Android系统源码分析--消息循环机制
上一章我们讲解SystemServer时涉及到了消息机制，因此这一章我们先介绍一下消息循环机制，帮助大家弄清楚消息循环的原理，有助于代码的编写和优化。
Looper-Message-MessageQueue-Handler消息处理机制
在Android系统有两个通信机制，一个是Binder，一个是消息机制，前者是跨进程通信，后者是进程内部通信。消息通信主要包括几个部分：
- 消息发送者和处理者：Handler
- 消息循环器：Looper
- 消息队列：MessageQueue
- 消息：Message
我们先看一个时序图：
005.jpg
图中，1-11步是Looper的准备过程，12-17步是获取消息，处理消息，回收消息的循环过程。
下面是一张消息循环过程图，图片来自网络博客（blog.mindorks.com），Looper会通过loop方法不断从消息队列去取消息，然后交给handler处理，处理完成就回收消息，要注意的是只有一个looper，但是可能有多个handler：
002.jpg
1、Looper
Looper是一个循环器，通过里面的loop方法不断去取消息，发送给Handler进行处理。根据上面时序图以及SystemServer启动代码我们开始分析Looper的调用过程：
private void run() {
try {
...
// 准备主线程的Looper
Looper.prepareMainLooper();
...
} finally {
...
}
...
// Loop（循环） forever.
Looper.loop();
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
我们先看Looper.prepareMainLooper方法：
/**
* Initialize the current thread as a looper, marking it as an
* application's main looper. The main looper for your application
* is created by the Android environment, so you should never need
* to call this function yourself. See also: {@link #prepare()}
*/
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
sMainLooper = myLooper();
}
}
上面有段注释，我翻译一下，就是：初始化当前线程作为一个looper，并把它标记为应用的主looper。这个looper是被Android环境（系统）创建的，因此你不需要自己调用这个方法。也就是系统创建了这个looper，你不需要再创建了。我们接着看里面的内容，首先调用了prepare方法，需要注意的是Looper.prepare()在每个线程只允许执行一次，该方法会创建Looper对象：
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
...
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
if (sThreadLocal.get() != null) {// 确保ThreadLocal中只有一个Looper
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
上面的ThreadLocal是声明在类里的，并且是静态的，因此，随着类创建了该对象，get方法是获取Looper的，如果能获取到，则抛出异常，也就是确保当前线程只有一个Looper。如果是空，那么我们创建一个Looper放到里面去。
我们先看一下ThreadLocal：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。（来自Android消息机制1-Handler(Java层)）我们看一下它的set和get方法：
ThreadLocal的set方法：
public void set(T value) {
//获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取当前线程里的ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
如果map不为空，则以键值对放入进行存储，此处map不是HashMap，而是其他，这里不详细解释。如果map为空，则通过下面代码创建map：
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
ThreadLocal的get方法：
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
我们看到获取的时候也是根据当前线程去获取的。因此每个线程会保存一个Looper。
我们接着看Looper的构造函数有哪些操作，也就是创建Looper做了哪些处理：
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
首先是创建了MessageQueue对象，接着创建一个线程，也就是当前线程，currentThread是一个native方法，我们不再分析，我们看一下MessageQueue创建做了哪些事情：
MessageQueue(boolean quitAllowed) {
// 是否可以退出消息队列
mQuitAllowed = quitAllowed;
// 返回底层的MessageQueue对象的内存地址，如果为空返回0
mPtr = nativeInit();
}
上面的nativeInit是调用的jni，我贴一下代码，不再解释：
001.png
我们回到prepareMainLooper方法接着看，如果sMainLooper不为null，则抛出异常，提示sMainLooper已经创建了，如果是null，那么调用myLooper方法回去sMainLooper：
public static @Nullable Looper myLooper() {
return sThreadLocal.get();
}
其实这个get方法就是我们上面new完Looper放进去的，到此prepareMainLooper就完成了，相关信息也准备好了。接下来就是调用Looper.loop方法，方法下面是一个异常，怎么样才能保证异常不会抛出，就是loop方法永远执行不完。是不是只有我们接着看代码：
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;
...
for (;;) {// 无限循环
Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) { // message为空为结束信号，退出循环
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
...
try {
// 将真正的处理工作交给message的target，即handler
msg.target.dispatchMessage(msg);
} finally {
...
}
...
// 回收Message
msg.recycleUnchecked();
}
}
首先是通过myLooper方法获取Looper，如果为空，则抛出异常，提示还没有调用Looper.prepare方法，如果不为空，则通过looper获取MessageQueue对象，然后进入for循环，因为for语句中没有条件，因此该for循环为无限循环，在这个循环中有三件事，一个是获取消息队列中的下一个消息，然后处理该消息，最近处理完消息，回收消息。这三个过程就是Looper的主要作用：取消息，处理消息，回收消息。
2.Message
Message是整个循环中信息的载体，它是一个链表结构，关于链表结构可以参考下面文章：
Android自助餐--Handler消息机制完全解析--系列
链表数据结构图解 和 代码实现
基本数据结构：链表（list）
链表结构之单链表
我们看个图：
006.png
上面就是一个示例图，每个Message中都有一个后面Message的引用next，链表最后一个next为空，sPool是第一个Message。但是每个Message的内存地址不是挨着的，这样可以占用零碎的内存。
我们先来看Message包含的参数：
public int what;
public int arg1;
public int arg2;
public Object obj;
/*package*/ int flags;
/*package*/ long when;
/*package*/ Handler target;
// 消息队列中下一个消息的引用
/*package*/ Message next;
// sPool这个变量可以理解为消息队列的头部的指针，也就是当前消息对象
private static Message sPool;
// sPoolSize是当前的消息队列的长度
private static int sPoolSize = 0;
private static final int MAX_POOL_SIZE = 50;
前四个参数很熟悉，不再解释，flags是一个标签，表示是否正在使用；when是处理消息的时间；target就是我们上面提到的Handler；next是下一个Message的引用；sPool是一个静态变量，说明只有一个，其实这个是消息队列的头消息；sPoolSize是消息队列中消息个数；MAX_POOL_SIZE是消息队列最大消息数量。
Message中有多个用来获取Message对象的obtain复写方法。因为后面的obtain方法都是通过第一个obtain方法获取Message对象的，因此我们只看第一个参数为空的方法：
/**
* Return a new Message instance from the global pool. Allows us to
* avoid allocating new objects in many cases.
*/
public static Message obtain() {
// 避免多线程进行争抢资源，给sPoolSync进行加锁
synchronized (sPoolSync) {
// 如果消息队列的头部不为空，则可以取出头部重用
if (sPool != null) {
Message m = sPool;
// 头部消息取出后，将sPool指向后面的消息对象
sPool = m.next;
// next（队列尾部）设置为null
m.next = null;
m.flags = 0; // clear in-use flag
// 消息队列长度减一
sPoolSize--;
return m;
}
}
// 如果消息队列的头部为空，则创建新的Message对象
return new Message();
}
系统提示尽量用这种方法获取Message对象，避免创建大量新的对象，其实也可以通过Handler来获取Message，这个我们在将Handler时候再讲。
在上面Looper中我们讲到最后消息处理完后需要回收，这个回收方法recycleUnchecked也在Message类中：
/**
* Recycles a Message that may be in-use.
* Used internally by the MessageQueue and Looper when disposing of queued Messages.
*/
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 = -1;
when = 0;
target = null;
callback = null;
data = null;
// 避免多线程进行争抢资源，给sPoolSync进行加锁
synchronized (sPoolSync) {
if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
// 回收当前消息后时，将sPool消息后移
next = sPool;
// 将当前消息放到头部
sPool = this;
// 队列长度加一
sPoolSize++;
}
}
}
消息回收时，将对应消息的标签设置为使用中，其他标签设置为空或者默认值，如果消息队列没有超过最大值，那么将sPool赋值给next，将这个Message赋值给sPool，消息队列长度加一。也就是将处理完的消息清空，重新放回消息队列等待使用。
3.Handler
Handler是发送消息和处理消息的工具。我们先看构造方法：
public Handler(Callback callback, boolean async) {
...
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;
}
Handler中的looper是获取当前线程中的looper，looper不能为空，MessageQueue也是looper中的。
首先是发送消息，发送消息的方法很多，我们看一张图：
004.jpg
我们看到Handler中有多个发送消息的方法，但是最终调用了enqueueMessage方法：
private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
msg.target = this;
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
从代码我们可以看到msg.target就是Handler，也就是在这里进行赋值的，然后是调用MQ（MessageQueue）的enqueueMessage方法，这个方法是添加消息队列的，具体内容我们后面再讲。因此，发送消息就是讲消息添加到消息队列。我们前面还讲过获取Message对象可以通过Message中的obtain方法，也可以通过Handler中的方法，我们先看一张图：
003.jpg
Handler是通过多个复写方法obtainMessage来获取Message的，只是传入参数不同，我们看一个没有参数的方法代码：
public final Message obtainMessage(){
return Message.obtain(this);
}
我们看到其实还是调用了Message.obtain方法，并且传入了this，也就是Handler，通过Message.obtain方法将Handler赋值给Message中的target。从这，我们基本对Handler与Message的关系基本明确了，获取Message的方法我们也完全知道了，因此我们在以后用的时候不需要再去new一个Message对象，而是通过obtain方法去获取，如果有就不需要new了，如果没有系统会自己去创建。
4.MessageQueue
MessageQueue是消息队列，其实是管理消息链表的。它主要功能是取出消息--next方法，将消息加入队列--enqueueMessage方法。
我们先看加入消息队列方法enqueueMessage，也就是Handler中发送消息后加入队列的方法：
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;
}
插入消息队列有两种情况，一种是消息队列处于空闲状态，直接将消息放在消息队列前面，可能需要唤醒主线程，另一种是消息队列处于忙碌状态，就不需要唤醒，而是根据消息处理时间将消息插入到消息队列的对应位置中。
第一种状态：插入队列头
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
// New head, wake up the event queue if blocked.
msg.next = p;
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
}
if语句的三个条件是：一、队列为空，二、插入消息需要立即处理，三、插入消息处理时间比消息队列头消息早，这三个条件说明消息队列处于闲置状态，此时要把消息放置到消息队列头部，即将插入消息的next指向消息队列的头p，然后将消息队列要处理的消息指向插入消息对象，最后判断是否需要唤醒，如果队列阻塞则需要唤醒，否则不需要。
第二种状态：插入队列中间或者后面，这种情况比较复杂
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;
因为不是在队列头，所以需要for循环去查找应该的位置，首先将第一个消息用prev进行缓存，然后当前消息引用指向下一个消息对象，依次类推，直到p == null（到队列最后），或者当前消息触发时间小于后面这个消息的触发时间，停止循环，说明找到了位置，此时执行最后两行代码，也就是将当前出入消息的next指向p，也就是，如果p==null，则说明插入到最后一个，如果不为空，则插入到p前面，然后将前一个prev的next指向插入的消息，此时插入成功。最后的if语句中如果需要唤醒消息队列，则调用底层方法nativeWake唤醒消息队列开始循环。到此，消息插入就讲完了。我们上面说到loop方法是通过MessageQueue的next方法取出消息，那么下面我们看一下next方法是怎么取出消息的。
Message next() {
// Return here if the message loop has already quit and been disposed.
// This can happen if the application tries to restart a looper after quit
// which is not supported.
final long ptr = mPtr;
if (ptr == 0) {
return null;
}
int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
int nextPollTimeoutMillis = 0;
for (; ; ) {// 死循环
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) {// 未到执行时间
// 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;
}
// Process the quit message now that all pending messages have been handled.
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
// If first time idle, then get the number of idlers to run.
// Idle handles only run if the queue is empty or if the first message
// in the queue (possibly a barrier) is due to be handled in the future.
if (pendingIdleHandlerCount < 0
&& (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
}
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
// No idle handlers to run. Loop and wait some more.
mBlocked = true;
continue;
}
if (mPendingIdleHandlers == null) {
mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
}
mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
}
// Run the idle handlers.
// We only ever reach this code block during the first iteration.
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);
}
}
}
// Reset the idle handler count to 0 so we do not run them again.
pendingIdleHandlerCount = 0;
// While calling an idle handler, a new message could have been delivered
// so go back and look again for a pending message without waiting.
nextPollTimeoutMillis = 0;
}
}
mPtr是MessageQueue初始化的时候通过调用底层方法获取的底层NativeMessageQueue的对象，如果底层不能初始化则返回0，如果可以初始化返回对象地址，此处判断，如果没有初始化也就没有底层的NativeMessageQueue对象，因此返回null。紧接着开始for循环，开始遍历消息队列，查找需要处理的消息，在这里，如果消息队列为空，或者没有需要立即处理的消息都要使线程开始等待。接着调用nativePollOnce方法来查看当前队列中有没有消息，传入参数nextPollTimeoutMillis表示要等待的时间，如果nextPollTimeoutMillis为0则说明不需要等待。接着获取当前时间now，初始化prevMsg来缓存消息，初始化msg来缓存当前消息mMessages，下面if语句判断消息不为空但target为空，则说明该消息为“同步分隔栏”（关于“同步分隔栏”请参看聊一聊Android的消息机制一文），如果该消息为同步分隔栏，则后面的同步消息都不会被查找，只能查找异步消息来处理，也就是do-while语句中的代码，如果没有同步分割栏或者找到了后面的异步消息（可能没有），则接着判断。
如果消息不为空，则还有消息，开始判断时间，如果当前时间小于下一个消息的执行时间，说明还需要等待，那么计算需要等待的时间nextPollTimeoutMillis，如果当前时间不小于当前消息执行时间时，并且前一个消息prevMsg不为空，说明出现了“同步分隔栏”，也就是执行了do-while代码，do-while执行完，说明找到了异步消息或者遍历完整个队列没有异步消息，如果有异步消息，此时prevMsg.next = msg.next，也就是跳过同步消息，将异步消息msg.next赋值给prevMsg.next，然后将取出的msg的next赋值为null，因为要处理了，所以不再指向后面队列的消息对象，然后将msg设置为正在使用，并且返回，如果prevMsg为空，则说明没有出现“同步分隔栏”，此时将当前消息mMessages的下一个消息赋值给mMessages，然后将msg.next设置为空，就是不再引用，然后设置为正在使用，返回该消息。
如果消息为空，则nextPollTimeoutMillis = -1，说明没有消息了，则接着向下执行，如果退出消息队列，则说明所有消息都执行完了，最终调用nativeDestroy方法，如果不退出消息队列，则要进入等待状态。如果第一次进入，并且当前消息为空或者消息不为空，但是处于等待状态，那么要获取IdleHandler个数，如果小于等于0，则说明没有IdleHandler运行，调用continue执行下一次循环，如果IdleHandler个数大于0，但是等待的Handler（mPendingIdleHandlers）为空，则要创建IdleHandler数组，将mIdleHandlers放入数据，然后for循环调用每个IdleHandler的queueIdle方法，如果这个方法返回false，则从数组移除这个对象，否则保留改对象，下次空闲继续执行，最后将pendingIdleHandlerCount置为0，nextPollTimeoutMillis置为0，继续下一次循环。
那么到此，整个循环就讲完了，因为不懂C++代码，所以底层没法分析，只能分析framework层代码，说了很多还是需要自己对比代码多理解。
5.Handler的使用方法
我们在使用Handler的时候软件会提示我们有问题，那么到底该怎么写Handler呢，我从Stack Overflow找到了答案，在这就分享一下：
首先，定义一个静态MxHandler继承Handler，里面使用弱引用：
public abstract class MxHandler<T> extends Handler {
private WeakReference<T> weak;
public MxHandler(T t) {
this.weak = new WeakReference<T>(t);
}
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
if (null == weak || null == weak.get()) {
return;
}
handleMessage(msg, weak);
super.handleMessage(msg);
}
protected abstract void handleMessage(Message msg, WeakReference<T> weak);
}
然后我们再写具体的MyHandler继承这个MxHandler：
private static final class MyHandler extends MxHandler<HandlerDemo> {
public MyHandler(HandlerDemo handlerDemo) {
super(handlerDemo);
}
@Override
protected void handleMessage(Message msg, WeakReference<HandlerDemo> weak) {
switch (msg.what) {
case 0:
HandlerDemo h = weak.get();
h.doSomething();
break;
default:
break;
}
}
}
这样我们在Activity中使用是不会出现内存泄漏之类的错误。
参考：
android的消息处理机制（图+源码分析）——Looper,Handler,Message
Android中Thread、Handler、Looper、MessageQueue的原理分析
Android 异步消息处理机制 让你深入理解 Looper、Handler、Message三者关系
Android应用程序消息处理机制（Looper、Handler）分析
注
Android开发群：192508518
微信公众账号：Code-MX
注：本文原创，转载请注明出处，多谢。
