Android线程通信机制－Handler(Java层)
一、概述
Android的单线程UI模型，决定了在UI线程中不能进行耗时任务，在开发过程中，需要将网络、io等耗时任务放在工作线程中执行，工作线程中执行完成后需要在UI线程中进行刷新，因此就有了Handler进程内线程通信机制，当然Handler并不是只能用在UI线程与工作线程间的切换，Android中任何线程间通信都可以使用Handler机制。
Android的Handler机制应该说是有两套实现，Java层与native层分别实现了Handler机制，也就是说在Java层与native层各自维护了自己的消息队列，native层消息优先于Java层消息处理，在MessageQueue的源码中可以看到很多的native代码。这里只对Java层做个分析。
二、使用Handler实现线程间通信
1、在UI线程中使用Handler
UI线程中使用Handler非常简单，因为框架已经帮我们初始化好了Looper，只需要创建一个Handler对象即可，之后便可直接使用这个Handler实例向UI线程发送消息。
private Handler handler = new Handler() { @Override public void handleMessage(Message msg) { // do something } };注意：这种做法会导致内存泄漏。
我们通过Handler发送消息，在Message对象中会持有当前Handler对象的引用，在Java中非静态成员类、内部类、匿名类会持有外部对象的引用（这里在源码中有提到），而Looper是线程局部变量，其生命周期与UI线程相同，Looper持有MessageQueue的引用，MessageQueue持有Message的引用，当通过Handler发送一个延时消息未处理之前用户已经离开当前Activity，会导致Activity不能及时释放而内存泄漏。
解决思路：
既然知道是因为Handler持有Activity的引用而导致内存泄漏，那便让Activity在结束的时候不再有对象持有当前Activity的引用，或者不再有对象持有该Handler的引用，总之便是将这条引用链切断。
2、在非UI线程中使用Handler
在非UI线程中使用Handler一定要注意必须在创建Handler之前调用Looper.prepare()方法来初始化Looper，否则会报异常。如果不调用Looper.loop()方法，线程会在执行完毕后退出，也无法接收到消息。
private Handler handler; Thread threadA = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { // 这一步其实是创建threadA的线程本地变量Looper Looper.prepare(); // 创建Handler handler = new Handler() { @Override public void handleMessage(Message msg) { Bundle bundle = msg.getData(); System.out.println(bundle.getString("msg")); } }; // 让threadA进入Looper循环中,不断的获取消息 Looper.loop(); } }); Thread threadB = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("<<<<<<<<<<<"); // 创建消息 Message msg = Message.obtain(); Bundle bundle = new Bundle(); bundle.putString("msg", "Hello World!"); msg.setData(bundle); // 发送消息 handler.sendMessage(msg); System.out.println(">>>>>>>>>>>"); } });这里只是为了简单写的示例代码，在实际开发中当然不会这么做，异步任务都会管理起来，不然离开了当前界面还有任务在执行（比如请求数据），那便没有意义了。
三、Handler机制实现原理
1、UML类图
Handler机制主要由Handler、Looper、MessageQueue、Message四个类组成，从下面的UML中可以看到Handler持有一个Lopper实例，这个Looper实例与线程相关，而Looper中管理着一个MessageQueue消息队列，MessageQueue本质上是一个链表。从UML类图大致能看到Handler的一个整体结构。
Handler、Looper、MessageQueue、Message类图 2、Handler工作流程
2.1、基本流程
Handler工作流程主要分为两条支线，工作线程（也就是要发送消息的线程，后同）中发送消息实际上是将消息插入到消息队列MessageQueue中，初始化Handler的线程（即接受消息的线程，后同）则通过Looper.loop()方法进入无限循坏，不断的从消息队列MessageQueue中取出消息，通过Message本身持有的Handler去分发消息。
2.2、线程切换的关键
1、在Looper初始化的时候，其实是在当前线程的本地变量(ThreadLocal)中存储了一个Looper，而Looper.loop()在进入循环时，便是通过当前线程拿到Looper对象，从而拿到当前线程维持的MessageQueue消息队列，不断的读取消息。至于在另一个线程中通过Handler发送消息简单的说，读消息一直都是在初始化Handler的线程中进行，之后的分发消息与处理消息当然也是了。
2、在工作线程中发送消息，Handler本身持有了一个初始化线程的引用，当发送消息时，其实都是将消息放入初始化线程的消息队列中。
Handler工作流程图 3、源码解析
3.1 Handler源码
从创建Handler开始看，Handler的构造方法有多个重载，最终都会走Handler(Callback callback, boolean async)或者Handler(Looper looper, Callback callback, boolean async)这两个构造方法。
public Handler(Callback callback, boolean async) { // 检查是否是非静态成员类、内部类、匿名类，这几种会导致内存泄漏 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()); } } // Looper.myLooper()是从线程本地存储中拿到与当前线程相关的Looper mLooper = Looper.myLooper(); // 这里抛出的异常就是我们经常看见的，未再非UI线程中使用Handler却没有调用Looperprepare()初始化Looper if (mLooper == null) { throw new RuntimeException( "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()"); } // 接下来几行代码初始化一些成员变量 mQueue = mLooper.mQueue; mCallback = callback; mAsynchronous = async; }Handler创建好了，接下来便是使用Handler，也就是通过Handler来发送消息。发送消息的方法主要有两大类，post****系列发送一个Runnable，作为处理消息的callback，或者send****系列方法发送一个Message，本质上都是构造一个Message对象，加上消息分发的时间点，最终都会调用sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis)这个方法。
有一个例外的方法，sendMessageAtFrontOfQueue(Message msg)，默认将消息的执行时间点置为0，也就是立即分发，在入消息队列时会放置在队列头。
/** * @param msg 要发送的消息 * @param uptimeMillis 消息的投递时间 * @return true 消息放入队列成功， false则是失败 */public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) { MessageQueue queue = mQueue; // 这个方法很简单，在这里检查了下MessageQueue是否准备好了 if (queue == null) { RuntimeException e = new RuntimeException( this + " sendMessageAtTime() called with no mQueue"); Log.w("Looper", e.getMessage(), e); return false; } // 从命名可以看出是将消息加入队列 return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis); }这个方法只有几行代码，真正入队列还是在MessageQueue中做的，却在入队列之前做了一件很重要的事情。
private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) { // 重要的事情在这，设置了Message的target，这也是后面分发消息的关键 msg.target = this; if (mAsynchronous) { msg.setAsynchronous(true); } // 调用MessageQueue的成员方法将消息入队列 return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis); }Handler的另一个任务是分发消息并交给合适的方法去处理消息，由Handler.dispatchMessage(Message msg)这个方法完成。
public void dispatchMessage(Message msg) { if (msg.callback != null) { // 这里的callback就是个Runable对象，会执行其run()方法 handleCallback(msg); } else { if (mCallback != null) { // mCallback是在创建Handler对象时设置的监听 if (mCallback.handleMessage(msg)) { return; } } // 这个方法很熟悉了，就是创建Handler时复写的，也是最常用的 handleMessage(msg); } }3.2 Looper源码
Looper的代码非常少，先来看一下初始化方法，有两个重载Looper. prepare()与Looper. prepare(boolean quitAllowed)。
public static void prepare() { // 调用的有参的那个构造方法 prepare(true); } /** * @param quitAllowed 是否允许退出循环 */ private static void prepare(boolean quitAllowed) { // 检查是否已经初始化过了，从里可以看到`Looper.prepare()`在一个线程中只能调用一次 if (sThreadLocal.get() != null) { throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread"); } // 这里可以看到创建了一个Looper对象，并存入TLS sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed)); }接下来时Looper的构造方法，这个构造方法是私有的，也就是说我们在初始化Looper时只能通过Looper.prepare()这个方法。
private Looper(boolean quitAllowed) { // 创建了消息队列，每个线程只有一个MessageQueue对象 mQueue = new MessageQueue(quitAllowed); // 存储当前线程的引用 mThread = Thread.currentThread(); }还有个prepareMainLooper()方法，也是用来初始化Looper的，这个方法只是为了UI线程使用，UI线程Looper的初始化是在ActivityThread的main()方法中进行的。我们可以通过Looper.getMainLooper().getThread()来获取UI线程。
接下来是Looper的消息循环方法Looper.loop()，这个方法去掉一些安全性验证与Log，核心代码也很短。
public static void loop() { // 获取当前线程绑定的Looper final Looper me = myLooper(); // 未初始化Looper if (me == null) { throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread."); } // 当前线程的消息队列 final MessageQueue queue = me.mQueue; ... for (;;) { // 从消息队列中取出下一个消息，没有则阻塞 Message msg = queue.next(); // might block // 取到null，这是因为MessageQueue已经退出消息循坏 if (msg == null) { return; } // 分发消息，这里的target就是Handler对象，在Handler中消息入队列时设置的 msg.target.dispatchMessage(msg); ... // 将Message放入消息池 msg.recycleUnchecked(); } }Looper的任务就是创建一个循环器，不断的从消息队列取消息，交给Handler去分发。
3.3 MessageQueue源码
前面说Handler机制在native层与Java层都有实现，而Handler与Looper中都未出现native层的代码，其实是在MessageQueue中将Java层与native层联系了起来，这里只分析Java层实现，在做应用开发的时候也往往只使用Java层的Handler机制。
首先来看一下MessageQueue的构造方法，这个构造方法是包级权限，也就是说我们是无法在自定义的类中创建MessageQueue这个类的实例的。
MessageQueue(boolean quitAllowed) { // 是否允许退出消息循环 mQuitAllowed = quitAllowed; // mPtr是native层消息队列的头指针 mPtr = nativeInit();}在分析Handler发送消息的时候，可以看到最终都是将消息Message放入消息队列MessageQueue中，MessageQueue称为消息队列，其实现的数据结构却并不是真正的队列，而是一个单链表，在插入消息节点Message时按照时间点来确定位置。看下一下将消息入队列的MessageQueue.enqueueMessage(Message msg, long when)方法。
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) { // 如果没有target，消息无法被处理 if (msg.target == null) { throw new IllegalArgumentException("Message must have a target."); } // 消息如果已经被使用，那无法再次入队列 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; } // 设置消息使用的标志位 msg.markInUse(); // 设置消息被处理的时间点 msg.when = when; Message p = mMessages; boolean needWake; // 消息队列中无消息，或消息的时间为立即执行，或消息的时间小于队列中第一个消息的时间，则将消息加入到队列头 if (p == null || when == 0 || when < p.when) { msg.next = p; mMessages = msg; needWake = mBlocked; } else { // 根据消息的时间将消息放入队列的合适位置，就是单链表的插入 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) { // 唤醒线程 nativeWake(mPtr); } } return true; }接下来看一下取出消息MessageQueue.next()方法，这个方法挺长的，而且与native层交互很多。
简单说下大概的逻辑：
- 1.消息循环已经退出，则返回null，在
Looper.loop()方法结束循环 - 2.阻塞操作，等待nextPollTimeoutMillis到达，或者线程被唤醒未到下一次唤醒时间，则阻塞线程，等待唤醒，在
MessageQueue.enqueueMessage(Message msg, long when)方法中我们看到了唤醒的操作。 - 3.将取到的消息的时间与当前时间做比较，若还未到处理时间，则设置下一次轮询的超时时间
- 4.取出一条消息返回
- 5.消息队列为空，设置下一次超时时间为－1，会使线程一直阻塞，等待唤醒
Message next() { // step 1 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(); } // step 2 nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis); // 查找下一条消息，找到则返回 synchronized (this) { final long now = SystemClock.uptimeMillis(); Message prevMsg = null; Message msg = mMessages; if (msg != null && msg.target == null) { // 忽略所有的同步消息 do { prevMsg = msg; msg = msg.next; } while (msg != null && !msg.isAsynchronous()); } if (msg != null) { if (now < msg.when) { // step 3 // 下一条消息执行时间还未到，设置一个超时时间 nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE); } else { // step 4 mBlocked = false; if (prevMsg != null) { prevMsg.next = msg.next; } else { mMessages = msg.next; } msg.next = null; // 设置消息使用的标志位 msg.markInUse(); return msg; } } else { // step 5 nextPollTimeoutMillis = -1; } // 执行退出消息，返回null if (mQuitting) { dispose(); return null; } // 消息队列为空或者消息未到执行时间，线程空闲，可以执行IdleHandlers if (pendingIdleHandlerCount < 0 && (mMessages == null || now < mMessages.when)) { pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size(); } if (pendingIdleHandlerCount <= 0) { // 没有IdleHandlers执行，直接进入下一次循环继续等待消息 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); } } } // 重置IdleHandler，不会被再次执行 pendingIdleHandlerCount = 0; nextPollTimeoutMillis = 0; } }3.4 Message源码
Message就是消息的实体类，也是消息队列MessageQueue的节点，除了具有一些消息的基本属性，还持有下一条消息的指针。
Message的构造方法是空的，其所有属性都是通过set方法来设置。在开发过程中，尽量使用obtain系列的方法来获取一个消息实例，内部通过消息池来实现，减少因为创建对象而造成的开销，以达到复用的效果。
obtain方法有许多重载，本质上都是调用无参的Message.obtain()方法从消息池中取出一个消息实例，设置不同的属性。
public static Message obtain() { // 通过同步sPoolSync对象，将sPool加锁，保证线程安全 synchronized (sPoolSync) { if (sPool != null) { // 消息池不为空，则从消息池中取出一个消息实例 Message m = sPool; sPool = m.next; m.next = null; m.flags = 0; // 清楚使用标志位 sPoolSize--; // 消息池数量减1 return m; } } // 如果消息池为空，则创建一个新的消息对象 return new Message(); }既然有消息池，那么消息池中的消息是哪来的呢，Message中有个Message.recycle()方法，这个方法便是将消息放入消息池中。
public void recycle() { if (isInUse()) { // 正在使用的消息无法回收 if (gCheckRecycle) { throw new IllegalStateException("This message cannot be recycled because it " + "is still in use."); } return; } // 真正的实现回收消息 recycleUnchecked(); }Message.recycleUnchecked()多了个uncheck，是真的不检查是否在使用，强行回收。
void recycleUnchecked() { // 设置使用标志位 flags = FLAG_IN_USE; // 清楚Message的所有属性 what = 0; arg1 = 0; arg2 = 0; obj = null; replyTo = null; sendingUid = -1; when = 0; target = null; callback = null; data = null; // 同步 synchronized (sPoolSync) { // 如果消息池未满，将消息放入消息池中 if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) { next = sPool; sPool = this; sPoolSize++; } } }四、结束
大概记录了Handler机制在Java层的一个实现流程，从Handler发送消息，将消息加入到MessageQueue中，Looper不断的循环从MessageQueue中取出消息，将消息交给Handler处理。
更多相关文章
- [原]Android应用程序线程消息循环模型分析
- android系统中的多线程(一): 关于在android中启动线程以及线程间
- Android中消息系统模型和Handler Looper
- Android开发实践：基于命令模式的异步任务线程
- 学习Android线程模型解析（包括UI的更新）