 main 方法中，來看一下 main 方法的源碼。
public static void main(String[] args) {
、、、
// 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();
}
、、、
}
Looper.prepareMainLooper() 這句代碼似乎為主線程創建 Looper，進入方法內部一探究竟。
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
sMainLooper = myLooper();
}
}
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));
}
果然在這個方法內部又調用 Looper.prepare(boolean) 方法為主線程創建 Looper 對象，存儲在 ThreadLocal 中，我們都知道，ThreadLocal 為每個線程創建一個副本，所以不同線程 set 的值不會被覆蓋，再次取出值時對應的是該線程 set 進去的值。接下來通過 Looper.myLooper() 拿到主線程的 Looper 讓Looper 的靜態變量sMainLooper持有，之后再想取主線程 Looper 通過 Looper.getMainLooper() 拿到
public static Looper getMainLooper() {
synchronized (Looper.class) {
return sMainLooper;
}
}
這樣，主線程的Looper就創建成功了，需要注意的是，無論是主線程還是子線程，Looper只能被創建一次，否則會拋異常，以上源碼可以很好地解釋。
2、子線程創建Looper
與主線程稍稍有點不一樣，子線程的Looper需要手動去創建，并且有些地方是需要注意的，下面讓我們一起來探究一下。
子線程創建Looper標準寫法是這樣的
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//創建子線程的Looper
Looper.prepare();
//開啟消息輪詢
Looper.loop();
}
}).start();
需要先創建子線程的Looper再開啟消息輪詢，否則Looper.loop()中會拋RuntimeException
public static void loop() {
final Looper me = myLooper();
if (me == null) {
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
、、、
}
這樣，主線程和子線程的Looper創建過程我們都知道了，有了Looper，我們就能開啟消息輪詢了嗎？不能，因為Looper只是消息輪詢器，就好比大廚，還需要食材才能烹飪，因此要想開啟消息輪詢，還需要消息的倉庫，消息隊列MessageQueue。
3、MessageQueue的創建
我們看看Looper的私有構造方法
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
可見在每個線程創建Looper的時候也創建了一個MessageQueue，并將MessageQueue對象作為該線程Looper的成員變量，這就是MessageQueue的創建過程。
4、開啟消息輪詢
有了Looper和MessageQueue之后就能開啟消息輪詢了，非常簡單，通過Looper.loop()
/**
* Run the message queue in this thread. Be sure to call
* {@link #quit()} to end the loop.
*/
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
final Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
final long slowDispatchThresholdMs = me.mSlowDispatchThresholdMs;
final long traceTag = me.mTraceTag;
if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
}
final long start = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
final long end;
try {
msg.target.dispatchMessage(msg);
end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
if (slowDispatchThresholdMs > 0) {
final long time = end - start;
if (time > slowDispatchThresholdMs) {
Slog.w(TAG, "Dispatch took " + time + "ms on "
+ Thread.currentThread().getName() + ", h=" +
msg.target + " cb=" + msg.callback + " msg=" + msg.what);
}
}
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();
}
}
在方法中可以看到有一個for(;;)死循環，該循環中又調用了MessageQueue的next()方法 ，進入方法一探究竟。
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;
}
}
該方法里面同樣有一個for(;;)死循環，當沒有可以處理該消息的Handler時，就會一直阻塞
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
// No idle handlers to run. Loop and wait some more.
mBlocked = true;
continue;
}
如果從MessageQueue中拿到消息，返回Looper.loop()中，loop()有以下片段
try {
msg.target.dispatchMessage(msg);
end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
可以很清楚看到Message是用它所綁定的Handler來處理的，調用dispatchMessage(Message)，這個Handler其實就是發送Message到MessageQueue時所用的Handler，在發送時綁定了。
Handler拿到消息之后會怎么處理呢，我們暫且擱一邊，先來看看Handler是怎么創建并發送消息的
5、創建Handler
可以繼承于Handler并重寫handleMessage()，實現自己處理消息的邏輯
private static class MyHandler extends Handler {
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
super.handleMessage(msg);
}
}
簡單地，可以在程序中這樣創建
MyHandler handler = new MyHandler();
需要注意的是，線程創建Handler實例之前必須先創建Looper實例，否則會拋RuntimeException
ublic 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;
}
Handler的消息處理邏輯同樣可以通過實現Handler的內部接口Callback來完成
public interface Callback {
public boolean handleMessage(Message msg);
}
Handler handler = new Handler(new Callback() {
@Override
public boolean handleMessage(Message msg) {
//處理消息
return true;
}
});
關于這兩種處理消息的方式哪個優先級更高，接下來會講到
6、Handler發送消息
首先可以通過類似以下的代碼來創建Message
Message message = Message.obtain();
message.arg1 = 1;
message.arg2 = 2;
message.obj = new Object();
Handler發送消息的方式多種多樣，常見有這幾種
sendEmptyMessage(); //發送空消息
sendEmptyMessageAtTime(); //發送按照指定時間處理的空消息
sendEmptyMessageDelayed(); //發送延遲指定時間處理的空消息
sendMessage(); //發送一條消息
sendMessageAtTime(); //發送按照指定時間處理的消息
sendMessageDelayed(); //發送延遲指定時間處理的消息
sendMessageAtFrontOfQueue(); //將消息發送到消息隊頭
也可以在設置Handler之后，通過message自身發送消息，不過最終都是調用Handler發送消息的方法
message.setTarget(handler);
message.sendToTarget();
public void sendToTarget() {
target.sendMessage(this);
}
除此之外，還有一種另類的發送方式
post();
postDelayed();
postAtTime();
postAtFrontOfQueue();
以post(Runnable r)為例，此種方式是通過post一個Runnable回調，構造成一個Message并發送
public final boolean post(Runnable r) {
return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}
private static Message getPostMessage(Runnable r) {
Message m = Message.obtain();
m.callback = r;
return m;
}
Runnable回調存儲在Message的成員變量callback中，callback的作用，接下來會講到
以上是消息的發送方式，那么消息是如何發送到MessageQueue的呢，再來看
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);
}
所有的消息發送方式最終都是調用 Handler 的 sendMessageAtTime()，并且會檢查消息隊列是否為空，若空則拋 RuntimeException，之后調用 Handler 的 enqueueMessage() ，最后調用MessageQueue 的 enqueueMessage() 將消息入隊。
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;
}
該方法根據消息的處理時間來對消息進行排序，最終確定哪個消息先被處理
至此，我們已經很清楚消息的創建和發送以及消息輪詢過程了，最后來看看消息是怎么被處理的
7、消息的處理
回到Looper.loop()中的這一句代碼
msg.target.dispatchMessage(msg);
消息被它所綁定的Handler的dispatchMessage()處理了
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
由此可見，消息處理到底采用哪種方式，是有優先級區分的
首先是post方法發送的消息，會調用Message中的callback，也就是Runnable的run()來處理
private static void handleCallback(Message message) {
message.callback.run();
}
其次則是看Handler在創建時有沒有實現Callback回調接口，若有，則調用
mCallback.handleMessage(msg)
如果該方法沒能力處理，則返回false，讓給接下來處理
最后才是調用Handler的handleMessage()
三、總結
- 熟悉消息機制幾個角色的創建過程，先有
Looper，再有MessageQueue，最后才是Handler。 - 熟悉線程中使用消息機制的正確寫法，以及消息的創建和發送。
- 一個線程可以有多個
Handler，這些Handler無論在哪里發送消息，最終都會在創建其的線程中處理消息，
這也是能夠異步通信的原因。 - Android 提供的
AsyncTask、HandlerThread等等都用到了異步消息機制。
最后借用一張圖說明Android異步消息機制
四、寫在最后
至此，Android 異步消息機制就講解完畢了，有木有一種醍醐灌頂的感覺，哈哈~~~~，這篇文章涉及到的源碼不難，非常好理解，關鍵還是要自己去閱讀源碼，理解其原理，做到知其然亦知其所以然，這個道理對于大部分領域的學習都適用吧，要知道，Android發展到現在，技術越來越成熟，早已不是那個寫幾個界面就能拿高薪的時代了，市場對于Android 工程師的要求越來越高，這也提醒著我們要跟上技術發展的步伐，時刻學習，避免被淘汰。
由于水平有限，文章可能會有不少紕漏，還請讀者能夠指正，Android SDK 源碼的廣度和深度也不是小小篇幅能夠概括的，未能盡述之處，還請多多包涵。
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