Android消息机制
Android的消息机制主要是指的Handler的运行机制以及Handler所附带的MessageQueue和Looper的工作过程，这三者实际上是一个整体，但在日常开发过程中我们更多的接触到的是Handler。
从开发的角度来看，Handler是Android消息机制的上层接口，通过它我们可以轻松的将一个任务切换到Handler所在的线程中去执行。MessageQueue的中文翻译是消息队列，内部采用单链表的数据结构来存储消息列表。Looper的中文翻译是循环，这里可以理解为消息循环。由于MessageQueue只是一个消息的存储单元，它不能去处理消息，而Looper就填补了这个功能，Looper会以无限循环的形式去查找是否有新消息，如果有的话就处理消息，否则就一直等待着。Looper中还有一个特殊的概念：ThreadLocal，当我们调用Looper.prepare()方法创建Looper时，就对使用到它。ThreadLocal并不是线程，它的作用是可以在每个线程中存储数据，在Handler内部就是通过ThreadLocal来获取每个线程的Looper的，关于ThreadLocal的概念可以通过Android之ThreadLocal进行了解。
接下来再讲一下Handler、MessageQueue和Looper是如何协同工作的，首先当Handler的send方法被调用时，它会调用MessageQueue的enqueueMessage方法将这个消息放入消息队列中，然后Looper发现有新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方法就会被调用。注意Looper是运行在创建Handler所在的线程中的，这样一来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，以下是这个过程的图解：
Handler的工作过程
为了更好的理解Handler、MessageQueue和Looper是如何协同工作的，下面分别从源码对它们的工作原理进行一个简单的剖析：
1. MessageQueue
即消息队列，MessageQueue主要包含两个操作：插入和读取。读取本身会伴随着删除操作，插入和读取对应的方法分别是enqueueMessage和next，其中MessageQueue的作用是往消息队列中插入一条消息，而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。虽然MessageQueue叫消息队列，但它内部实现并不是用的队列，而是一个单链表的数据结构，因为单链表在插入和删除上比较有优势。下面先来看一下它的的enqueueMessage方法：
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;
}
从enqueueMessage的实现来看，它的主要操作其实就是单链表的插入操作，这里就不再过多解释了，下面看一下next方法的实现：
Message next() {
...
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;
}
...
}
}
可以发现next方法是一个无限循环的方法，如果消息队列中没有消息，那么next方法会一直阻塞在这里。当有新消息到来时，next方法会返回这条消息并将其从单链表中移除。
2. Looper
Looper在Android的消息机制中扮演着消息循环的角色，具体来说就是它会不停地从MessageQueue中查看是否有新消息，如果有新消息就会立刻处理，否则就一直阻塞在哪里。首先来看一下它的构造方法，在构造方法中它会创建一个MessageQueue即消息队列，然后将当前线程的对象保存起来，如下所示：
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
Handler的工作需要Looper，没有Looper的线程就会报错，创建Looper可以通过Looper.prepare()为当前线程创建一个Looper，然后通过Looper.loop()来开启循环，如下所示：
new Thread("Thread#2") {
@Override
public void run() {
Looper.prepare();
Handler handler = new Handler();
Looper.loop();
}
}.start();
Looper除了prepare方法外，还提供了prepareMainLooper方法，这个方法主要是给主线程也就是ActivityThread创建Looper使用的，其本质也是通过prepare方法来实现的。prepare方法实现如下：
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));
}
逻辑很简单，就是判断当前线程中是否已经创建过Looper了，如果创建过了则会抛出RuntimeException运行时异常，否则就创建一个Looper。这里的sThreadLocal是一个ThreadLocal对象，是一个线程内部的数据存储类，详解见：Android之ThreadLocal，这里就不展开了。
由于主线程的Looper比较特殊，所以Looper提供了一个getMainLooper方法，通过它可以在任何地方获取到主线程的Looper。Looper是可以退出的，Looper提供了quit和quitSafely来退出一个Looper，二者的区别是：quit会直接退出Looper，而quitSafely只是设定一个退出标记，然后把消息队列中的已有消息处理完毕后才安全地退出。Looper退出后，通过Handler发送的消息会失败，这个时候Handler的send方法会返回false。在子线程中，如果手动为其创建了Looper，那么在所有事情完成以后应该调用quit方法来终止消息循环，否则这个子线程会一直处于等待状态，而退出Looper以后，这个线程就会立刻终止，因此建议在不需要的时候终止Looper。
Looper最重要的一个方法是loop方法，只有调用了loop后，消息循环系统才会真正地起作用，它的实现如下所示：
/**
* 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();
}
}
Looper的loop方法的工作过程也比较好理解，loop方法是一个死循环，唯一跳出循环的方式是MessageQueue的next方法返回了null。当Looper的quit方法被调用时，Looper就会调用MessageQueue的quit方法或quitSafely方法来通知消息队列退出，当消息队列被标记为退出状态时，它的next方法就会返回null。也就是说Looper必须退出，否则loop方法就会无限循环下去。loop方法会调用MessageQueue的next方法来获取新消息，而next是一个阻塞操作，当没有消息时，next方法会一直阻塞在那里，这也导致loop方法一直阻塞在那里。如果MessageQueue的next方法返回了新消息，Looper就会处理这条消息： msg.target.dispatchMessage(msg)，这里的msg.target是发送这条消息的Handler对象，这样Handler发送的消息最终又交给它的dispatchMessage方法来处理了。但是这里不同的是，Handler的dispatchMessage方法是在创建Handler时所使用的Looper中执行的，这样就成功的将代码逻辑切换到指定的线程中去执行了。
3.Handler
Handler的工作主要包含消息的发送和接收过程。消息的发送可以通过post的一系列方法以及send的一系列方法来实现，post的一系列方法最终是通过send的一系列方法来实现的。发送一条消息的典型过程如下所示：
public final boolean sendMessage(Message msg)
{
return sendMessageDelayed(msg, 0);
}
public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
{
if (delayMillis < 0) {
delayMillis = 0;
}
return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}
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);
}
可以发现，Handler发送消息的过程仅仅是向消息队列插入了一条消息，MessageQueue的next方法就会返回这条消息给Looper，Looper收到消息后就开始处理了，最终消息由Looper交由Handler处理，即Handler的dispatchMessage方法会被调用，这时Handler就进入了处理消息的阶段。dispatchMessage的实现如下所示：
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
Handler处理消息的过程如下：
首先，检查Message的callback是否为null，不为null就通过handleCallback来处理消息。Message的callback是一个Runnable对象，实际上就是Handler的post方法所传递的Runnable参数。handleCallback的逻辑很简单，如下所示：
private static void handleCallback(Message message) {
message.callback.run();
}
其次，检查mCallback是否为null，不为null就调用mCallback的handleMessage方法来处理消息。Callback是一个接口，它的定义如下：
/**
* Callback interface you can use when instantiating a Handler to avoid
* having to implement your own subclass of Handler.
*
* @param msg A {@link android.os.Message Message} object
* @return True if no further handling is desired
*/
public interface Callback {
public boolean handleMessage(Message msg);
}
通过Callback可以采用如下方式来创建Handler对象：Handler handler = new Handler(callback)。通过源码里的注释我们可以知道：Callback可以用来创建一个Handler实例但不需要派生Handler的子类。在日常开发中，创建Handler最常见的方式就是派生一个Handler的子类并重写其handleMessage方法来处理具体的消息，而Callback给我提供了另外一种使用Handler的方式，当我们不想派生子类时，就可以通过Callback来实现。
最后，调用Handler的handleMessage方法来处理消息。Handler处理消息的过程可以归纳为如下流程图：
Handler消息处理流程图
Handler还有一个特殊的构造方法，可以通过一个特定的Looper来构造Handler，它的实现如下所示。通过这个构造方法可以实现一些特殊的功能。
public Handler(Looper looper) {
this(looper, null, false);
}
下面看一下Handler的一个默认构造方法public Handler()，这个构造方法会调用下面的构造方法。很明显，如果当前线程没有Looper的话，就会抛出"Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()"这个异常，这也解释了在没有Looper的子线程中创建Handler会引发程序异常的原因。
public 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;
}
示例
讲了那么多，举一个简单的例子来把他们串起来：
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
private static final String TAG = "MainActivity";
//创建handler
final Handler mHandler = new Handler(new Handler.Callback() {
@Override
public boolean handleMessage(Message msg) {
String s = (String) msg.obj;
Log.d(TAG, "处理消息： " + s);
return true; //返回true就不会执行Handler自己的handleMessage方法了
}
});
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
Button button = findViewById(R.id.mbutton);
button.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View v) {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
final int finalI = i + 1;
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Message message = new Message();
String s = "第" + finalI + "条消息";
message.obj = s;
Log.d(TAG, "子线程#" + finalI + "中发送了消息：" + s);
mHandler.sendMessage(message);
}
}).start();
}
}
});
}
}
代码逻辑很简单，布局文件中只有一个按钮所以这里就不展示布局文件了，直接开始讲解吧。首先我们创建了一个handler对象用于发送和接收处理消息，接收到消息后就将这条消息打印出来。然后给button按钮添加一个点击事件，当点击按钮时开启3个子线程模拟发送消息。例子很简单，下面来看输出结果：
注意这里没有创建
Looper是因为handler是在主线程中创建的，而在ActivityThread中已经通过Looper.prepareMainLooper()创建过了，所以才不用我们自己创建Looper，如果是在子线程中创建的handler的话一定记得先调用Looper.prepare()方法创建Looper。
总结
首先再来简单总结一下整个消息机制的流程：
首先调用handler.sendMessage()将消息加入到MessageQueue中，然后Looper通过MessageQueue.next()取出这条消息，最后通过msg.target.dispatchMessage()又传递给了Handler来进行消息处理。
注意点：创建Handler的线程中一定要有Looper对象，否则会抛异常。
