android消息机制原理详解

Android消息机制概述

说到Android的消息机制,Android初级工程师(不包括那些初学者)肯定会想到Handler。是的,Android的消息机制主要是指Handler的运行机制以及Handler所附带的MessageQueue和Looper的工作过程。当我们工作的时候我们只要接触到Handler就可以了。

为什么要有Android消息机制?

我们知道Handler的主要作用是将一个任务切换到某个指定的线程去执行,比如Android规定访问UI只能在主线程中进行,如果在子线程中访问那么程序会抛异常,如下所示:

void checkThread(){        if(mThread != Thread.currentThread()){              throw new CalledFromWrongThreadException(                  "Only the original thread that created a view hierarchy can touch its views.");          }      }

这个时候就需要通过Handler来把这个任务从子线程切换到主线程中来执行,这样程序就不会抛异常。再延伸一下,为什么系统不允许在子线程中访问UI呢?这是因为Android的UI控件不是线程安全的,如果在多线程中访问UI控件则会导致不可预期的状态。那为什么不对UI控件访问加锁呢?缺点有两个:首先加锁会让UI控件的访问的逻辑变的复杂;其次,锁机制会降低UI的访问效率。那我们不用线程来操作不就行了吗?但这是不可能的,因为Android的主线程不能执行耗时操作,否则会出现ANR(不知道ANR的自己去百度吧)。所以,从各方面来说,Android消息机制是为了解决在子线程中无法访问UI的矛盾。

系统为什么不允许子线程访问UI线程?这是因为UI线程里面的控件都是非线程安全的,如果在多线程并发访问可能会导致UI控件处于不可预期的状态。那么为什么不给控件访问加上锁呢?首先,加锁之后会导致访问逻辑变得复杂,其次锁机制会降低UI访问的效率,因为锁机制会阻塞某些线程的执行。

android消息机制分析

我们知道,Android的消息机制主要包括Handler、MessageQueue和Looper,为了更好的理解Looper的工作原理,这里先介绍一下ThreadLocal。

ThreadLocal工作原理

ThreadLocal是一个线程内部的数据存储类,通过它可以在指定的线程中存储数据,而且只有在指定的线程里才能获取到存储的数据,对于其他线程来说是获取不到的。

消息机制为什么要用到这个呢?因为对于Handler来说,要获取到当前线程的Looper,而Looper的作用域是当前线程,并且不同线程有不同的Looper,这个时候就可以很方便的通过ThreadLocal对Looper进行存取。

从上面的分析我们可以指定ThreadLocal在使用时只用到了存和取功能,也就set和get方法。我们来看看它的set方法的实现过程是怎样的

public void set(T value){    Thread currentThread = Thread.currentThread();    Values values = values(currentThread);    if(values == null){        values = initializeValues(currentThread);    }    values.put(this, value);}

从上面的源代码中我们可以知道,首先是获取到当前使用这个ThreadLocal对象的线程,然后根据当前线程来找到对应的Values对象,如果没有Values对象则通过初始化来创建一个这样的Values对象,然后则把要保存的数据存储进去。

在Thread类的内部有一个protected属性的ThreadLocal.Values的成员用于存储线程的ThreadLocal的数据,所以values(currentThread)方法就是直接返回currentThread的这个属性。当这个属性为空的时候则通过new一个Values对象来赋值给currentThread。而Values的put方法就是用来保存数据的。Values类是ThreadLocal类的一个静态内部类,而在Values的内部有一个Object的数组:private Object[] table,ThreadLocal存储的值就保存在这个数组里。

 /**         * Sets entry for given ThreadLocal to given value, creating an         * entry if necessary.         */        void put(ThreadLocal<?> key, Object value) {            cleanUp();            // Keep track of first tombstone. That's where we want to go back            // and add an entry if necessary.            int firstTombstone = -1;            for (int index = key.hash & mask;; index = next(index)) {                Object k = table[index];                if (k == key.reference) {                    // Replace existing entry.                    table[index + 1] = value;                    return;                }                if (k == null) {                    if (firstTombstone == -1) {                        // Fill in null slot.                        table[index] = key.reference;                        table[index + 1] = value;                        size++;                        return;                    }                    // Go back and replace first tombstone.                    table[firstTombstone] = key.reference;                    table[firstTombstone + 1] = value;                    tombstones--;                    size++;                    return;                }                // Remember first tombstone.                if (firstTombstone == -1 && k == TOMBSTONE) {                    firstTombstone = index;                }            }        }

从上面的源码可以看出ThreadLocal的值在table数组中的存储位置总是为ThreadLocal的reference字段所标识的对象的下一个位置。这也就是它的存储规则。

看了set方法现在再来看一下get方法:

public T get() {        // Optimized for the fast path.        Thread currentThread = Thread.currentThread();        Values values = values(currentThread);        if (values != null) {            Object[] table = values.table;            int index = hash & values.mask;            if (this.reference == table[index]) {                return (T) table[index + 1];            }        } else {            values = initializeValues(currentThread);        }        return (T) values.getAfterMiss(this);    }

从上面的源码可以看出来,也是通过currentThread来获取到Values对象,然后判断reference属性是否等于Object数组index位置的对象,等于的时候则获取index下一个位置的对象,这个对象就是之前保存的数据。如果没有Values则使用默认的值,默认情况下为null。

ThreadLocal总结:从ThreadLocal的set和get方法可以看出,它们所操作的都是当前对象的Values对象中的Object数组table,因此不同的线程访问同一个ThreadLocal的set和get方法,它们对ThreadLocal所做的读写仅限于各自线程内部。

MessageQueue工作原理

MessageQueue是消息队列,主要包含两个操作:插入和读取,而读取也包含了删除操作,即每读取一个消息就会从MessageQueue中删除掉这个已读的消息。插入和读取所对应的方法分别是enqueueMessage和next,先来看看enqueueMessage的源码:

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;    }

首先先判断Message是否绑定了一个Handler对象,即msg.target对象,然后再判断当前消息是否正在使用,当都满足条件的时候则锁定MessageQueue对象,然后判断这个消息是否正在退出,如果正在退出则回收当前消息并且返回false;当以上条件都通过后,则设置当前消息为正在使用,以及配置一些信息。Message p = mMessages;当第一次执行到这里时,mMessages是为空的,所以后面是执行if里面的代码,即把当前消息赋值到mMessages中,然后把当前消息的next(也是一个Message)置为空();注:when == 0 || when < p.when说明上一个消息已经执行完毕或者是当前消息比上一个消息先执行,所以相当于是第一次执行到这里。当消息队列里还有消息的时候就执行else里面的代码,首先循环找到最后一个message,通过判断message.next返回的值是否为空来判断是否是最后一个,因为当是最后一个消息时,此值必定为null,那个时候就跳出循环。因为p已经是null了,所以给当前要处理的message的next置为null,确定这是最后一个消息;同时,因为prev经过赋值已经是mMessages,即之前插入到消息队列的消息,只是还未处理而已;然后把当前传入的messge放到mMessages消息的后面。而且,在else代码里都未对mMessages进行重新赋值,这是因为mMessages还没有读取,当执行next方法的时候才会重新对mMessages赋值。

从这个实现上来看,MessageQueue虽然叫消息队列,但是里面的实现是通过单链表的数据结构来维护消息列表的(当前对象保留下一个对象的地址引用)。插入消息的实现过程只是对单链表的插入操作。下面来看一下next方法:

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;        }    }

从最外面的for循环我们可以看出来这是一个无限循环的过程,当消息队列里有消息时,则会取出这个message,即mMessages。当满足条件时,则取出这个mMessages(通过Message msg = mMessages赋值后返回msg),然后把mMessages赋值为msg.next,即把下一个消息赋值成mMessages。通过这个过程就把当前消息处理完了,并且把处理过的消息删除掉了。
这个就是MessageQueue大概的工作原理。

Looper的工作原理

Looper在消息机制里扮演着消息循环的角色,它不停的从消息队列里查看是否有新消息,如果有,则立即处理新消息,没有则一直阻塞在那里。当需要为一个线程创建一个Looper的时候,需要调用Looper的两个静态方法就可以给这个线程创建一个Looper对象了,这两个方法是Looper.prepare();和Looper.loop();

new Thread(){    @override    public void run(){        Looper.prepare();        Handler handler = new Handler();        Looper.loop();    }}.start();

现在来看一下这两个方法里都做了些什么,先看prepare的,这个很简单,代码如下:

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));}

prepare方法里调用的是这个方法,所以看这个方法就行了,从这个源码就可以看出,就是把一个Looper对象保存到ThreadLocal里面,然后没有其他的了。
接下来看loop方法的源代码:

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;        // 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;            }            // This must be in a local variable, in case a UI event sets the logger            Printer logging = me.mLogging;            if (logging != null) {                logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +                        msg.callback + ": " + msg.what);            }            msg.target.dispatchMessage(msg);            if (logging != null) {                logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);            }            // Make sure that during the course of dispatching the            // identity of the thread wasn't corrupted.            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);            }            msg.recycleUnchecked();        }    }

首先是获取到当前线程的Looper对象和绑定到Looper对象的这个消息队列,接着就是一个死循环了。当消息队列没有消息时,则跳出循环,loop结束;当有消息时,则把这个消息通过Handler(msg.target是一个Handler对象)的dispatchMessage方法来处理这个消息,这也就到了Handler里面去执行了,这样就成功地将代码逻辑切换到指定的线程中去了。

如果当这个loop执行到一半的时候要退出怎么办呢?Looper有一个quit方法,此方法被调用时,Looper会调用MessageQueue的quit或者quitSafely方法来通知消息队列退出,并标识为退出状态,当消息队列被标记为退出状态时,next方法就会返回null,这样loop里面的死循环就跳出去了。

上述通过prepare方法和loop方法只是对普通线程来说的,对于主线程来说,由于主线程情况比较复杂,所以提供了prepareMainLooper来给ActivityThread创建Looper对象,但是其本质也是通过prepare来实现的,这个可以自己去看源码。同时,也可以通过getMainLooper方法在其他任何地方获取到主线程的Looper对象。

注:
1.当Looper退出后,通过Handler发送的消息会失败,这个时候Handler的send方法会返回false;
2. 在子线程中,如果手动为其创建了Looper,那么在所有消息处理完成之后应该调用quit方法来终止消息循环,否则这个子线程就会一直处于等待状态,而如果退出Looper以后,这个线程就会立刻终止,因此建议不需要的时候终止Looper。

Handler的工作原理

Handler主要包括消息的发送和接收,也就是相当于Handler给自己发送了一条消息,只是消息经过了消息队列以及Looper,最后才到Handler的handleMessage方法里。Handler的消息的发送主要由post一系列方法以及send的一系列方法来实现,post的一系列方法最终都是通过send的一系列方法来实现的。而send一系列方法最后都是通过sendMessageAtTime方法来实现的。sendMessageAtTime代码如下:

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) {        msg.target = this;        if (mAsynchronous) {            msg.setAsynchronous(true);        }        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);    }

从上面代码可以看出,发送消息其实就是往消息队列里面插入一个消息。当Handler把消息插入到消息队列里后,MessageQueue就通过next方法把这个消息返回给Looper,而Looper则通过loop方法调用Handler的dispatchMessage方法(msg.target.dispatchMessage(msg);)。来看看dispatchMessage方法的实现过程:

public void dispatchMessage(Message msg) {        if (msg.callback != null) {            handleCallback(msg);        } else {            if (mCallback != null) {                if (mCallback.handleMessage(msg)) {                    return;                }            }            handleMessage(msg);        }    }    private static void handleCallback(Message message) {        message.callback.run();    }

首先就是判断Message对象是否有callback对象,如果有,则调用callback的run方法,就是下面的这个方法,callback其实是一个实现了Runnable的对象,实际上是通过Handler的post方法所传递的。如果Message对象没有callback对象,则跑到else代码块里,mCallback的handlerMessage方法和后面的那个handlerMessage方法其实是一样的,第一个是通过实现mCallback接口来得到的一个方法,而第二个是Handler的方法,两个方法都是空实现,当处理消息时都要重写这个两个方法中的一个,只是创建Handler时的构造方法不一样而已。

主线程消息循环

ActivityThread是Android的主线程,主线程的入口方法为ActivityThread.java类中的main方法,main代码如下:

public static final void main(String[] args) {        SamplingProfilerIntegration.start();        Process.setArgV0("");        Looper.prepareMainLooper();        if (sMainThreadHandler == null) {            sMainThreadHandler = new Handler();        }        ActivityThread thread = new ActivityThread();        thread.attach(false);        if (false) {            Looper.myLooper().setMessageLogging(new                    LogPrinter(Log.DEBUG, "ActivityThread"));        }        Looper.loop();        if (Process.supportsProcesses()) {            throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");        }        thread.detach();        String name = (thread.mInitialApplication != null)            ? thread.mInitialApplication.getPackageName()            : "";        Slog.i(TAG, "Main thread of " + name + " is now exiting");    }

从源码中可以看到,通过Looper.prepareMainLooper来给主线程创建了一个Looper对象以及MessageQueue对象,然后通过Looper.loop();来开启消息循环。其中,主线程的Handler是mH这个变量,mH是ActivityThread.H的一个实例,它内部定义了一组消息,主要包含了四大组建的启动和停止。

 private final class H extends Handler {        public static final int LAUNCH_ACTIVITY         = 100;        public static final int PAUSE_ACTIVITY          = 101;        public static final int PAUSE_ACTIVITY_FINISHING= 102;        public static final int STOP_ACTIVITY_SHOW      = 103;        public static final int STOP_ACTIVITY_HIDE      = 104;        public static final int SHOW_WINDOW             = 105;        public static final int HIDE_WINDOW             = 106;        public static final int RESUME_ACTIVITY         = 107;        public static final int SEND_RESULT             = 108;        public static final int DESTROY_ACTIVITY         = 109;        public static final int BIND_APPLICATION        = 110;        public static final int EXIT_APPLICATION        = 111;        public static final int NEW_INTENT              = 112;        public static final int RECEIVER                = 113;        public static final int CREATE_SERVICE          = 114;        public static final int SERVICE_ARGS            = 115;        public static final int STOP_SERVICE            = 116;        public static final int REQUEST_THUMBNAIL       = 117;        public static final int CONFIGURATION_CHANGED   = 118;        public static final int CLEAN_UP_CONTEXT        = 119;        public static final int GC_WHEN_IDLE            = 120;        public static final int BIND_SERVICE            = 121;        public static final int UNBIND_SERVICE          = 122;        public static final int DUMP_SERVICE            = 123;        public static final int LOW_MEMORY              = 124;        public static final int ACTIVITY_CONFIGURATION_CHANGED = 125;        public static final int RELAUNCH_ACTIVITY       = 126;        public static final int PROFILER_CONTROL        = 127;        public static final int CREATE_BACKUP_AGENT     = 128;        public static final int DESTROY_BACKUP_AGENT    = 129;        public static final int SUICIDE                 = 130;        public static final int REMOVE_PROVIDER         = 131;        public static final int ENABLE_JIT              = 132;        public static final int DISPATCH_PACKAGE_BROADCAST = 133;        public static final int SCHEDULE_CRASH          = 134;        String codeToString(int code) {            if (DEBUG_MESSAGES) {                switch (code) {                    case LAUNCH_ACTIVITY: return "LAUNCH_ACTIVITY";                    case PAUSE_ACTIVITY: return "PAUSE_ACTIVITY";                    case PAUSE_ACTIVITY_FINISHING: return "PAUSE_ACTIVITY_FINISHING";                    case STOP_ACTIVITY_SHOW: return "STOP_ACTIVITY_SHOW";                    case STOP_ACTIVITY_HIDE: return "STOP_ACTIVITY_HIDE";                    case SHOW_WINDOW: return "SHOW_WINDOW";                    case HIDE_WINDOW: return "HIDE_WINDOW";                    case RESUME_ACTIVITY: return "RESUME_ACTIVITY";                    case SEND_RESULT: return "SEND_RESULT";                    case DESTROY_ACTIVITY: return "DESTROY_ACTIVITY";                    case BIND_APPLICATION: return "BIND_APPLICATION";                    case EXIT_APPLICATION: return "EXIT_APPLICATION";                    case NEW_INTENT: return "NEW_INTENT";                    case RECEIVER: return "RECEIVER";                    case CREATE_SERVICE: return "CREATE_SERVICE";                    case SERVICE_ARGS: return "SERVICE_ARGS";                    case STOP_SERVICE: return "STOP_SERVICE";                    case REQUEST_THUMBNAIL: return "REQUEST_THUMBNAIL";                    case CONFIGURATION_CHANGED: return "CONFIGURATION_CHANGED";                    case CLEAN_UP_CONTEXT: return "CLEAN_UP_CONTEXT";                    case GC_WHEN_IDLE: return "GC_WHEN_IDLE";                    case BIND_SERVICE: return "BIND_SERVICE";                    case UNBIND_SERVICE: return "UNBIND_SERVICE";                    case DUMP_SERVICE: return "DUMP_SERVICE";                    case LOW_MEMORY: return "LOW_MEMORY";                    case ACTIVITY_CONFIGURATION_CHANGED: return "ACTIVITY_CONFIGURATION_CHANGED";                    case RELAUNCH_ACTIVITY: return "RELAUNCH_ACTIVITY";                    case PROFILER_CONTROL: return "PROFILER_CONTROL";                    case CREATE_BACKUP_AGENT: return "CREATE_BACKUP_AGENT";                    case DESTROY_BACKUP_AGENT: return "DESTROY_BACKUP_AGENT";                    case SUICIDE: return "SUICIDE";                    case REMOVE_PROVIDER: return "REMOVE_PROVIDER";                    case ENABLE_JIT: return "ENABLE_JIT";                    case DISPATCH_PACKAGE_BROADCAST: return "DISPATCH_PACKAGE_BROADCAST";                    case SCHEDULE_CRASH: return "SCHEDULE_CRASH";                }            }            return "(unknown)";        }

ActivityThread通过ApplicationThread和AMS(ActivityManagerService)进行进程间通信,AMS以进程间通信的方式完成ActivityThread的请求后会回调ApplicationThread中的Binder方法,然后ApplicationThread会向H发送消息,H收到消息后会将ApplicationThread中的逻辑切换到ActivityThread中去执行,即切换到主线程去执行。

总结

Android的消息机制的总体流程就是:Handler向MessageQueue发送一条消息(即插入一条消息),MessageQueue通过next方法把消息传给Looper,Looper收到消息后开始处理,然后最终交给Handler自己去处理。换句话说就是:Handler给自己发送了一条消息,然后自己的handleMessage方法处理消息,只是中间过程经过了MessageQueue和Looper。调用的方法过程如下:Handler.sendMessage方法–>Handler.enqueueMessage–>MessageQueue.next–>Looper.loop–>handler.dispatchMessage–>Handler.handleMessage(或者Runnable的run方法或者Callback.handleMessage)。

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