Android消息机制：Handler浅析
Android的消息机制主要是指Handler的运行机制，Handler的运行需要底层的MessageQueue和Looper的支撑。Android规定访问UI只能在主线程进行，如果在子线程中访问UI，程序会抛出异常，Handler的主要作用就是将一个任务切换到某个指定线程中去执行。如在子线程获取网络数据，再更新页面UI就需要用到handler机制。
Handler主要涉及到四个类：Handler，Message，MessageQueue和Looper
MessageQueue
MessageQueue就是消息队列，但是其内部实现其实并不是队列，而是通过单链表的数据结构来维护消息列表。MessageQueue主要包含插入和读取两个操作，读取操作本身又伴随这删除操作。插入对应的方法是enqueueMessage，读取对应的方法是next。enqueueMessage就是往消息队列中插入一条消息，next是从消息队列中读取一条消息并移除它。
enqueueMessage源码如下：
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
//msg.target就是处理消息的handler
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.
//唤起线程
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
enqueueMessage方法返回一个布尔值，消息成功插入消息队列返回true。方法体内先判断msg.target是不是为空，msg.target其实就是处理消息的handler，handler为空自然就处理不了消息。再判断消息是不是已经被处理了，从这个判断可以得出消息不能被重复处理。接下来的操作就是单链表的插入操作，就不再赘述。如果线程是当前是堵塞状态，最后还会唤起线程。
next方法源码如下：
Message next() {
......
int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
int nextPollTimeoutMillis = 0;
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
//阻塞方法，主要是通过native层的epoll监听文件描述符的写入事件来实现的。
//nextPollTimeoutMillis=-1，一直阻塞不会超时。
//nextPollTimeoutMillis=0，不会阻塞，立即返回。
//nextPollTimeoutMillis>0，最长阻塞nextPollTimeoutMillis毫秒(超时)，如果期间有程序唤醒会立即返回。
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.
//msg.target == null表示此消息为消息屏障（通过postSyncBarrier方法发送来的）
//如果发现了一个消息屏障，会循环找出第一个异步消息（如果有异步消息的话），所有同步消息都将忽略（平常发送的一般都是同步消息)
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.
//如果消息还没有到时间，会设置一个阻塞时间
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.
//没有消息，一直阻塞
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
// Process the quit message now that all pending messages have been handled.
//消息队列被标记为退出状态，返回null
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
......
}
......
}
}
next方法是一个无限循环，如果消息队列中没有消息，next方法就会一直阻塞。有新消息时，将新消息返回并移除这条消息。当消息队列被标记为退出状态时，返回null，这里先卖一个关子，这个null会在文章后面讲到。
Looper
Looper在Android消息机制扮演消息循环的角色，会不停的去MessageQueue中查看是否有新消息，如果有就立即处理，没有的话就会一直堵塞在那边。
Looper的构造函数：
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
构造函数中会新建一个MessageQueue，然后将当前的线程对象保存起来。
大家都知道创建Handler之前必须要现在线程中创建一个Looper对象，不然会报错。创建Looper对象也很简单，直接调用Looper.prepare()就可以了，创建Looper对象之后还不能实现消息循环，必须再调用loop()方法来开启消息循环。读到这里可能会有困惑，为什么在主线程创建Handler不需要我们自己创建Looper对象？答案就在ActivityThread里：
public static void main(String[] args) {
...
Looper.prepareMainLooper();
...
ActivityThread thread = new ActivityThread();
thread.attach(false, startSeq);
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");
}
从源码中可以看到在主线程启动时就已经调用了Looper.prepareMainLooper()方法，该方法是Looper提供给主线程使用的，接下来又调用了 Looper.loop()开启消息循环。这就是为什么我们在主线程创建Handler时不需要的自己创建Looper对象的原因。
再回过头来开子线程创建Handler的流程：
thread {
Looper.prepare()
val handler = Handler(object : Handler.Callback {
override fun handleMessage(msg: Message): Boolean {
doSomething()
}
})
Looper.loop()
}
首先创建一个Looper对象，接着创建Handler，然后再开启循环。（如上为了方便用kotlin代码进行举例）
Looper提供了创建对象的方法之外还提供了quit和quitSafely方法，两个方法的唯一区别就是quit会立即退出，quitSafely会等消息队列中所有的消息处理完成之后再退出。退出之后Handler的send方法会返回false。不建议在主线程中调取quit方法，因为会立即结束主线程。当子线程中，应当在处理完所有消息之后调取quit方法来结束当前线程。
Looper中最重要的方法就是loop方法，源码如下：
public static void loop() {
...
for (;;) {
Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
...
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);
}
}
...
msg.recycleUnchecked();
}
}
loop方法也比较好理解，他也是一个无限循环的方法。for循环中会调取MessageQueue的next方法，在之前说过next是一个阻塞方法，所以当消息队列中没有消息的时候，会一直阻塞在这里，唯一跳出循环的方式就是next方法返回了null，这里就是解答了之前在讲MessageQueue的时候为什么要返回null。当Looper调quit方法的时候，Looper就会调用MessageQueue的quit方法，然后MessageQueue的next方法就会返回null，这样loop方法才能跳出无限循环。当loop拿到了消息之后就会调用msg.target.dispatchMessage(msg)「msg.target前面讲到过就是发送这条消息的Handler」将消息交给Handler来处理了。这里需要注意的是Handler的dispatchMessage是在创建Handler时所使用的Looper中执行的，这就就成功的切换到指定线程中去执行了。
Handler
Handler的作用主要是消息发送以及接收。消息发送可以通过一系列的post方法和一系列的send方法，其实post方法到最后都是通过send方法来进行发送。
public boolean sendMessageAtTime(@NonNull 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(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
long uptimeMillis) {
msg.target = this;
msg.workSourceUid = ThreadLocalWorkSource.getUid();
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
查看源码发现到最后都是通过MessageQueue的enqueueMessage将消息插入到消息队列中。之后Looper就会调用MessageQueue的next方法拿到消息，然后就进入了下一个Handler处理消息的阶段，调用Handler的dispatchMessage方法。源码如下：
public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
1.先判断msg的callback是不是为null，这个callback对象其实就是handler发送消息时调用post方法所传递的Runnable参数，不为空就调用handleCallback方法处理。
private static void handleCallback(Message message) {
message.callback.run();
}
handleCallback方法也很简单，直接执行Runnable的run方法。
2.其次检查mCallback是否为null，部位null调用mCallback的handleMessage方法，查看源码mCallBack其实是一个CallBack接口，CallBack具体如下：
public interface Callback {
/**
* @param msg A {@link android.os.Message Message} object
* @return True if no further handling is desired
*/
boolean handleMessage(@NonNull Message msg);
}
mCallBack通过构造函数传入,当你不想创建继承自Handler的派生类时，就可以通过该构造方法直接传入一个Callback参数来实现消息处理。
val handler = Handler(object :Handler.Callback{
override fun handleMessage(msg: Message): Boolean {
...
})
3.最后调用Handler的handleMessage来处理消息
处理消息的流程图大致如下：
image.png
额外注意点：
- 消息机制里需要频繁创建消息对象（Message），因此消息对象需要使用享元模式来缓存，以避免重复分配 & 回收内存。具体来说，Message 使用的是有容量限制的、无头节点的单链表的对象池，创建Message的时候最好用Handler的obtainMessage来进行创建，尽量避免使用new Message()来创建造成内存抖动
2.在子线程中创建Handler时一定要先创建Looper对象，然后调用loop方法开启循环
3.尽量使用弱持有来创建Handler对象
思考：
1.一个线程可以创建几个Looper？
2.MessageQueue是否线程安全？如果是 怎么保证？
3.Looper在主线程中死循环，为啥不会ANR？
4.Handler会造成内存泄漏吗？为什么？怎么解决？
