手把手带你看源码：一文说透Handler原理

Handler，老生常谈，网上关于它的文章也是“泛滥成灾”，但实际开发很少手写Handler，
毕竟，写异步，RxAndroid链式调用 或者 Kotlin协程同步方式写异步代码 还是挺香的。
不过，面试官都喜欢章口就来一句：

当然，应对方法也很简单，找一篇《…Handler详解》之类的文章，背熟即可~
不过，对于我这种好刨根问底的人来说，自己过一遍源码心理才踏实，
而且，我发现「带着问题」看源码，思考理解本质，印象更深，收获更多，遂有此文。

罗列下本文提及的问题，如有答不出的可按需阅读，谢谢~

• 1、Handler问题三连：是什么？有什么用？为什么要用Handler，不用行不行？
• 2、Android UI更新机制(GUI) 为何设计成了单线程的？
• 3、真的只能在主(UI)线程中更新UI吗？
• 4、真的不能在主(UI)线程中执行网络操作吗？
• 5、Handler怎么用？
• 6、为什么建议使用Message.obtain()来创建Message实例？
• 7、为什么子线程中不可以直接new Handler()而主线程中可以？
• 8、主线程给子线程的Handler发送消息怎么写？
• 9、HandlerThread实现的核心原理？
• 10、当你用Handler发送一个Message，发生了什么？
• 11、Looper是怎么拣队列里的消息的？
• 12、分发给Handler的消息是怎么处理的？
• 13、IdleHandler是什么？
• 14、Looper在主线程中死循环，为啥不会ANR？
• 15、Handler泄露的原因及正确写法
• 16、Handler中的同步屏障机制
• 17、Android 11 Handler相关变更

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0x1、Handler问题三连

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1.Handler是什么

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答：Android定义的一套 子线程与主线程间通讯 的 消息传递机制 。

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2.Handler有什么用

答：把子线程中的 UI更新信息传递 给主线程(UI线程)，以此完成UI更新操作。

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3.为什么要用Handler，不用行不行

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答：不行，Handler是android在设计之初就封装了一套消息创建、传递、处理机制。

Android要求：

我们在主线程(UI)线程中更新UI

是要求，建议，不是规定，你不听，硬要：

在子线程中更新UI，也是可以的！！！

比如，在一个子线程中，创建一个对话框：

运行后：

没有报错，对话框正常弹出，而我们平时在 子线程中更新UI 的错：

异常翻译：只有创建这个view的线程才能操作这个view；
引起原因：在子线程中更新了主线程创建的UI；
也就是说：子线程更新UI也行，但是只能更新自己创建的View；
换句话说：Android的UI更新(GUI)被设计成了单线程；

你可能会问，为啥不设计成多线程？

答：多个线程同时对同一个UI控件进行更新，容易发生不可控的错误！

那么怎么解决这种线程安全问题？

答：最简单的 加锁，不是加一个，是每层都要加锁（用户代码→GUI顶层→GUI底层…）这样也意味着更多的 耗时，UI更新效率降低；如果每层共用同一把锁的话，其实就是单线程。

所以，结论是：

Android没有采用「线程锁」，而是采用「单线程消息队列机制」，实现了一个「伪锁」

这个疑问解决了，再说一个网上很常见的主线程更新UI的例子：

上面这段代码 直接在子线程中更新了UI，却没有报错：

这是要打脸吗？但如果在子线程中加句线程休眠模拟耗时操作的话：

程序就崩溃了，报错如下：

前面说了 Android的UI更新被设计成单线程，这里妥妥滴会报错，但却发生在延迟执行后？
限于篇幅，这里就不去跟源码了，直接说原因：

ViewRootImp 在 onCreate() 时还没创建；
在 onResume()时，即ActivityThread 的 handleResumeActivity() 执行后才创建，
调用 requestLayout()，走到 checkThread() 时就报错了。

可以打个日志简单的验证下：

加上休眠：

行吧，以后去面试别人问「子线程是不是一定不可以更新UI」别傻乎乎的说是了。

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4.引生的另一个问题

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说到「只能在主线程中更新UI」我又想到另一个问题「不能在主线程中进行网络操作」

上述代码运行直接闪退，日志如下：

NetworkOnMainThreadException：网络请求在主线程进行异常。

em… 真的不能在主线程中做网络操作吗？

在 onCreate() 的 setContentView() 后插入下面两句代码：

运行下看看：

这…又打脸？先说下 StrictMode(严苟模式)

Android 2.3 引入，用于检测两大问题：ThreadPolicy(线程策略) 和 VmPolicy(VM策略)

相关方法如下：

把严苟模式的网络检测关了，就可以 在主线程中执行网络操作了，不过一般是不建议这样做的：

在主线程中进行耗时操作，可能会导致程序无响应，即 ANR (Application Not Responding)。

至于常见的ANR时间，可以在对应的源码中找到：

// ActiveServices.java → Service服务static final int SERVICE_TIMEOUT = 20*1000;     // 前台static final int SERVICE_BACKGROUND_TIMEOUT = SERVICE_TIMEOUT * 10;     // 后台// ActivityManagerService.java → Broadcast广播、InputDispatching、ContentProviderstatic final int BROADCAST_FG_TIMEOUT = 10*1000;    // 前台static final int BROADCAST_BG_TIMEOUT = 60*1000;    // 后台static final int KEY_DISPATCHING_TIMEOUT = 5*1000;  // 关键调度static final int CONTENT_PROVIDER_PUBLISH_TIMEOUT = 10*1000;    // 内容提供者复制代码

时间统计区间：

• 起点：System_Server 进程调用 startProcessLocked 后调用 AMS.attachApplicationLocked()
• 终点：Provider 进程 installProvider及publishContentProviders 调用到 AMS.publishContentProviders()
• 超过这个时间，系统就会杀掉 Provider 进程。

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0x2、Handler怎么用

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1.sendMessage() + handleMessage()

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代码示例如下：

黄色部分会有如下警告

Handler不是静态类可能引起「内存泄露」，原因以及正确写法等下再讲。
另外，建议调用 Message.obtain() 函数来获取一个Message实例，为啥？点进源码：

从源码，可以看到obtain()的逻辑：

• 加锁，判断Message池是否为空
• ① 不为空，取一枚Message对象，正在使用标记置为0，池容量-1，返回；
• ② 为空，新建一个Message对象，返回；

Message池复用Message，可以「避免重复创建实例对象」节约内存，
另外，Message池其实是一个「单链表结构」

上述获取消息池的逻辑：

定位到下述代码，还可以知道：池的容量为50，超过

然后问题来了，Message信息什么时候加到池中？

答：当Message 被Looper分发完后，会调用 recycleUnchecked()函数，回收没有在使用的Message对象。

标志设置为FLAG_IN_USE，表示正在使用，相关属性重置，加锁，判断消息池是否满，
未满，「单链表头插法」把消息插入到表头。(获取和插入都发生在表头，像不像 栈~)

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2.post(runnable)

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代码示例如下：

跟下post()：

实际上调用了 sendMessageDelayed() 发送消息，只不过延迟秒数为0，
那Runnable是怎么变成Message的呢？跟下getPostMessage()

噢，获取一个新的Message示例后，把 Runnable 变量的值赋值给 callback属性

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3.附：其他两个种在子线程中更新UI的方法

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activity.runOnUiThread()

view.post() 与 view.postDelay()

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0x3、Handler底层原理解析

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终于来到稍微有点技术含量的环节，在观摩源码了解原理前，先说下几个涉及到的类。

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1.涉及到的几个类

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2.前戏

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在我们使用Handler前，Android系统已为我们做了一系列的工作，其中就包括了

创建「Looper」和「MessageQueue」对象

上图中有写：ActivityThread 的 main函数是APP进程的入口，定位到 ActivityThread → main函数

定位到：Looper → prepareMainLooper函数

定位到：Looper → prepare函数

定位到：Looper → Looper构造函数

另外这里的 mQuitAllowed 变量，直译「退出允许」，具体作用是？跟下 MessageQueue：

em…用来 防止开发者手动终止消息队列，停止Looper循环。

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3.消息队列的运行

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前戏过后，创建了Looper与MessageQueue对象，接着调用Looper.loop()开启轮询。
定位到：Looper → loop函数

接着有几个问题，先是这个 myLooper() 函数：

这里的 ThreadLocal → 线程局部变量 → JDK提供的用于解决线程安全的工具类。
作用：为每个线程提供一个独立的变量副本 → 以解决并发访问的冲突问题。
本质：

每个Thread内部都维护了一个ThreadLocalMap，这个map的key是ThreadLocal,
value是set的那个值。get的时候，都是从自己的变量中取值，所以不存在线程安全问题。

主线程和子线程的Looper对象实例相互隔离的！！！
意味着：主线程和子线程Looper不是同一个!!!

知道这个以后，有个问题就解惑了：

「为什么子线程中不能直接 new Handler()，而主线程可以？」

答：主线程与子线程不共享同一个Looper实例，主线程的Looper在启动时就通过
prepareMainLooper() 完成了初始化，而子线程还需要调用 Looper.prepare()
和 Looper.loop()开启轮询，否则会报错，不信，可以试试：

直接就奔溃了~

加上试试？

可以，程序正常运行，没有报错。
对了，既然说Handler用于子线程和主线程通信，试试在主线程中给子线程的Handler发送信息，修改一波代码：

运行，直接报错：

原因：多线程并发的问题，当主线程执行到sendEnptyMessage时，子线程的Handler还没有创建。
一个简单的解决方法是：主线程延时给子线程发消息，修改后的代码示例如下：

运行结果如下：

可以，不过其实Android已经给我们封装好了一个轻量级的异步类「HandlerThread」

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4.HandlerThread

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HandlerThread = 继承Thread + 封装Looper

使用方法很简单，改造下我们上面的代码：

用法挺简单的，源码其实也很简单，跟一跟：

剩下一个quit()和quitSafely()停止线程，就不用说了，所以HandlerThread的核心原理就是：

• 继承Thread，getLooper()加锁死循环wait()堵塞线程；
• run()加锁等待Looper对象创建成功，notifyAll()唤醒线程；
• 唤醒后，getLooper返回由run()中生成的Looper对象；

是吧，HandlerThread的实现原理竟简单如斯，另外，顺带提个醒!!!

Java中所有类的父类是 Object 类，里面提供了wait、notify、notifyAll三个方法；
Kotlin 中所有类的父类是 Any 类，里面可没有上述三个方法！！！
所以你不能在kotlin类中直接调用，但你可以创建一个java.lang.Object的实例作为lock，
去调用相关的方法。

代码示例如下：

private val lock = java.lang.Object()fun produce() = synchronized(lock) {    while(items>=maxItems) {         lock.wait()    }    Thread.sleep(rand.nextInt(100).toLong())    items++    println("Produced, count is$items:${Thread.currentThread()}")    lock.notifyAll()}fun consume() = synchronized(lock) {    while(items<=0) {        lock.wait()    }    Thread.sleep(rand.nextInt(100).toLong())    items--    println("Consumed, count is$items:${Thread.currentThread()}")    lock.notifyAll()}复制代码

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5.当我们用Handler发送一个消息发生了什么？

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扯得有点远了，拉回来，刚讲到 ActivityThread 在 main函数中调用 Looper.prepareMainLooper
完成主线程 Looper初始化，然后调用 Looper.loop() 开启消息循环 等待接收消息。

嗯，接着说下 发送消息，上面说了，Handler可以通过sendMessage()和 post() 发送消息，
上面也说了，源码中，这两个最后调用的其实都是 sendMessageDelayed()完成的：

第二个参数：当前系统时间+延时时间，这个会影响「调度顺序」，跟 sendMessageAtTime()

获取当前线程Looper中的MessageQueue队列，判空，空打印异常，否则返回 enqueueMessage()，跟：

这里的 mAsynchronous 是 异步消息的标志，如果Handler构造方法不传入这个参数，默认false：
这里涉及到了一个「同步屏障」的东西，等等再讲，跟：MessageQueue -> enqueueMessage

如果你了解数据结构中的单链表的话，这些都很简单。
不了解的可以移步至【面试】数据结构与算法(二) 学习一波~

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6.Looper是怎么拣队列的消息的？

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MessageQueue里有Message了，接着就该由Looper来分拣了，定位到：Looper → loop函数

// Looper.loop()final Looper me = myLooper();           // 获得当前线程的Looper实例final MessageQueue queue = me.mQueue;   // 获取消息队列for (;;) {                              // 死循环        Message msg = queue.next();     // 取出队列中的消息        msg.target.dispatchMessage(msg); // 将消息分发给Handler}复制代码

queue.next() 从队列拿出消息，定位到：MessageQueue -> next函数：

这里的关键其实就是：nextPollTimeoutMillis，决定了堵塞与否，以及堵塞的时间，三种情况：

等于0时，不堵塞，立即返回，Looper第一次处理消息，有一个消息处理完 ；
大于0时，最长堵塞等待时间，期间有新消息进来，可能会了立即返回(立即执行)；
等于-1时，无消息时，会一直堵塞；

Tips：此处用到了Linux的pipe/epoll机制：没有消息时阻塞线程并进入休眠释放cpu资源，有消息时唤醒线程；

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7.分发给Handler的消息是怎么处理的？

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通过MessageQueue的queue.next()拣出消息后，调用msg.target.dispatchMessage(msg)
把消息分发给对应的Handler，跟到：Handler -> dispatchMessage

image.png

到此，关于Handler的基本原理也说的七七八八了~

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8.IdleHandler是什么？

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有人说：把idleHandler加上就完整了，那就安排下吧~
在 MessageQueue 类中有一个 static 的接口 IdleHanlder

翻译下注释：当线程将要进入堵塞，以等待更多消息时，会回调这个接口；
简单点说：当MessageQueue中无可处理的Message时回调；
作用：UI线程处理完所有View事务后，回调一些额外的操作，且不会堵塞主进程；

接口中只有一个 queueIdle() 函数，线程进入堵塞时执行的额外操作可以写这里，
返回值是true的话，执行完此方法后还会保留这个IdleHandler，否则删除。

使用方法也很简单，代码示例如下：

输出结果如下：

看下源码，了解下具体的原理：MessageQueue，定义了一个IdleHandler的列表和数组

定义了添加和删除IdleHandler的函数：

在 next() 函数中用到了 mIdleHandlers 列表：

image.png

原理就这样，一般使用场景：绘制完成回调，例子可参见：
《你知道 android 的 MessageQueue.IdleHandler 吗？》
也可以在一些开源项目上看到IdleHandler的应用：
useof.org/java-open-s…

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0x4、一些其他问题

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1.Looper在主线程中死循环，为啥不会ANR？

答：上面说了，Looper通过queue.next()获取消息队列消息，当队列为空，会堵塞，
此时主线程也堵塞在这里，好处是：main函数无法退出，APP不会一启动就结束！

你可能会问：主线程都堵住了，怎么响应用户操作和回调Activity声明周期相关的方法？

答：application启动时，可不止一个main线程，还有其他两个Binder线程：ApplicationThread 和 ActivityManagerProxy，用来和系统进程进行通信操作，接收系统进程发送的通知。

• 当系统受到因用户操作产生的通知时，会通过 Binder 方式跨进程通知 ApplicationThread;
• 它通过Handler机制，往 ActivityThread 的 MessageQueue 中插入消息，唤醒了主线程；
• queue.next() 能拿到消息了,然后 dispatchMessage 完成事件分发；
  PS：ActivityThread 中的内部类H中有具体实现

死循环不会ANR，但是 dispatchMessage 中又可能会ANR哦！如果你在此执行一些耗时操作，
导致这个消息一直没处理完，后面又接收到了很多消息，堆积太多，就会引起ANR异常!!!

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2.Handler泄露的原因及正确写法

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上面说了，如果直接在Activity中初始化一个Handler对象，会报如下错误：

原因是：

在Java中，非静态内部类会持有一个外部类的隐式引用，可能会造成外部类无法被GC；
比如这里的Handler，就是非静态内部类，它会持有Activity的引用从而导致Activity无法正常释放。

而单单使用静态内部类，Handler就不能调用Activity里的非静态方法了，所以加上「弱引用」持有外部Activity。

代码示例如下：

private static class MyHandler extends Handler {    //创建一个弱引用持有外部类的对象    private final WeakReference<MainActivity> content;    private MyHandler(MainActivity content) {        this.content = new WeakReference<MainActivity>(content);    }    @Override    public void handleMessage(Message msg) {        super.handleMessage(msg);        MainActivity activity= content.get();        if (activity != null) {            switch (msg.what) {                case 0: {                    activity.notifyUI();                }            }        }    }}复制代码

转换成Kotlin:（Tips：Kotlin 中的内部类，默认是静态内部类，使用inner修饰才为非静态~）

private class MyHandler(content: MainActivity) : Handler() {    //创建一个弱引用持有外部类的对象    private val content: WeakReference<MainActivity> = WeakReference(content)    override fun handleMessage(msg: Message) {        super.handleMessage(msg)        val activity = content.get()        if (activity != null) {            when (msg.what) {                0 -> {                    activity.notifyUI()                }            }        }    }}复制代码

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3.同步屏障机制

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通过上面的学习，我们知道用Handler发送的Message后，MessageQueue的enqueueMessage()按照 时间戳升序 将消息插入到队列中，而Looper则按照顺序，每次取出一枚Message进行分发，一个处理完到下一个。这时候，问题来了：有一个紧急的Message需要优先处理怎么破？你可能或说直接sendMessage()不就可以了，不用等待立马执行，看上去说得过去，不过可能有这样一个情况：

一个Message分发给Handler后，执行了耗时操作，后面一堆本该到点执行的Message在那里等着，这个时候你sendMessage()，还是得排在这堆Message后，等他们执行完，再到你！

对吧？Handler中加入了「同步屏障」这种机制，来实现「异步消息优先执行」的功能。

添加一个异步消息的方法很简单：

• 1、Handler构造方法中传入async参数，设置为true，使用此Handler添加的Message都是异步的；
• 2、创建Message对象时，直接调用setAsynchronous(true)

一般情况下：同步消息和异步消息没太大差别，但仅限于开启同步屏障之前。可以通过 MessageQueue 的 postSyncBarrier 函数来开启同步屏障：

行吧，这一步简单的说就是：往消息队列合适的位置插入了同步屏障类型的Message (target属性为null)
接着，在 MessageQueue 执行到 next() 函数时：

遇到target为null的Message，说明是同步屏障，循环遍历找出一条异步消息，然后处理。
在同步屏障没移除前，只会处理异步消息，处理完所有的异步消息后，就会处于堵塞。
如果想恢复处理同步消息，需要调用 removeSyncBarrier() 移除同步屏障：

在API 28的版本中，postSyncBarrier()已被标注hide，但依旧可在系统源码中找到相关应用，比如：
为了更快地响应UI刷新事件，在ViewRootImpl的scheduleTraversals函数中就用到了同步屏障：

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4、Android 11 R Handler 变更

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官方文档：developer.android.google.cn/reference/a…

构造函数：

• Handler() 废弃 → Handler(Looper.myLooper())
• Handler(Handler.Callback callback) 废弃 → Handler(Looper.myLooper(), callback)

Looper.prepareMainLooper () 废弃
原因：主线程的Looper是由系统自动创建的，无需用户自行调用。

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参考文献：

• Android Handler：手把手带你深入分析 Handler机制源码
• Handler 都没搞懂，拿什么去跳槽啊？
• Android中为什么主线程不会因为Looper.loop()里的死循环卡死？
• GUI为什么不设计为多线程
• Android 11 (R) 之 Handler 相关变化

作者：coder-pig
链接：https://juejin.im/post/5eb3cb09518825595138db51