Android Handler 消息通信机制
1、概述
Handler的消息通信机制是Android提供的一套消息异步传递机制，其主要作用是实现子线程对UI的线程的更新，实现异步消息的处理。在安卓开发中，为了保证UI操作的线程安全，Android规定只有在主线程也就是UI线程才能修改Activity里面的UI组件，同时要求在主线程中尽量不要进行耗时操作，应该尽量把耗时操作放在其他线程中进行。但往往在其他线程中处理完耗时操作得到相应结果后，需要对UI进行操作展示。这时候就出现了矛盾，Handler消息传递机制就是用来解决这个矛盾的。
Handler处理流程
下面是一个简单的应用实例：
public class Activity extends android.app.Activity {
private Handler mHandler = new Handler(){
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
super.handleMessage(msg);
System.out.println(msg.what);
}
};
@Override
public void onCreate(Bundle savedInstanceState, PersistableBundle persistentState) {
super.onCreate(savedInstanceState, persistentState);
setContentView(R.layout.activity_main);
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
...............耗时操作
Message message = Message.obtain();
message.what = 1;
mHandler.sendMessage(message);
}
}).start();
}
}
2、模型及架构
Handler 消息通信机制中主要包含3个部分：MessageQueue，Handler和Looper。以及一个封装消息的类Message。
① MessageQueue：
消息队列，但是它的内部实现并不是用的队列，实际上是通过一个单链表的数据结构来维护消息列表，因为单链表在插入和删除上比较有优势。主要功能向消息池投递消息(MessageQueue.enqueueMessage)和取走消息池的消息(MessageQueue.next)。
② Handler：
消息辅助类，主要功能向消息池发送各种消息事件(Handler.sendMessage)和处理相应消息事件(Handler.handleMessage)。
③ Looper：
不断循环执行(Looper.loop)，从MessageQueue中读取消息，按分发机制将消息分发给目标处理者。
④ Message
需要传递的消息，可以传递数据。
在子线程执行完耗时操作，当Handler发送消息时，将会调用MessageQueue.enqueueMessage，向消息队列中添加消息。当通过Looper.loop开启循环后，会不断地从线程池中读取消息，即调用MessageQueue.next，然后调用目标Handler（即发送该消息的Handler）的dispatchMessage方法传递消息，然后返回到Handler所在线程，目标Handler收到消息，调用handleMessage方法，接收消息，处理消息。
每个线程中只能存在一个Looper，Looper是保存在ThreadLocal中的。主线程（UI线程）已经创建了一个Looper，所以在主线程中不需要再创建Looper，但是在其他线程中需要创建Looper。每个线程中可以有多个Handler，即一个Looper可以处理来自多个Handler的消息。 Looper中维护一个MessageQueue，来维护消息队列，消息队列中的Message可以来自不同的Handler。
3、源码分析
3.1 Looper
3.1.1 prepare()
要想使用消息机制，首先要创建一个Looper。需要调用prepare()：
public static final void prepare() {
//判断sThreadLocal是否为null，否则抛出异常
//即Looper.prepare()方法不能被调用两次
//也就是说，一个线程中只能对应一个Looper实例
if (sThreadLocal.get() != null) {
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
//sThreadLocal是一个ThreadLocal对象，用于在一个线程中存储变量
//实例化Looper对象并存放在ThreadLocal
//这说明Looper是存放在Thread线程里的
sThreadLocal.set(new Looper(true));
}
//再来看下Looper的构造方法
private Looper(boolean quitAllowed) {
//创建了一个MessageQueue（消息队列）
//这说明，当创建一个Looper实例时，会自动创建一个与之配对的MessageQueue（消息队列）
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mRun = true;
mThread = Thread.currentThread();
}
无参情况下，默认调用prepare(true);表示的是这个Looper可以退出，而对于false的情况则表示当前Looper不可以退出。从上面代码看到，不能重复创建Looper，只能创建一个。创建Looper,并保存在ThreadLocal。ThreadLocal是线程本地存储区（Thread Local Storage，简称为TLS），每个线程都有自己的私有的本地存储区域，不同线程之间彼此不能访问对方的TLS区域。
3.1.2 loop()
开启Looper需要调用loop()：
public static void loop() {
//myLooper()方法作用是返回sThreadLocal存储的Looper实例，如果me为null，loop()则抛出异常
//也就是说loop方法的执行必须在prepare方法之后运行
//也就是说，消息循环必须要先在线程当中创建Looper实例
final Looper me = myLooper();
if (me == null) {
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
//获取looper实例中的mQueue（消息队列）
final MessageQueue queue = me.mQueue;
Binder.clearCallingIdentity();
final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
//进入消息循环
for (;;) {
//next()方法用于取出消息队列里的消息
//如果取出的消息为空，则线程阻塞
Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) {
return;
}
Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
//消息派发：把消息派发给msg的target属性，然后用dispatchMessage方法去处理
//Msg的target其实就是handler对象，下面会继续分析
msg.target.dispatchMessage(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);
}
//释放消息占据的资源
msg.recycle();
}
}
loop()进入循环模式，不断重复下面的操作，直到消息为空时退出循环，读取MessageQueue的下一条Message，把Message分发给相应的target。当next()取出下一条消息时，队列中已经没有消息时，next()会无限循环，产生阻塞。等待MessageQueue中加入消息，然后重新唤醒。主线程中不需要自己创建Looper，这是由于在程序启动的时候，系统已经帮我们自动调用了Looper.prepare()方法。
3.2 Handler
3.2.1 Handler构造方法
创建Handler：
public Handler() {
this(null, false);
}
public Handler(Callback callback, boolean async) {
if (FIND_POTENTIAL_LEAKS) {
final Class 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());
}
}
//通过Looper.myLooper()获取了当前线程保存的Looper实例，如果线程没有Looper实例那么会抛出异常
//这说明在一个没有创建Looper的线程中是无法创建一个Handler对象的
//所以说我们在子线程中创建一个Handler时首先需要创建Looper，并且开启消息循环才能够使用这个Handler。
mLooper = Looper.myLooper();
if (mLooper == null) {
throw new RuntimeException(
"Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
}
//获取了这个Looper实例中保存的MessageQueue（消息队列）
//这样就保证了handler的实例与我们Looper实例中MessageQueue关联上了
mQueue = mLooper.mQueue;
mCallback = callback;
mAsynchronous = async;
}
对于Handler的无参构造方法，默认采用当前线程TLS中的Looper对象，并且callback回调方法为null，且消息为同步处理方式。只要执行的Looper.prepare()方法，那么便可以获取有效的Looper对象。
3.2.2 Handler 发送消息
发送消息有几种方式，但是归根结底都是调用了sendMessageAtTime()方法。在子线程中通过Handler的post()方式或send()方式发送消息，最终都是调用了sendMessageAtTime()方法。
① post()：
public final boolean post(Runnable r)
{
return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}
public final boolean postAtTime(Runnable r, long uptimeMillis)
{
return sendMessageAtTime(getPostMessage(r), uptimeMillis);
}
public final boolean postAtTime(Runnable r, Object token, long uptimeMillis)
{
return sendMessageAtTime(getPostMessage(r, token), uptimeMillis);
}
public final boolean postDelayed(Runnable r, long delayMillis)
{
return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), delayMillis);
}
② send():
public final boolean sendMessage(Message msg)
{
return sendMessageDelayed(msg, 0);
}
public final boolean sendEmptyMessage(int what)
{
return sendEmptyMessageDelayed(what, 0);
}
public final boolean sendEmptyMessageDelayed(int what, long delayMillis) {
Message msg = Message.obtain();
msg.what = what;
return sendMessageDelayed(msg, delayMillis);
}
public final boolean sendEmptyMessageAtTime(int what, long uptimeMillis) {
Message msg = Message.obtain();
msg.what = what;
return sendMessageAtTime(msg, uptimeMillis);
}
public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
{
if (delayMillis < 0) {
delayMillis = 0;
}
return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}
③ runOnUiThread(Runnable action)：
在子线程中调用该方法可以直接更新UI线程，其实也是发送消息通知主线程更新UI，最终也会调用sendMessageAtTime()方法。
public final void runOnUiThread(Runnable action) {
if (Thread.currentThread() != mUiThread) {
mHandler.post(action);
} else {
action.run();
}
}
如果当前的线程不等于UI线程(主线程)，就去调用Handler的post()方法，最终会调用sendMessageAtTime()方法。否则就直接调用Runnable对象的run()方法。
④ sendMessageAtTime()：
所有发送消息的方法最终都调用了该方法，来看一下它的源码。
public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {
//直接获取MessageQueue
MessageQueue queue = mQueue;
if (queue == null) {
RuntimeException e = new RuntimeException(
this + " sendMessageAtTime() called with no mQueue");
Log.w("Looper", e.getMessage(), e);
return false;
}
//调用了enqueueMessage方法
return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);
}
//调用sendMessage方法其实最后是调用了enqueueMessage方法
private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
//为msg.target赋值为this，也就是把当前的handler作为msg的target属性
//如果大家还记得Looper的loop()方法会取出每个msg然后执行msg.target.dispatchMessage(msg)去处理消息，其实就是派发给相应的Handler
msg.target = this;
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
//最终调用queue的enqueueMessage的方法，也就是说handler发出的消息，最终会保存到消息队列中去。
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
可以看到sendMessageAtTime()`方法会调用MessageQueue的enqueueMessage()方法，往消息队列中添加一个消息。
3.2.3 Handler 处理消息
分析looper时，其中有一句代码：
msg.target.dispatchMessage(msg);
里面的msg.target就是发送该msg的Handler ，也是同一个Handler 来处理这个消息。
public void dispatchMessage(Message msg) {
//一开始就会进行判断
//如果msg.callback属性不为null，则执行callback回调，也就是我们的Runnable对象
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
当Message的msg.callback不为空时，则回调方法msg.callback.run();当Handler的mCallback不为空时，则回调方法mCallback.handleMessage(msg)；最后调用Handler自身的回调方法handleMessage()，该方法默认为空，Handler子类通过覆写该方法来完成具体的逻辑。从源码中我们可以看到，Message的回调方法：message.callback.run()，优先级最高；Handler中Callback的回调方法：Handler.mCallback.handleMessage(msg)，优先级次之；Handler的默认方法：Handler.handleMessage(msg)，优先级最低。对于很多情况下，消息分发后的处理方法是第3种情况，即Handler.handleMessage()，一般地往往通过覆写该方法从而实现自己的业务逻辑。
3.3 MessageQueue
3.3.1 将消息插入队列
在Handler发送消息的源码sendMessageAtTime()中有一行消息入队的代码：return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);其最后是调用了MessageQueue的enqueueMessage(Message msg,longwhen)。
来看一下其内部源码：
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
// 每一个Message必须有一个target
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) { //正在退出时，回收msg，加入到消息池
msg.recycle();
return false;
}
msg.markInUse();
msg.when = when;
Message p = mMessages;
boolean needWake;
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
//p为null(代表MessageQueue没有消息） 或者msg的触发时间是队列中最早的， 则进入该该分支
msg.next = p;
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
//将消息按时间顺序插入到MessageQueue。一般地，不需要唤醒事件队列，除非
//消息队头存在barrier，并且同时Message是队列中最早的异步消息。
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;
prev.next = msg;
}
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
MessageQueue是按照Message触发时间的先后顺序排列，队头的消息是将要最早触发的消息。当有消息需要加入消息队列时，会从队列头开始遍历，直到找到消息应该插入的合适位置，以保证所有消息的时间顺序。
3.3.2 将消息从队列中取出
当发送了消息后，在MessageQueue维护了消息队列，然后在Looper中通过loop()方法，不断地获取消息。上面对loop()方法进行了介绍，其中最重要的是调用了queue.next()方法,通过该方法来提取下一条信息。看一下起next()源码。
Message next() {
final long ptr = mPtr;
if (ptr == 0) { //当消息循环已经退出，则直接返回
return null;
}
int pendingIdleHandlerCount = -1; // 循环迭代的首次为-1
int nextPollTimeoutMillis = 0;
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
//阻塞操作，当等待nextPollTimeoutMillis时长，或者消息队列被唤醒，都会返回
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
Message msg = mMessages;
if (msg != null && msg.target == null) {
//当消息Handler为空时，查询MessageQueue中的下一条异步消息msg，为空则退出循环。
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
if (msg != null) {
if (now < msg.when) {
//当异步消息触发时间大于当前时间，则设置下一次轮询的超时时长
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
// 获取一条消息，并返回
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
mMessages = msg.next;
}
msg.next = null;
//设置消息的使用状态，即flags |= FLAG_IN_USE
msg.markInUse();
return msg; //成功地获取MessageQueue中的下一条即将要执行的消息
}
} else {
//没有消息
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
//消息正在退出，返回null
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
...............................
}
}
nativePollOnce是阻塞操作，其中nextPollTimeoutMillis代表下一个消息到来前，还需要等待的时长；当nextPollTimeoutMillis = -1时，表示消息队列中无消息，会一直等待下去。可以看出next()方法根据消息的触发时间，获取下一条需要执行的消息,队列中消息为空时，则会进行阻塞操作来阻塞线程，直到有新消息到来。
4、总结
整个Handler 消息通信机制可用如下图来理解：
