轻松而深入理解Android的消息机制之Handler运行机制
一提到Android的消息机制，相信各位看官一定会马上联想到Handler，Handler作为更新UI的神器之一，我们在日常开发中也就自然而然地会频繁涉及这方面的内容，今天在《轻松而深入理解Android的消息机制》系列第一篇中，我们就来梳理一下Handler的运行机制。
Handler的实际作用
我们大多数使用Handler都是为了去更新UI，但实际上Handler的功能不仅仅如此，更新UI也只是Handler的一个特殊使用场景。Handler的作用主要有两个：
a.控制某个任务的开始执行时间;
b.将某个任务切换到指定线程中执行。
简述Handler的运行机制
Handler运行机制实际上是Handler、Looper和MessageQueue三者共同协作的工作过程。
Looper：消息循环，无限循环查询是否有新消息处理，若没有则等待。
MessageQueue：消息队列，它的内部存储了一组消息，以队列的形式对外提供插入和删除工作，其只是一个消息的存储单元，并不能去处理消息。
Handler创建时会采用当前线程的Looper，并获取到Looper中的MessageQueue来构建内部的消息循环系统，若当前线程没有Looper，则会抛出RuntimeException。Handler创建完毕后，当Handler的post方法或者send方法被调用时，Handler会将消息插入到消息队列中，而后当Looper发现有新消息到来时，就会处理这个消息，最终消息的处理过程会在消息中的Runnable或者Handler的handleMessage方法中执行。
为了便于理解，我们可以将上述过程类比为工厂的生长线，Handler是工人，负责产品的投放和包装，Looper是发动机，一直处于开启状态，MessageQueue是传送带，产品当然就是Message了。
此处上图：
Android消息机制流程制图.png
Handler的工作原理
Handler的工作主要包含消息的发送和接受过程。
Handler的创建
Handler有两个构造方法需要留意一下：
a.当我们创建Handler时不传入Looper时会调用此构造方法，从代码中我们可以很轻易地找到在没有Looper的子线程中创建Handler会引发程序异常的原因。
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;
}
b.创建Handler时传入Looper时会调用此构造方法
public Handler(Looper looper, Callback callback, boolean async) {
mLooper = looper;
mQueue = looper.mQueue;
mCallback = callback;
mAsynchronous = async;
}
发送消息
消息的发送可以通过post的一系列方法以及send的一系列方法来实现，post的一系列方法最终也是通过send的一系列方法来实现的，这里需要注意的是send方法传入的是Message对象，而post方法传入的是Runnable对象，而这个Runnable对象又会被存储在msg.callback中。
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;
}
从上面的流程图中，我们可以清晰地看到无论是post方法还是send方法最终都会调用enqueueMessage方法，而从代码也可以看出，Handler发送消息的过程仅仅是向队列中插入一条消息的过程。
public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {
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);
}
private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
// 这里需要特别注意，将当前Handler保存于Message.target中
msg.target = this;
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
接收消息
Handler向队列中插入一条消息后，最后会经过Looper处理交由Handler处理，此时Handler的dispatchMessage方法会被调用。
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
在dispatchMessage方法中，首先看msg.callback != null，msg.callback似曾相识啊，没错，前面提到了调用post方法时传入的Runable对象会存储在Message.callback中，handleCallback的逻辑如下：
private static void handleCallback(Message message) {
message.callback.run();
}
在Handler类中，有一个接口类Callback，实现这个接口需要实现handleMessage(Message msg)方法，这个类到底有什么用呢？我们都知道Handler类中有一个空方法handleMessage(Message msg) ，所有Handler的子类必须实现这个方法，而Callback的存在也就使得当我们需要创建一个Handler的实例时，我们就不必再派生Handler的子类了。
/**
* Subclasses must implement this to receive messages.
*/
public void handleMessage(Message msg) {
}
final Callback mCallback;
public interface Callback {
/**
* @param msg A {@link android.os.Message Message} object
* @return True if no further handling is desired
*/
public boolean handleMessage(Message msg);
}
梳理完了Handler的工作原理，接下里再来分析Looper的工作原理。
Looper的工作原理
Looper在Android的消息机制中扮演着消息循环的角色，它会不停地从MessageQueue中查看是否有新消息，如果有新消息就会立刻处理，否则就一直阻塞在那里。
Looper的创建
在Looper的构造方法中，Looper创建一个MessageQueue，并且保存了当前线程。
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
我们知道Handler的工作需要Looper，而线程默认是没有Looper的，所以在没有Looper的线程中我们需要通过Looper.prepare()方法为当前线程创建一个Looper，在Looper被创建的同时会将自己保存到自己所在线程的threadLocals变量中。
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
public static void prepare() {
prepare(true);
}
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
if (sThreadLocal.get() != null) {
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
ThreadLocal<T>
ThreadLocal是一个线程内部的数据存储类，其最大的作用在于可以在多个线程中互不干扰地存储和修改数据，这也是解决多线程的并发问题的思路之一。当不同线程访问同一个ThreadLocal的get方法，ThreadLocal内部会从各自的线程中取出一个数组，然后再从数组中根据当前ThreadLocal的索引去查找出对应的value值。
ThreadLocal实际上是一个泛型类，其定义为public class ThreadLocal<T>，在Thread类内部有一个成员专门用于存储线程的ThreadLocal的数据：ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals。
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
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();
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
private T setInitialValue() {
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}
loop()
这个方法是Looper类中最重要的一个方法，只有在调用loop方法后，消息循环系统才会真正地启动。
loop方法首先会获取当前线程所保存的Looper对象和MessageQueue对象，然后调用MessageQueue的next方法来获取新消息，而next是一个阻塞操作，当没有消息时，next方法会一直阻塞在这里。当MessageQueue的next方法返回null时，loop的死循环会跳出。当MessageQueue的next返回新消息时，Looper就会处理这条消息，即msg.target.dispatchMessage(msg)，在Handler的enqueueMessage方法可以看到，msg.target实际上就是发送这条消息的Handler对象，因此Handler发送的消息最终就还是交给了其dispatchMessage方法来处理，此时Handler的dispatchMessage方法是在创建Handler时所使用的Looper中执行的，也就成功将代码逻辑切换到指定的线程中去执行了。
/**
* Return the Looper object associated with the current thread. Returns
* null if the calling thread is not associated with a Looper.
*/
public static @Nullable Looper myLooper() {
return sThreadLocal.get();
}
/**
* Run the message queue in this thread. Be sure to call
* {@link #quit()} to end the loop.
*/
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;
// Make sure the identity of this thread is that of the local process,
// and keep track of what that identity token actually is.
Binder.clearCallingIdentity();
final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
for (;;) {
Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
...
final long start = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
final long end;
try {
msg.target.dispatchMessage(msg);
end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
...
msg.recycleUnchecked();
}
}
quit()和quitSafely()
在子线程中，若手动为其创建了Looper，则在所有的事情处理完成后应调用quit方法来终止消息循环，否则此线程会一直处于等待状态。
quit()会直接退出Looper，quitSafely()只是设定一个退出标记，待消息队列已有消息处理完毕后再安全退出。
public void quit() {
mQueue.quit(false);
}
public void quitSafely() {
mQueue.quit(true);
}
MessageQueue#quit
void quit(boolean safe) {
if (!mQuitAllowed) {
throw new IllegalStateException("Main thread not allowed to quit.");
}
synchronized (this) {
if (mQuitting) {
return;
}
mQuitting = true;
if (safe) {
removeAllFutureMessagesLocked();
} else {
removeAllMessagesLocked();
}
// We can assume mPtr != 0 because mQuitting was previously false.
nativeWake(mPtr);
}
}
Looper的工作原理就分析到这里了，下面我们再来看看MessageQueue的工作原理
MessageQueue的工作原理
MessageQueue的内部存储结构并不是真正的队列，而是采用单链表的数据结构来存储消息队列，单链表在插入和删除数据上是比较有优势的。
MessageQueue主要包含两个操作：插入和读取。读取操作本身会伴随着删除操作，插入和读取对应的方法分别为enqueueMessage和next，其中enqueueMessage的作用是往消息队列中插入一条消息，而next的作用是从消息队列中取出一条消息并将其从消息队列移除。
插入数据：enqueueMessage()
上边提到过，Handler的enqueueMessage方法会向MessageQueue插入数据，此时MessageQueue的enqueueMessage方法会被调用，从代码可以看到，enqueueMessage的要操作实质上就是单链表的插入操作。
这里提一下mQuitting这个布尔变量，当消息循环退出时（MessageQueue的quit()方法被调用时），mQuitting的值为true，此后通过Handler发送的消息都会返回false，也就是我们所说的发送失败。
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;
}
读取数据：next()
next是一个无限循环的方法，如果消息队列中没有消息，next会一直阻塞在这里；当有新消息时，next会返回这条消息并将其从单链表中移除。
当mQuitting值为true时，next方法会返回null，即Looper.loop方法跳出了死循环。
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 (;;) {
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) {
// 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;
}
}
到这里，Handler的运行机制的基本流程也就介绍完毕了，最后再来简单说一下主线程的消息循环。
主线程的消息循环
上面提到过，Handler的使用必须需要在当前线程中创建Looper，然而在实际开发中，我们在主线程使用Handler时却没有创建Looper，这是因为主线程在被创建时就会初始化了Looper，所以主线程中是默认可以使用Handler的。
大家都知道Android的主线程就是ActivityThread，主线程（UI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。此后Looper会一直从消息队列中取消息，然后处理消息。用户或者系统通过Handler不断地往消息队列中插入消息，这些消息不断地被取出、处理、回收，使得应用迅速地运转起来。
public static void main(String[] args) {
...
Process.setArgV0("<pre-initialized>");
Looper.prepareMainLooper();
ActivityThread thread = new ActivityThread();
thread.attach(false);
if (sMainThreadHandler == null) {
sMainThreadHandler = thread.getHandler();
}
if (false) {
Looper.myLooper().setMessageLogging(new
LogPrinter(Log.DEBUG, "ActivityThread"));
}
// End of event ActivityThreadMain.
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
Looper.loop();
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
Looper#prepareMainLooper
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
sMainLooper = myLooper();
}
}
这就是本篇文章的全部内容了，在下一篇中我们还会继续梳理一下和Android消息机制相关的其他知识。由于本人的能力和水平有限，难免会出现错误，如有发现还望大家指正。
参考书籍：《Android开发艺术探索》
