Android的消息机制
引言
由于Android对消息机制的封装，开发者在平常的开发过程中，直接使用Handler对象就能满足大部分的应用场景，是否了解Android的消息机制对开发来说并没有太大的影响。但Android的消息机制对开发者来说还是有很大启发的，因为这里面有完整的异步消息处理机制以及Android的设计思路，有很大参考价值。
在最开始接触Android的时候就了解了Android的消息机制，但在使用过程中总是选择性的忽视一些问题：
- Handler具体是如何实现跨线程通信的？
- Handler中post的一系列方法与send的一系列方法有什么关系与不同？
- Handler是如何与线程中的Looper进行关联的？
- 在主线程不断循环的Looper，为什么不会引起ANR？
- Looper对象的内部实现机制是怎样？
因此，围绕以上问题，查阅《Android开发艺术探索》及源码，经过学习研究之后在这里进行总结。
Android的消息机制
Android的消息机制主要由MessageQueue 、Looper 、Handler三者支撑，三者的关系可以概括为：
Looper 中维护着一个MessageQueue， Handler发送的消息会进入到MessageQueue也就是消息队列中，同时Looper会不断的轮询MessageQueue中是否有消息，如果存在消息，Looper将消息从MessageQueue中取出，交给Handler处理（下文会进行具体分析）。
MessageQueue
MessageQueue中主要进行两个操作，消息的插入与读取，分别由enqueueMessage与next两个方法实现
enqueueMessage源码如下
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; }可以看到，enqueueMessage中通过链表的数据结构来维护消息列表，把从外部传递进来的消息（参数msg）插入到消息列表中。
next源码如下
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; } }从以上代码可以了解到next方法中启动了一个无限循环，结束该循环只有两种情况
- 当消息列表中有新消息插入，next方法会返回这条消息并把这条消息从消息列表中移除
- mQuitting为true，next方法会返回null
Looper
要了解Looper的机制可以从Looper中的两个方法入手——prepare()和loop()。
首先是prepare(),用来在当前线程中创建Looper
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)); }首先可以看到一个sThreadLocal对象，在Looper中它的定义如下
static final ThreadLocal sThreadLocal = new ThreadLocal(); sThreadLocal对象是用于存放当前线程启动的Looper对象，从以上代码可以了解到两点
- 在某线程中可以通过Looper.prepare()来创建Looper
- 某线程中最多只能创建一个Looper，否则会抛出异常（Only one Looper may be created per thread）
然后是loop()，loop()的作用主要是启动对MessageQueue的轮询，一般由线程直接调用Looper.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; } // 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(); } }以上代码中核心部分主要关注for循环中内容，可以看到loop()方法执行后就通过for（；；）启动了无限循环，对Looper中的MessageQueue轮询，也就是不断的通过MessageQueue的next方法取出消息，当取出的消息不为空时则执行msg.target.dispatchMessage(msg)触发Handler处理消息；由上文对MessageQueue的介绍中可以知道，如果消息列表中没有消息，next方法则会阻塞，因此loop()方法当消息列表中没有消息时是处于阻塞状态。
那么什么时候触发
if (msg == null) { // No message indicates that the message queue is quitting. return;}退出循环呢？由上文对MessageQueue的介绍中可以知道当mQuitting为true时，next方法会返回null
if (mQuitting) { dispose(); return null; }这时Looper中quit的相关方法就派上用场了
public void quit() { mQueue.quit(false); }public void quitSafely() { mQueue.quit(true); }再看一下MessageQueue中的quit方法
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); } }可以看到经过一系列的调用，mQuitting 被赋值为true，因此在处理完所有事件，需要终止Looper的无限轮询时，要调用Looper中quit的相关方法终止loop方法中的无限循环，否则Looper所在线程就会一直处于等待状态。
Handler
为了实现子线程进行IO操作，然后在主线程更新UI，避免ANR的应用场景，通常会使用Handler实现跨线程通信
在主线程创建Handler对象并重写handleMessage方法，在该方法中接收并处理消息，如下
Handler mHandler = new Handler(){ @Override public void handleMessage(Message msg) { // TODO Auto-generated method stub super.handleMessage(msg); } };在子线程通过mHandler发送消息
mHandler.sendMessage(msg)；那么这两段代码背后的运行机制是怎样的？
先从Handler的构造方法入手，如下
public Handler() { this(null, false); } public Handler(Callback callback, boolean async) { 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()); } } 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; }可以看到我们调用的无参构造方法Handler() 最终调用的是Handler(Callback callback, boolean async)，根据Handler(Callback callback, boolean async)可以看到，Handler去获取了当前线程的Looper对象，通过以上代码可以得出以下结论：
- 创建Handler的线程必须维护者一个Looper对象，否则会抛出异常，所以在普通Thread中通过Handler（）创建Handler对象前没有调用Looper.prepare()是会导致异常的
- 通过 Looper.myLooper() 获得的Looper对象应该是运行在创建Handler的线程中的,否则无法管理跨线程通信
- 通过获取到的Looper对象获取该Looper对象中的消息队列即代码中的**mQueue **
Looper.myLooper()代码如下
public static @Nullable Looper myLooper() { return sThreadLocal.get(); }可以看到Looper 对象是通过sThreadLocal来获取的，sThreadLocal中的Looper对象通过上文对Looper的介绍可以知道是在线程调用Looper.prepare()时赋值的
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)); }那么问题来了，Looper中的静态变量sThreadLocal
static final ThreadLocal sThreadLocal = new ThreadLocal(); 在多个线程分别都调用了Looper的prepare方法之后，是如何维护不同线程中的Looper对象的呢，也就是说Looper的myLooper方法是如何获取到当前线程中的Looper的 Looper对象呢？
分别看下ThreadLocal的set和get方法
public void set(T value) { Thread currentThread = Thread.currentThread(); Values values = values(currentThread); if (values == null) { values = initializeValues(currentThread); } values.put(this, value); }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); }抽象的看以上代码，可以看到ThreadLocal的set和get方法并不是简单的参数赋值与获取，而是将要存取的对象与当前线程Thread.currentThread()产生关联，以实现在不同线程中的同一个ThreadLocal对象获取到不同的目标对象。
综上所述，当前线程有调用Looper.prepare()的情况下在调用new Handler()之后，Handler对象就能获取到当前线程中的Looper对象及Looper持有的MessageQueue对象
初始化之后就是发送消息了，接下来看一下Handler的消息发送机制
public final boolean sendMessage(Message msg) { return sendMessageDelayed(msg, 0); }public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis) { if (delayMillis < 0) { delayMillis = 0; } return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis); }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); }从以上代码可以知道，在外部调用了sendMessage(Message msg)之后最终执行的是enqueueMessage方法（send与post的一系列方法最终调用的都是enqueueMessage），所以我们主要关注enqueueMessage方法，在该方法中让要发送的Message对象持有当前Handler的引用（msg.target = this），最后将Message对象插入消息列表（queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis)）
综上所述，可以总结如下：
- 1.在需要处理消息的线程中调用Looper.prepare()创建该线程的Looper对象，调用Looper.loop()启动消息轮询（主线程ActivityThread已默认调用Looper.prepareMainLooper()与Looper.loop()，因此在Activity等在主线程运行的组件中可以直接调用new Handler()而不会抛出异常）
- 2.通过new Handler()创建Handler对象，经过一系列调用会将Handler与当前的线程的Looper与MessageQueue进行绑定
- 3.Handler通过sendMessage发送消息，其实本质上就是调用MessageQueue的enqueueMessage方法将消息对象插入消息列表中
- 4.当MessageQueue的消息列表中插入消息时，MessageQueue的next结束阻塞返回Message对象，Looper在loop方法的循环中获取到Message对象，通过msg.target.dispatchMessage(msg)将消息交给Handler处理
看一下Handler的dispatchMessage
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(); }public void handleMessage(Message msg) { }可以看到在dispatchMessage中优先处理Message中的callback，这个callback其实就是在post一系列方法中传递过来的Runnable
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; }mCallback 是一个接口，是在Handler的构造方法中传递进来的，可以看到当mCallback 中的handleMessage方法返回值为true时Handler将不会执行Handler中handleMessage方法。
总结
结合上文对MessageQueue 、Looper 、Handler三者的分析，再回头看开头提到的几个问题
Handler具体是如何实现跨线程通信的？
以子线程进行IO操作，然后在主线程更新UI，避免ANR的应用场景为例：
- 1.系统在主线程ActivityThread中已经调用Looper.prepareMainLooper()创建主线程的Looper，并调用Looper.loop(),启动轮询，不断地通过MessageQueue的next方法从消息列表中取出消息，当没有消息是，next处于阻塞状态，Looper.loop()也处于阻塞状态
- 2.当我们在Activity等运行在主线程的组件中创建Handler时，Handler通过Looper.myLooper()获取与当前线程也就是主线程关联的Looper对象，同时Handler也持有了Looper中的MessageQueue
- 3.子线程持有主线程创建的Handler对象，在子线程中通过Handler的send或post的系列方法发送消息，send与post的系列方法最终都是通过Handler持有的MessageQueue对象调用enqueueMessage方法将消息插入队列,触发在主线程主线程中轮询的Looper用过loop()取出消息，并在loop()中调用Handler的dispatchMessage方法，将消息交由Handler处理，最终达到了子线程进行IO操作后发送消息，主线程处理消息并刷新UI的目的
Handler中post的一系列方法与send的一系列方法有什么关系与不同？
- 从上文对Handler的介绍中可以知道，Handler中post的一系列方法与send的一系列方法本质上最终都是通过MessageQueue对象调用enqueueMessage进行消息插入操作，只是在调用优先级上存在一点差别，具体从Handler的dispatchMessage方法可以看出
public void dispatchMessage(Message msg) { if (msg.callback != null) { handleCallback(msg); } else { if (mCallback != null) { if (mCallback.handleMessage(msg)) { return; } } handleMessage(msg); } }Handler是如何与线程中的Looper进行关联的？
通过上文可以知道，Looper是在线程中通过Looper.preare()(主线程为preareMainLooper)创建的，preare的内部通过ThreadLocal将Looper保存并与当前线程相关联，Handler中通过Looper.myLooper获取到Looper，myLooper的内部则也是通过ThreadLocal来获取Looper，从而完成了Handler与当前线程中的Looper的关联
Looper对象的内部实现机制是怎样？
具体参考上文对Looper的分析，这里就不重复展开
那么还有一个问题
在主线程不断循环的Looper，为什么不会引起ANR？
主线程中的Looper.loop()一直无限循环为什么不会造成ANR？http://www.jianshu.com/p/cfe50b8b0a41
这篇文章已经回答了这个问题
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