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

Android的消息机制

引言