Android基础进阶 - 消息机制
目录
- Android消息机制流程
- Handler
- Message
- MessageQueue
- Looper
- HandleThread
- 资料
- 收获
篇外话
在“音视频开发之旅系列”之外，想把自己比较薄弱的Java&Android基础也抽时间进行学习加强些，这也更符合自己的内心追求和自我期待。并行的开始另外一段学习旅程，从Handler消息机制开启，结合消息机制的流程以及源码进行学习分析。
一、Android消息机制流程
我们先通过下面两张图来对Android消息机制流程以及关键类之间的关系有个了解，后面我们再结合源码一一进行分析。
消息机制的流程
消息机制.png
Handler、Message、MessageQueue、Looper之间的关系
图片来源-Android消息机制1-Handler(Java层)
二、Handler
Handler有两个主要的用途:
- 调度消息在某个时间点执行;
- 不同线程之间通信
2.1 全局变量
final Looper mLooper; //有Looper的引用
final MessageQueue mQueue;//有MessageQueue的引用
final Callback mCallback;
final boolean mAsynchronous;
IMessenger mMessenger;
2.2 构造方法
public Handler() {
this(null, false);
}
public Handler(@NonNull Looper looper) {
this(looper, null, false);
}
public Handler(@NonNull Looper looper, @Nullable Callback callback, boolean async) {
mLooper = looper;
mQueue = looper.mQueue;
mCallback = callback;
mAsynchronous = async;
}
2.3 获取Message
//从Message复用池中获取一个Message
public final Message obtainMessage()
{
return Message.obtain(this);
}
//和上面的方法基本一致，差异在于从复用池中获取到Message后给what赋值
public final Message obtainMessage(int what)
{
return Message.obtain(this, what);
}
//...其他obtainMessage类似
2.4 发送消息
图片来源-Android消息机制1-Handler(Java层)
下面我们挑几个发送方法来看下
** sendMessage: 发送一个Message，when为当前的时间**
MessageQueue根据when进行匹配插入位置
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;
......
return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);
}
** post：从消息复用池中获取Message，设置Message的Callback**
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;
}
** postAtFrontOfQueue(): 将消息插入到队列头部**
通过调用sendMessageAtFrontOfQueue 加入一个when为0的message到队列，即插入到队列的头部，需要注意的是 MessageQueue#enqueueMessage的插入到链表中时是根据when比较的（when < p.when），如果之前已经有多个when等于0的消息在队列中，这个新的会加入到前面when也为0的后面。
public final boolean postAtFrontOfQueue(Runnable r)
{
return sendMessageAtFrontOfQueue(getPostMessage(r));
}
public final boolean sendMessageAtFrontOfQueue(Message msg) {
MessageQueue queue = mQueue;
......
//第三个参数为0，即Message的when为0，插入到队列的头部，注意到MessageQueue#enqueueMessage的插入到链表中时是根据when比较的（when < p.when），如果之前已经有多个when等于0的消息在队列中，这个新的会加入到前面when也为0的后面。
return enqueueMessage(queue, msg, 0);
}
2.5 派发消息 dispatchMessage
优先级如下：
Message的回调方法callback.run() >
Handler的回调方法mCallback.handleMessage(msg) > Handler的默认方法handleMessage(msg)
public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
//Message的回调方法，优先级最高
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
//Handler的mCallBack优先级次之
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
//Handler的handleMessage方法优先级最低（大部分都是在该方法中实现Message的处理）
handleMessage(msg);
}
}
三、Message
全局变量
//一些重要的变量
public int arg1;
public int arg2;
public Object obj;
public long when;
Bundle data;
Handler target; //Message中有个Handler的引用
Runnable callback;
//Message有next指针，可以组成单向链表
Message next;
public static final Object sPoolSync = new Object();
//复用池中的第一个Message
private static Message sPool;
//复用池的大小，默认最大50个（如果短时间内有超过复用池最大数量的Message会怎样，重新new）
private static int sPoolSize = 0;
private static final int MAX_POOL_SIZE = 50;
构造方法
查看下是否有可以复用的message，如果有，复用池的中可复用的Message个数减一，返回该Message；如果没有重新new一个。注意复用池默认最大数量为50。
public static Message obtain() {
synchronized (sPoolSync) {
//查看下是否有可以复用的message
if (sPool != null) {
//取出第一个Message
Message m = sPool;
sPool = m.next;
m.next = null;
m.flags = 0; // clear in-use flag
//复用池的中可复用的Message个数减一
sPoolSize--;
return m;
}
}
//如果复用池中没有Message了重新new
return new Message();
}
** recycleUnchecked**
//标记一个Message时异步消息，正常的情况都是同步的Message，当遇到同步屏障的时候，优先执行第一个异步消息。关于同步屏障，我们在MessageQueue中在结合next等方法再介绍。
public void setAsynchronous(boolean async) {
if (async) {
flags |= FLAG_ASYNCHRONOUS;
} else {
flags &= ~FLAG_ASYNCHRONOUS;
}
}
void recycleUnchecked() {
// Mark the message as in use while it remains in the recycled object pool.
// Clear out all other details.
flags = FLAG_IN_USE;
what = 0;
arg1 = 0;
arg2 = 0;
obj = null;
replyTo = null;
sendingUid = UID_NONE;
workSourceUid = UID_NONE;
when = 0;
target = null;
callback = null;
data = null;
synchronized (sPoolSync) {
//可以复用的message为50个，如果超过了就不会再复用
if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
next = sPool;
sPool = this;
sPoolSize++;
}
}
}
//toString和dumpDebug可以Dump出message信息，遇到一些问题时可以帮助分析
android.os.Message#toString(long)
android.os.Message#dumpDebug
四、MessageQueue
MessageQueue是一个单链表优先队列
Message不能直接添加到MessageQueue中，要通过Handler以及相对应的Looper进行添加。
变量
//MessageQueue链表中的第一个Message
Message mMessages;
** next：从消息队列中取出下一条要执行的消息**
如果是同步屏障消息，找到第一个队列中中第一个异步消息
如果第一个Message的执行时间比当前时间见还要晚，记录还要多久开始执行;否则就找到下一条要执行的Message。
后面的Looper的loop方法会从过queue.next调用该方法，获取需要执行的下一个Message，其中会调用到阻塞的native方法nativePollOnce，该方法用于“等待”, 直到下一条消息可用为止. 如果在此调用期间花费的时间很长, 表明对应线程没有实际工作要做，不会因此会出现ANR，ANR和这个没有半毛钱关系。
关键代码如下：
Message next() {
//native层MessageQueue的指针
final long ptr = mPtr;
if (ptr == 0) {
return null;
}
......
for (;;) {
//阻塞操作，当等待nextPollTimeoutMillis时长，或者消息队列被唤醒
//nativePollOnce用于“等待”, 直到下一条消息可用为止. 如果在此调用期间花费的时间很长, 表明对应线程没有实际工作要做，不会因此会出现ANR，ANR和这个没有半毛钱关系。
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
//创建一个新的Message指向 当前消息队列的头
Message msg = mMessages;
//如果是同步屏障消息，找到第一个队列中中第一个异步消息
if (msg != null && msg.target == null) {
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
if (msg != null) {
//如果第一个Message的执行时间比当前时间见还要晚，记录还要多久开始执行
if (now < msg.when) {
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
//否则从链表中取出当前的Message ，并且把链表中next指向指向下一个Message
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
mMessages = msg.next;
}
//取出当前的Message的值，next置为空
msg.next = null;
msg.markInUse();
return msg;
}
}
.....
//android.os.MessageQueue#quit时mQuitting为true
//如果需要退出，立即执行并返回一个null的Message，android.os.Looper.loop收到一个null的message后退出Looper循环
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
......
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
// 注意这里，如果没有消息需要执行，mBlocked标记为true，在enqueueMessage会根据该标记判断是否调用nativeWake唤醒
mBlocked = true;
continue;
}
......
}
......
}
enqueueMessage：向消息队列中插入一条Message
如果消息链表为空，或者插入的Message比消息链表第一个消息要执行的更早，直接插入到头部
否则在链表中找到合适位置插入，通常情况下不需要唤醒事件队列，以下两个情况除外：
- 消息链表中只有刚插入的这一个Message，并且mBlocked为true即，正在阻塞状态，收到一个消息后也进入唤醒
- 链表的头是一个同步屏障，并且该条消息是第一条异步消息
唤醒谁？MessageQueue.next中被阻塞的nativePollOnce
具体实现如下，
关于如何找到合适的位置？这涉及到链表的插入算法：引入一个prev变量，该变量指向p也message（如果是for循环的内部第一次执行），然后把p进行向next移动，和需要插入的Message进行比较when
关键代码如下：
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
......
synchronized (this) {
msg.markInUse();
msg.when = when;
Message p = mMessages;
boolean needWake;
//如果消息链表为空，或者插入的Message比消息链表第一个消息要执行的更早，直接插入到头部
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
msg.next = p;
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
//否则在链表中找到合适位置插入
//通常情况下不需要唤醒事件队列，除非链表的头是一个同步屏障，并且该条消息是第一条异步消息
needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
//具体实现如下，这个画张图来说明
//链表引入一个prev变量，该变量指向p也message（如果是for循环的内部第一次执行），然后把p进行向next移动，和需要插入的Message进行比较when
Message prev;
for (;;) {
prev = p;
p = p.next;
if (p == null || when < p.when) {
break;
}
if (needWake && p.isAsynchronous()) {
needWake = false;
}
}
msg.next = p;
prev.next = msg;
}
//如果插入的是异步消息，并且消息链表第一条消息是同步屏障消息。
//或者消息链表中只有刚插入的这一个Message，并且mBlocked为true即，正在阻塞状态，收到一个消息后也进入唤醒
唤醒谁？MessageQueue.next中被阻塞的nativePollOnce
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
简单着看下native的epoll (这块还没有深入分析，后面篇章补上吧)
nativePollOnce 和 nativeWake 利用 epoll 系统调用, 该系统调用可以监视文件描述符中的 IO 事件. nativePollOnce 在某个文件描述符上调用
epoll_wait, 而 nativeWake 写入一个 IO 操作到描述符
epoll属于IO复用模式调用，调用epoll_wait等待. 然后 内核从等待状态中取出 epoll 等待线程, 并且该线程继续处理新消息
** removeMessages: 移除消息链表中对应的消息**
需要注意的是，在该函数的实现中分为了头部meg的移除，和非头部的msg的移除。
移除消息链表中头部的和需要移除相同的msg
eg：msg1.what=0;msg2.what=0;msg3.what=0; msg4.what=1; 需要移除what为0的msg，即移除前三个
移除消息链表中非头部的对应的消息，eg:msg1.what=1;msg2.what=0;msg3.what=0; 需要移除what为0的消息，即移除后续的消息，处处体现链表的查询和移除算法
关键代码如下：
void removeMessages(Handler h, int what, Object object) {
......
synchronized (this) {
Message p = mMessages;
//移除消息链表中头部的和需要移除相同的msg eg：msg1.what=0;msg2.what=0;msg3.what=0; msg4.what=1; 需要移除what为0的msg，即移除前三个
while (p != null && p.target == h && p.what == what
&& (object == null || p.obj == object)) {
Message n = p.next;
mMessages = n;
p.recycleUnchecked();
p = n;
}
//移除消息链表中非头部的对应的消息，eg:msg1.what=1;msg2.what=0;msg3.what=0; 需要移除what为0的消息，即移除后续的消息，处处体现链表的查询和移除算法
while (p != null) {
Message n = p.next;
if (n != null) {
if (n.target == h && n.what == what
&& (object == null || n.obj == object)) {
Message nn = n.next;
n.recycleUnchecked();
p.next = nn;
continue;
}
}
p = n;
}
}
}
** postSyncBarrier：发送同步屏障消息 **
同步屏障也是一个message，只不过这个Message的target为null,. 通过ViewRootImpl#scheduleTraversals()发送同步屏障消息
同步屏障消息的插入位置并不是都是消息链表的头部，而是根据when等信息而定：如果when不为0,消息链表也不空，在消息链表中找到同步屏障要插入入的位置；如果prev为空，该条同步消息插入到队列的头部。
关键代码如下：
/**
* android.view.ViewRootImpl#scheduleTraversals()发送同步屏障消息
* @param when
* @return
*/
private int postSyncBarrier(long when) {
// Enqueue a new sync barrier token.
// We don't need to wake the queue because the purpose of a barrier is to stall it.
synchronized (this) {
final int token = mNextBarrierToken++;
//同步屏障也是一个message，只不过这个Message的target为null
final Message msg = Message.obtain();
msg.markInUse();
msg.when = when;
msg.arg1 = token;
Message prev = null;
Message p = mMessages;
if (when != 0) {
//如果when不为0,消息链表也不空，在消息链表中找到同步屏障要插入入的位置
while (p != null && p.when <= when) {
prev = p;
p = p.next;
}
}
if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
msg.next = p;
prev.next = msg;
} else {
//如果prev为空，该条同步消息插入到队列的头部
msg.next = p;
mMessages = msg;
}
return token;
}
}
dump： MessageQueue信息
有时候我们需要dump出当前looper的Message信息来分析一些问题，比不，是否Queue中有很多消息，如果太多就影响队列中后面的Message的执行，可能造成逻辑处理比较慢，甚至可能导致ANR等情况，MessageQueue的默认复用池是50个，如果太多排队的Message也会影响性能。通过dump Message信息可以帮助分析。mHandler.getLooper().dump(new PrintWriterPrinter(writer), prefix);
void dump(Printer pw, String prefix, Handler h) {
synchronized (this) {
long now = SystemClock.uptimeMillis();
int n = 0;
for (Message msg = mMessages; msg != null; msg = msg.next) {
if (h == null || h == msg.target) {
pw.println(prefix + "Message " + n + ": " + msg.toString(now));
}
n++;
}
pw.println(prefix + "(Total messages: " + n + ", polling=" + isPollingLocked()
+ ", quitting=" + mQuitting + ")");
}
}
五、Looper
Looper主要涉及到构造、prepare和loop几个重要的方法，在保证一个线程有且只有一个Looper的设计上，采用了ThreadLocal以及代码逻辑的控制。
变量
//一些重要的变量
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
final MessageQueue mQueue;
final Thread mThread;
构造方法
在构造Looper的时候 创建和Looper一一对应的MessageQueue
private Looper(boolean quitAllowed) {
//在构造Looper的时候 new一一对应的MessageQueue
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
prepare
我们这里可以看到消息机制是 如何保证一个线程只有一个Looper。
//quitAllowed参数是否允许quit，UI线程的Looper不允许退出，其他的允许退出
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
//保证一个线程只能有一个Looper，这里的sThreadLocal
if (sThreadLocal.get() != null) {
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
loop
我们在MessageQueue的next方法已经分析过nativePollOnce这个方法可能会阻塞，直到拿到message。
如果next返回一个null的Message退出Looper循环，否则进行msg的派发。
取出的msg执行完之后，会加入到回收池中等待复用。recycleUnchecked我们在Message中也已经分析过了。不清楚的可以再回看。
public static void loop() {
final Looper me = myLooper();
if (me == null) {
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
……
for (;;) {
//next方法是一个会阻塞的方法，MessageQueue的next方法前面我们已经分析过nativePollOnce这个方法会可能阻塞，直到拿到message。
Message msg = queue.next();
//收到为空的msg，Loop循环退出。那么何时会收到为空的msg呐？ quit
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
//msg的派发，msg.target就是Handler，即调用Handler的dispatchMessage派发消息
msg.target.dispatchMessage(msg);
……
//msg回收
msg.recycleUnchecked();
}
六、HandleThread
HandlerThread是一个带有Looper的Thread。
全局变量
public class HandlerThread extends Thread {
int mPriority;//线程优先级
int mTid = -1;//线程id
Looper mLooper;
private Handler mHandler;
......
}
构造方法
public HandlerThread(String name) {
super(name);
//用于run时设置线程的优先级Process.setThreadPriority(mPriority);
mPriority = Process.THREAD_PRIORITY_DEFAULT;
}
public HandlerThread(String name, int priority) {
super(name);
mPriority = priority;
}
run方法
进行Looper的prepare和loop的调用，配置好Looper环境
@Override
public void run() {
//线程id
mTid = Process.myTid();
//调用Looper的prepare方法,把当前该线程关联的唯一的Looper加入到sThreadLocal中
Looper.prepare();
synchronized (this) {
//从sThreadLocal中获取Looper
mLooper = Looper.myLooper();
notifyAll();
}
//设置线程的优先级，默认THREAD_PRIORITY_DEFAULT，如果是后台业务可以配置为THREAD_PRIORITY_BACKGROUND，根据具体场景进行设置
Process.setThreadPriority(mPriority);
//可以做一些预设置的操作
onLooperPrepared();
//开始looper循环
Looper.loop();
mTid = -1;
}
使用HandlerThread的一般流程如下
// Step 1: 创建并启动HandlerThread线程，内部包含Looper
HandlerThread handlerThread = new HandlerThread("xxx");
handlerThread.start();
// Step 2: 创建Handler
Handler handler = new Handler(handlerThread.getLooper());
handler.sendMessage(msg);
这样有一个弊端，就是每次使用Handler都要new HandlerThread，而Thread又是比较占用内存，
能不能减少Thread的创建，或者说是Thread的复用.
并且实现Message能够得到及时执行，不被队列中前面的Message阻塞；
这的确是一个有很有意思很有挑战的事情。
七、资料
- Android源码
- ThreadLocal原理分析与使用场景
- Android消息机制1-Handler(Java层)
- Android全面解析之Handler机制（终篇）：常见问题汇总
- Handler真的懂了吗？
- Android 同步屏障？阻塞唤醒？ Handler 中隐藏的秘密
- IO多路复用之epoll总结
- 关于Handler 的这 15 个问题，你都清楚吗？
- 「细品源码」 Android 系统的血液：Handler
- 自信，这是最好的ThreadLocal分析
- Android Handler：手把手带你深入分析 Handler机制源码
- Android Handler.removeMessage移除所有postDelayed的问题
- Android 中 MessageQueue 的 nativePollOnce
八、收获
通过对Android消息机制的源码分析梳理，搞清楚了
- Android消息机制的流程；
- 如何保证一个线程对应一个Looper
- Message的单链表的数据结构设计以及Message的复用池机制
- MessageQueue再加入Message和取出Message的实现，以及涉及到阻塞唤醒以及同步屏障。
关于ThreadLocal以及native层的分析还没有理解透彻，后面两篇我们再来分析学习下
感谢你的阅读
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