Android的消息机制Handler、MessageQueue
参考：《Android开发艺术探索》，https://www.jianshu.com/p/8656bebc27cb
一、概述
Android 的消息机制就要是指Handler的运行机制，以及的MesageQueue和Lopper的工作过程。
Handler的主要作用是将一个任务切换到某个指定的线程中去执行。可以在当前线程的来创建Handler，会从threlocal里边取值，直接使用当前线程的Lopper，也可以在一个有Looper的线程中创建Handler。Handler通过post的方法将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，这个消息同样会在Looper中处理。
send方法被调用时，会调用MessageQueue的enqueueMesage方法将这个消息翻入消息队列，Looper发现消息到来时，就会处理这个消息。最终消息中的Runnable或者Handler的handleMessage就会被调用，Looper是运行在创建Handler所在的线程中，Handler中的业务逻辑就被切换到创建Handler所在的线程中去执行了。
image.png
二、Message
Message代表一个行为（what）或者一串动作（Runnable）,每一个消息在加入消息队列时，都有明确的目标Handler。
三、ThreadLocal
存储本线程的Lopper。提供线程内的局部变量（TLS），这种变量在线程的生命周期内起作用，每一个线程有他自己所属的值（线程隔离）。所操作的对象都是当前线程的localValues对象的table数组，因此可以在多个线程中互不干扰的存储和修改数据。
四、MessageQueue的工作原理
存储消息的队列，虽然叫做队列，但是内部实现并不是用的队列，而是通过单链表的数据结构来维护消息队列。对外提供插入和读取操作，enqueueMessage是往消息队列中插入一条消息，next的作用是从消息队列中取出一条消息并将其从消息队列中移除。
Message next() {
final long ptr = mPtr;
if (ptr == 0) {
return null;
}
int pendingIdleHandlerCount = -1;
int nextPollTimeoutMillis = 0;
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
Message msg = mMessages;
if (msg != null && msg.target == null) {
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
if (msg != null) {
if (now < msg.when) {
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
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 {
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
if (pendingIdleHandlerCount < 0
&& (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
}
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
mBlocked = true;
continue;
}
if (mPendingIdleHandlers == null) {
mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
}
mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
}
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);
}
}
}
pendingIdleHandlerCount = 0;
nextPollTimeoutMillis = 0;
}
}
next是一个无限循环的方法，如果是队列中没有消息，next方法就会阻塞。当有新消息到来，就会返回这条消息到Lopper的loop方法中，并将消息从单列表中移除。
五、Looper的工作原理
消息循环器，不停地从MessageQueue中看是否有消息，有消息就会立马处理，否则一直阻塞在那里。在构造函数里边创建一个MessageQueue，并且保存保存当前线程的对象。
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
Looper.prepare()为当前线程创建Looper。接着通过Looper.loop()来开启消息循环。
HandlerThread是已经带有Looper的线程。在run方法里边也会也是通过此方法创建并开启循环。
public void run() {
mTid = Process.myTid();
Looper.prepare();
synchronized (this) {
mLooper = Looper.myLooper();
notifyAll();
}
Process.setThreadPriority(mPriority);
onLooperPrepared();
Looper.loop();
mTid = -1;
}
还提供了Looper.prepareMainLooper给主线程的也就是ActivityThread创建Lopper使用，其本质也是通过prepare方法实现。并且主线程的Looper是不应许退出的。
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);//创建的时候不应许退出
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
sMainLooper = myLooper();
}
}
Lopper.getMainLopper可以在任何地方获取到主线程的Lopper。
Looper可以退出，提供了quie和quitSafely方法：
- quite：直接退出Lopper
- quiteSafely:设定退出标记，等消息队列中的消息全部处理完毕才安全退出。
Looper退出后发送消息会失败，send放回false。
如果是在子线程中创建了Looper,要在事情处理完之后调用quite方法来终止循环，否则子线程一直处于等待状态。退出后这个线程就终止了。
public static void loop() {
final Looper me = myLooper();
if (me == null) {
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
if (me.mInLoop) {
Slog.w(TAG, "Loop again would have the queued messages be executed"
+ " before this one completed.");
}
me.mInLoop = true;
final MessageQueue queue = me.mQueue;
Binder.clearCallingIdentity();
final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
final int thresholdOverride =
SystemProperties.getInt("log.looper."
+ Process.myUid() + "."
+ Thread.currentThread().getName()
+ ".slow", 0);
boolean slowDeliveryDetected = false;
for (;;) {//没消息的时候会阻塞，因为在queue的next中阻塞了
Message msg = queue.next();
if (msg == null) {
return;
}
final Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
final Observer observer = sObserver;
final long traceTag = me.mTraceTag;
long slowDispatchThresholdMs = me.mSlowDispatchThresholdMs;
long slowDeliveryThresholdMs = me.mSlowDeliveryThresholdMs;
if (thresholdOverride > 0) {
slowDispatchThresholdMs = thresholdOverride;
slowDeliveryThresholdMs = thresholdOverride;
}
final boolean logSlowDelivery = (slowDeliveryThresholdMs > 0) && (msg.when > 0);
final boolean logSlowDispatch = (slowDispatchThresholdMs > 0);
final boolean needStartTime = logSlowDelivery || logSlowDispatch;
final boolean needEndTime = logSlowDispatch;
if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
}
final long dispatchStart = needStartTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
final long dispatchEnd;
Object token = null;
if (observer != null) {
token = observer.messageDispatchStarting();
}
long origWorkSource = ThreadLocalWorkSource.setUid(msg.workSourceUid);
try {
msg.target.dispatchMessage(msg);
if (observer != null) {
observer.messageDispatched(token, msg);
}
dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
} catch (Exception exception) {
if (observer != null) {
observer.dispatchingThrewException(token, msg, exception);
}
throw exception;
} finally {
ThreadLocalWorkSource.restore(origWorkSource);
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
if (logSlowDelivery) {
if (slowDeliveryDetected) {
if ((dispatchStart - msg.when) <= 10) {
Slog.w(TAG, "Drained");
slowDeliveryDetected = false;
}
} else {
if (showSlowLog(slowDeliveryThresholdMs, msg.when, dispatchStart, "delivery",
msg)) {
slowDeliveryDetected = true;
}
}
}
if (logSlowDispatch) {
showSlowLog(slowDispatchThresholdMs, dispatchStart, dispatchEnd, "dispatch", msg);
}
if (logging != null) {
logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
}
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，唯一的退出方法是MessageQueue的next方法返回null。Looper的quit方法被调用时，Looper会调用MessageQueue的quit或者是quiteSafely方法通知其退出，消息队列被标记为退出状态时，next方法就会返回null。这样就可以退出，不再无线循环下去了。
loop方法调用了MessaeQueue的next方法，在没有消息时，next方法会阻塞，也导致了loop方法也一直阻塞。
next方法返回了新消息，就会Lopper就会处理：msg.target.dispatchMessage(msg)。msg.target就是发送这条消息的Handler对象。但是dispatchMessage是在创建Handler时使用的Looper中执行，所以最终会在MessageQueue，Looper对应的线程中执行，这样就成功的切换了线程。
六、Handler的工作原理
Handler主要工作数消息的发送和接收过程。
- 发送消息：可以post一个Runable或者send一个Message。
- 接收消息：Lopper收到消息后会交给Handler处理。dispatchMessage方法会被调用
public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
先检查msg.callback是否为空。msg.callback是Ruanble,会优先处理。
再次判断mCallback 是否为null，不为空就调用其handleMessage方法，CallBack是一个接口，我们实现handleMessage方法就能处理我们收到的消息了。
最后调用Handler的handleMessage方法来处理消息。
七、postSyncBarrier同步屏障
postSyncBarrier 创建了一个Message对象并加入到了消息链表中，该Message没有target。
设置了同步屏障之后，Handler只会处理异步消息。异步消息的优先级要高于同步消息。
创建Handler时，sync参数传true，就能发送异步消息了。
同步屏障为Handler消息机制增加了一种简单的优先级机制。
Android应用框架中为了更快的响应UI刷新事件在ViewRootImpl.scheduleTraversals中使用了同步屏障。
八、Native实现
Looper 通过 epoll 监听 eventfd，epoll_wait(）阻塞。（eventfd 是linux内核一个计数器，主要用于进程间或者线程间，高效的事件通知）
enqueueMessage() 插入消息后，会调用 nativeWake() -> Looper.wake() -> write()，epoll_wait() 便会返回
MessageQueue 取出⼀条消息，比较 when>now，则跳过，同时给 timeoutMillis 赋值，这个值会在 native 的epoll_wait 中使用，阻塞 timeoutMillis 时间后会再次返回。
九、IdleHandler
监听消息队列空闲，在消息队列空闲的时候被调用。可用于启动优化。
十、总结
post() or send()->enqueueMesage()->loop()->queue.next()->msg.target.dispatchMessage()->msg.callBack()在Looper的线程中执行，enqueueMesage和next是同步的
每个Thread只对应一个Looper和一个MessageQueue（一对一）。
每个MessageQueue中有N个待处理消息（一对N）。
每个Message有且仅有一个对应的Handler。（一对一）。
Handler中持有Looper和MessageQueue的引用，可直接对其进行操作。
