Android - Handler消息机制
2020-02-26 本文已影响0人
沧海之舟
一. 概念
1. Handler
个人理解：
- 消息辅助类，Handler 是主线程和子线程沟通的桥梁，可以通过以 send / post 为前缀的一些方法（例如:sendMessage、postDelayed）发送消息（Message）到消息队列（MessageQueue）；也可以处理消息循环器（Looper）分发过来的消息（Message），轻松的将一个任务切换到 Handler 所在的线程中执行。Android不允许在子线程中更新UI，在子线程执行耗时操作后，通过Handler将更新UI的操作切换到主线程执行。
Google官方文档的介绍（我的蹩脚翻译）：
- 通过 Handler 可以发送和处理 Message / Runnable 对象，Message 和 Runnable 跟线程的MessageQueue 相关。每个 Handler 实例都关联一个线程（Thread）和该线程的消息队列（MessageQueue）。创建Handler的同时会绑定到 Looper 。Looper 可以在 MessageQueue 里 添加 /取出 Message / Runnable ，并且 Looper 是运行在创建Handler的线程中。
- Handler 有两个主要的用途：
- 使 Message / Runnable 在未来的某个时间点得到处理。
- 处理不同线程的队列消息
- Handler可以通过
post(Runnable),postAtTime(java.lang.Runnable, long),postDelayed(Runnable, Object, long),sendEmptyMessage(int),sendMessage(Message),sendMessageAtTime(Message, long), andsendMessageDelayed(Message, long)发送消息。以 post 版本的方法是将 Runnable 对象封装成Message添加到消息队列，当Handler接收到消息时，会回调Runnable的run()方法;sendMessage 版本的方法将携带一些信息的Message对象添加到消息队列，当接收消息时，会回调handleMessage(Message)方法，这个方法在你创建Handler的时候由自己来重写。
2. Message
个人理解：
- 存储通信数据信息，是Handler发送、处理的消息对象。用于在主线程和子线程中传递。在子线程中将各种需要更新到UI的数据信息封装到Message中，然后通过Handle在主线程中解析出Message的信息，更新到UI。
Google官方文档的介绍（我的翻译）：
-
Message 可用于发送给 Handler ，它包含三种int类型（what、arg1、arg2）和一个对象（obj）字段，不需要你自己再添加配置字段。
☆ 虽然 Message 的构造方法是 public 的,但是最高效的方式是通过调用 Message.obtain() 或者 Handler#obtainMessage 方法获得 Message 对象, 这种方式是通过对象池来获取Message 。
3. MessageQueue
个人理解：
- 消息队列, 消息队列的主要功能是向消息池发送消息(
MessageQueue.enqueueMessage())和取走消息池的消息(MessageQueue.next())；尽管MessageQueue叫消息队列，但是它的内部实现并不是用的队列，实际上它是通过一个单链表的数据结构（即Message）来维护消息列表，单链表在插入和删除上比较有优势。
Google官方文档的介绍（我的翻译）：
- 一个简单的类，持有 Looper 分发的消息列表。Message 不是直接添加到 MessageQueue 中，而是通过跟Looper相关的Handler对象。
- 可以通过 Looper.myQueue() 获取当前线程的MessageQueue。
4. Looper :
个人理解：
- 消息循环器，通过 Looper.loop() 负责在消息队列（MessageQueue）循环取出消息（Message），并且分发给对应的处理者（Handler）。是消息队列（MessageQueue）与处理者（Handler）的通信媒介。每个线程只能拥有一个 Looper ；一个 Looper 可以绑定多个线程的 Handler；所以多个线程通过Handler 发送 Message 时，是往同1个 Looper 所持有的 MessageQueue 中发送消息，提供了线程间通信的可能。
Google 官方文档的介绍（我的翻译）：
-
Looper这个类用于在线程中进行消息循环。默认创建的子线程没有 Looper，如果创建的话，在线程中调用 prepare() ，然后调用 loop() 开启消息循环。
-
大部分与消息循环器（Looper）的交互是通过 Handler 类。
-
下面是一个 Looper/Thread 的典型例子，通过 prepare() 和 loop() ，创建 Handler 和Looper交互。
class LooperThread extends Thread { public Handler mHandler; public void run() { Looper.prepare(); mHandler = new Handler() { public void handleMessage(Message msg) { // process incoming messages here } }; Looper.loop(); } }
二. 源码解读：
从一个普通的例子说起：
//1.在主线程以匿名内部类的方式创建Handler对象
private Handler mHandler = new Handler() {
@Override
public void handleMessage(@NonNull Message msg) {
//更新UI
}
};
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//2.创建消息对象
Message msg = Message.obtain();
msg.what = 1;
//3.在子线程中通过Handler发送消息到消息队列中
mHandler.sendMessage(msg);
}
}).start();
分析1：
/**
* Handler的无参构造方法
*
*/
public Handler() {
//待分析：1
this(null, false);
}
//分析：1
public Handler(@Nullable Callback callback, boolean async) {
//1.1 匿名类、内部类、本地类都必须声明为static,否则就会出现我们常看到的黄色代码块的警告，
// 提示可能会出现内存泄漏
//async默认是false，即创建Handler时，决定了以后创建的普通消息就是同步消息
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());
}
}
//1.2 在ThreadLocal中获取当前线程的Looper对象，如果没有Looper则无法创建Handler
mLooper = Looper.myLooper();
if (mLooper == null) {
throw new RuntimeException(
"Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
+ " that has not called Looper.prepare()");
}
//1.3 消息队列，来自Looper对象
mQueue = mLooper.mQueue;
mCallback = callback;//回调方法
mAsynchronous = async;//设置消息是否为异步处理方式
}
问题：上述1.2 的Looper对象是怎么来的呢？
答：分两种情况：
-
如果在主线程中创建Handler。在 Android 应用进程启动时，会默认创建 1 个主线程 ActivityThread（Android的主线程就是 ActivityThread ，也叫UI线程），主线程的入口方法为 main() ，在 main() 方法中系统会通过 Looper.prepareMainLooper() 来创建主线程的 Looper 以及 MessageQueue ，并通过 Looper.loop() 来开启主线程的消息循环。这个过程就是上面代码所示。
-
如果在子线程中创建Handler。则必须为当前线程创建 Looper，所以需要手动调用Looper.prepare() 创建Looper，然后调用 loop() 开启消息循环。
public final class ActivityThread extends ClientTransactionHandler { public static void main(String[] args) { //...省略部分无关代码... //通过Looper.prepareMainLooper()来创建主线程的Looper以及MessageQueue //待分析：2 Looper.prepareMainLooper(); //...省略部分无关代码... ActivityThread thread = new ActivityThread(); thread.attach(false, startSeq); //...省略部分无关代码... //待分析：3 //通过Looper.loop()来开启主线程的消息循环 Looper.loop(); } }
分析2、分析3：
/**
* Looper这个类用于在线程中进行消息循环。
*/
public final class Looper {
//创建Looper的同时，创建了MessageQueue，并且绑定了当前线程
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
/**分析：2
* 初始化当前线程的Looper，并且标记为应用程序的主线程Looper。
* 应用程序的主线程Looper是Android环境自动创建的，所以
* 不需要你自己去调用这些方法。
*/
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
//主线程的Looper
sMainLooper = myLooper();
}
}
/** 默认手动创建的子线程没有Looper，如果创建的话，在子线程中调用prepare()，
* 然后调用 loop() 开启消息循环。
*/
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
if (sThreadLocal.get() != null) {
//在这里也可以看出每个线程只能有 1 个Looper
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
//在这里创建了Looper，在上面Looper的构造方法里可以看出，创建Looper的同时，
//创建了MessageQueue，并且绑定了当前线程
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
/**分析：3
* 在当前线程执行消息循环。在消息循环结束后要调用 quit() 方法
*/
public static void loop() {
//获取ThreadLocal存储的Looper对象
final Looper me = myLooper();
if (me == null) {
//在调用loop()之前必须通过Looper.prepare()获取Looper对象
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
//获取Looper对象中的消息队列
final MessageQueue queue = me.mQueue;
//进入loop的消息循环
for (;;) {
//取出消息队列里的消息，这里会导致阻塞
//待分析：4
Message msg = queue.next();
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
//通过Message的target（target是Handler对象）进行消息的派发,
//即回调Hander.dispatchMessage(msg)
//待分析：5
msg.target.dispatchMessage(msg);
//回收Message，放入消息池。
msg.recycleUnchecked();
}
}
}
分析4：
public final class MessageQueue {
/**分析：4
* 在消息队列中取出下一条消息
*/
Message next() {
final long ptr = mPtr;
//当消息循环已经退出，则直接返回
if (ptr == 0) {
return null;
}
//在第一次循环迭代时为-1
int pendingIdleHandlerCount = -1;
int nextPollTimeoutMillis = 0;
for (;;) {
//...省略部分无关代码
//这是native的方法。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。
//当nextPollTimeoutMillis时长已经消耗完，或者消息队列被唤醒，都会返回。
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
// Try to retrieve the next message. Return if found.
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
android.os.Message prevMsg = null;
android.os.Message msg = mMessages;
//当消息的Handler为空时，则查询异步消息
if (msg != null && msg.target == null) {
//当查询到异步消息，则立刻退出循环
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
if (msg != null) {
if (now < msg.when) {
//当异步消息的触发时间大于当前时间，则设置下一次轮循的超时时长。
//在下次循环时nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis)执行等待这个时长。
//源码的注释是这样说的：下一个消息还没有就绪。设置一个唤醒该消息的超时时间。
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
// 获取一条消息，并返回给Looper.loop()的for循环里
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
mMessages = msg.next;
}
msg.next = null;
if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
//设置消息的使用状态
msg.markInUse(); // void markInUse() { flags |= FLAG_IN_USE; }
return msg; // 返回MessageQueue中的下一条即将执行的消息
}
} else {
// 没有消息则返回-1
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
//所有挂起的消息已经处理完毕，消息正在退出，返回null
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
//当消息队列为空，或者消息队列里即将处理的消息是是第一条时。
if (pendingIdleHandlerCount < 0 && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
}
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
//没有dle handlers需要运行。则循环并等待
mBlocked = true;
continue;
}
if (mPendingIdleHandlers == null) {
mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
}
mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
}
//只在第一次迭代循环时会进入下面的代码来运行idle handlers 。
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();//idle时执行的方法
} catch (Throwable t) {
Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
}
if (!keep) {
synchronized (this) {
mIdleHandlers.remove(idler);
}
}
}
//重置idle handler个数为0，以保证不会再次重复运行
pendingIdleHandlerCount = 0;
//当调用一个空闲handler时，一个新message能够被分发，
//因此无需等待可以直接查询pending message.
nextPollTimeoutMillis = 0;
}
}
}
分析5 ：
public class Handler {
/**分析：5
* 根据传入的消息方式，来决定处理消息的回调方法
*/
public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
// 优先级1： 若msg.callback属性不为空，则代表使用了post（Runnable r）发送消息
// 则执行handleCallback(msg)，即回调Runnable对象里复写的run（）
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
//优先级2：如果mCallback！=null，则执行
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
//优先级3：执行创建Handler时重写的handleMessage(msg)方法
handleMessage(msg);
}
}
private static void handleCallback(Message message) {
message.callback.run();
}
}
至此，消息循环、分发的过程分析完毕，总结一下：
-
通过 Looper.loop() 里的 for 循环来不断轮询消息；
-
通过 for 循环里的 MessageQueue.next() 方法获取下一条要处理的消息；
-
MessageQueue 的 next() 方法去获取消息队列里的消息；
-
成功获取到一条消息，则通过Message的target属性（即Handler）调用dispatchMessage(msg)方法处理消息，在该方法里又有三种不同的消息处理回调方式（代码里可以看出是有3种优先级顺序的），回调方式因创建Handler和发送消息方式的不同而不同。
-
如果消息的触发时间大于当前时间，则在next()方法里阻塞，阻塞时间根据创建消息时设定的延迟时间决定；这里涉及到native的方法，有利于节省CPU的资源。
-
下一步，我们继续分析消息的发送、入队过程：
在子线程中通过Handler发送消息到消息队列中 :
- send/post 发送消息的各种方法，最终都是调用 MessageQueue.enqueueMessage()方法
send方法：
public class Handler {
//将消息发送到消息队列
public final boolean sendMessage(@NonNull Message msg) {
return sendMessageDelayed(msg, 0);
}
public final boolean sendMessageDelayed(@NonNull Message msg, long delayMillis) {
if (delayMillis < 0) {
delayMillis = 0;
}
return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}
public boolean sendMessageAtTime(@NonNull Message msg, long uptimeMillis) {
//获取对应的消息队列对象
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);
}
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 sendMessageAtFrontOfQueue(@NonNull Message msg) {
//获取对应的消息队列对象
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, 0);
}
private boolean enqueueMessage(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
long uptimeMillis) {
//将当前的Handler对象赋值给msg.target；
//这里可以和Looper.loop()的for循环里的msg.target.dispatchMessage(msg)联系起来理解；
//target就是在这里被赋值的。
msg.target = this;
msg.workSourceUid = ThreadLocalWorkSource.getUid();
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
//调用消息队列的enqueueMessage()，将消息加入消息队列
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
}
post方法：
public class Handler {
public final boolean post(@NonNull Runnable r) {
return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}
public final boolean postAtFrontOfQueue(@NonNull Runnable r) {
return sendMessageAtFrontOfQueue(getPostMessage(r));
}
public final boolean postAtTime(@NonNull Runnable r, long uptimeMillis) {
return sendMessageAtTime(getPostMessage(r), uptimeMillis);
}
public final boolean postDelayed(@NonNull Runnable r, long delayMillis) {
return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), delayMillis);
}
//可以看出，post方式是通过将Runnable赋值给Message的callback属性，封装成Message，
//归根到底和send方式一样，都是发送的Message消息。
private static Message getPostMessage(Runnable r, Object token) {
Message m = Message.obtain();
m.obj = token;
m.callback = r;
return m;
}
}
开始分析 MessageQueue.enqueueMessage() 方法
public final class MessageQueue {
boolean enqueueMessage(android.os.Message msg, long when) {
//Message必须有一个target（即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);
//如果是正在退出时，回收msg，加入到消息池。recycle()方法我们在下面会分析。
msg.recycle();
return false;
}
msg.markInUse();
msg.when = when;
android.os.Message p = mMessages;
boolean needWake;
//p == null 即消息队列里没有消息，或者msg的触发时间是队列中最早的，则将当前消息作为队头插入；
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
msg.next = p;
mMessages = msg;
//如果此时消息队列的循环处于阻塞状态，则唤醒
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是队列中最早执行的异步消息。
needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
android.os.Message prev;
for (;;) {
prev = p;
p = p.next;
if (p == null || when < p.when) {
//1.第一次循环，msg的触发时间比队头的消息还要早，则跳出for循环，直接加到队头。
//2.往后再次循环，如果遍历到队尾（即 p 节点==null），
//或者当前遍历到的 p 节点的触发时间大于msg的触发时间，则跳出for循环
//将此msg添加到p节点之前(即msg.next = p)。
break;
}
//如果新加入的消息是异步消息，并且通过上面的if判断可知:如果新消息按照时间顺序排列的话，不
//是队头的元素(即比队头的元素触发时间还要晚），则不需要唤醒(即needWake = false)。
if (needWake && p.isAsynchronous()) {
needWake = false;
}
}
//链表的操作，将msg添加到链表相应的位置。
msg.next = p; // invariant: p == prev.next
prev.next = msg;
}
// 消息没有退出，我们认为此时mPtr != 0
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
至此，消息入队的过程分析完毕，总结一下：
- Message入队是按照Message触发时间的先后顺序排列的，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。
下面，我们继续分析创建消息（Message）对象的最佳方式：
//创建消息对象
Message msg = Message.obtain();
/**
* 在消息池里返回一个Message对象。避免了创建新对象。
*/
public static Message obtain() {
synchronized (sPoolSync) {
if (sPool != null) {
Message m = sPool;//取出一个消息对象
sPool = m.next;
m.next = null;//将取出的消息在链表里断开连接
m.flags = 0; // 清除 in-use flag
sPoolSize--; //消息池的可用大小减一
return m;
}
}
//当消息池为空时，直接新建消息对象
return new Message();
}
以上获取Message实例的过程总结为：
- 如果消息池不是空的，从消息池（链表结构）的头部取走一个Message，并将链表的头部更新为取走消息的next（即下一条Message）。否则新建Message对象。
下面分析recycle（即Message的回收）：
- 其中在Looper.loop()方法取出一条消息交给Handler处理后，有一个回收Message到消息池的操作，调用的是recycleUnchecked()：
public final class Message implements Parcelable {
public void recycle() {
//判断消息是否正在使用
if (isInUse()) {
if (gCheckRecycle) {
throw new IllegalStateException("This message cannot be recycled because it "
+ "is still in use.");
}
return;
}
recycleUnchecked();
}
/**
* 该方法在处理排队的消息时，在MessageQueue 和 Looper内部调用
*/
void recycleUnchecked() {
//将消息标示为IN_USE，并清空消息所有的参数。
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) {
//消息池的大小是MAX_POOL_SIZE = 50，当消息池没有满时，将Message对象加入消息池
if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
next = sPool;
sPool = this;//将消息添加到消息池的头部
//消息池的可用大小进行加1操作
sPoolSize++;
}
}
}
}
以上总结为：为了提高效率，减少对象频繁的创建和回收过程，提供了一个消息缓存队列。消息池的默认大小是50，当需要回收消息时（比如：分发消息给Handler处理后），将消息的属性参数清空，然后将回收的消息添加到消息池的头部。
至此，Android的消息机制分析完毕，Android的消息机制源码远没有这么简单，以上仅从Java层进行了分析，对于Native层的分析没有涉及到。希望大家一起加油，踏踏实实分析源码的脉络，遇到同样的问题，做到胸有成竹。也欢迎在留言区一起讨论，一起成长！
参考资料：
1.https://developer.android.google.cn/reference/android/os/Handler?hl=en
2.http://gityuan.com/2015/12/26/handler-message-framework/
3 .https://www.jianshu.com/p/b4d745c7ff7a
4.Android开发艺术探索第十章
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