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Android消息机制Handler源码分析

Android Handler消息机制中的ThreadLocal源码分析

前言

Android和Windows一样都采用了消息机制，从开发角度说，Handler是Android消息机制的上层接口，开发过程中和Handler交互即可。Android规范限制我们不能在子线程中更新UI，只能在主线程中更新UI，Handler可以轻松的将一个任务切换到Handler所在的线程中去执行。所以，开发过程中Handler通常被用来更新UI，利用Handler将更新UI的操作切换到主线程中执行。

ViewRootImpl对我们的UI操作进行了验证，具体是在checkThread()方法中完成的，如下：

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

ViewRootImpl是所有View的根,Window和View通过ViewRootImpl建立联系，checkThread()方法校验当前线程是否是ViewRootImpl被创建时所在的线程。具体请参考Android中子线程真的不能更新UI吗？

说明：本文中的源码都是基于Android-25版本。

Handler

Android的消息机制主要是指Handler的运行机制，Handler的运行需要MessageQueue和Looper支撑，MessageQueue是消息队列，内部存储了一组消息，而Looper则是消息循环，Looper会无限循环查看是否有新消息，如果有的话处理消息，没有的话就一直等待。

Looper中有一个特殊概念ThreadLocal，ThreadLocal并不是线程，作用是在每个线程中存储数据，可以让不同线程保存在同一个ThreadLocal中的对象数据互不干扰。ThreadLocal的工作原理请参考：Android的消息机制之ThreadLocal的工作原理

工作过程

Handler在创建过程时会采用当前线程的Looper来构造消息循环系统，那么Handler内部是如何获取到Looper呢？通过ThreadLocal可以很轻松的获取每个线程的Looper，但是线程默认是没有Looper的，要使用Handler就必须为线程创建Looper。而主线程（UI）线程即ActivityThread被创建时就初始化了Looper，所以我们在主线程中可以默认使用Looper。

Handler的默认构造方法最终会通过以下构造方法实现：

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;}

从中可以看到，如果当前线程没有Looper,则会抛出异常，而mLooper是由Looper.myLooper()方法返回的，代码如下：

public static @Nullable Looper myLooper() {    return sThreadLocal.get();}

Looper.myLooper()就是返回了保存在ThreadLocal中的Looper对象。
Handler创建完毕后，Handler和Looper以及MessageQueue便协同工作，构成一个消息系统。通过Handler的post系列方法将一个Runnable投递到Looper，或者send系列方法发送一个消息到Looper中，通过调用MessageQueue的enqueueMessage()方法将消息放入消息队列中，此时Looper发现有新消息到来，处理此消息。最终消息中的Runnable或者Handler的handleMessage()方法就会被调用，这样就又将任务切换到创建Handler的线程中去了。过程如图所示：

Handler工作过程

工作原理

Handler的工作主要包括发送和接收消息。

发送消息

上面提到，发送消息是通过一系列post或者send方法实现，post系列的方法最终都是通过send系列方法实现的。Handler中有关发送消息的send系列方法源码如下：

public final boolean sendMessage(Message msg){    return sendMessageDelayed(msg, 0);} public final boolean sendEmptyMessage(int what){    return sendEmptyMessageDelayed(what, 0);}public final boolean sendEmptyMessageDelayed(int what, long delayMillis) {    Message msg = Message.obtain();    msg.what = what;    return sendMessageDelayed(msg, delayMillis);}public final boolean sendEmptyMessageAtTime(int what, long uptimeMillis) {        Message msg = Message.obtain();        msg.what = what;        return sendMessageAtTime(msg, uptimeMillis);}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);}    public final boolean sendMessageAtFrontOfQueue(Message msg) {    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, 0);}    private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {    msg.target = this;    if (mAsynchronous) {        msg.setAsynchronous(true);    }    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);}

可以看到除了sendMessageAtFrontOfQueue()方法，其余最终都是调用sendMessageAtTime()方法，在sendMessageAtTime()方法中调用enqueueMessage()方法，再调用MessageQueue的enqueueMessage()方法，发送消息就是向消息队列中插入一条消息，MessageQueue的next()方法将这条消息返回给Looper。

处理消息

Looper接收到消息后处理，并最终交由Handler的dispatchMessage()处理，源码如下：

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

首先检查Message的callback，不为null则调用handleCallback()，源码如下：

private static void handleCallback(Message message) {    message.callback.run();}

Message的callback是一个Runnable对象，就是Handler中post方法的Runnable参数。post方法源码如下：

public final boolean post(Runnable r){    return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);}

post方法利用sendMessageDelayed()方法发送消息，其中又调用了getPostMessage()方法，其源码如下：

private static Message getPostMessage(Runnable r) {    Message m = Message.obtain();    m.callback = r;    return m;}

该方法传入一个Runnable参数，得到一个Message对象，将Runnable参数赋值给Message对象的callback字段。

然后检查mCallback，不为null则调用mCallback的handleMessage()，Callback是一个接口，定义如下：

/** * Callback interface you can use when instantiating a Handler to avoid * having to implement your own subclass of Handler. * * @param msg A {@link android.os.Message Message} object * @return True if no further handling is desired */public interface Callback {    public boolean handleMessage(Message msg);}

使用Callback创建Handler不需要派生一个Handler子类，通常开发过程中都是派生Handler子类并重写其handleMessage()方法来处理具体消息，Callback提供了另一种使用Handler方法。
最后不符合以上两点时，就调用Handler的handleMessage()来处理消息。

Looper

Looper在Android消息机制中扮演消息循环的角色，它会不断从MessageQueue中查看是否有新消息，如果有新消息就立即处理，否则一直阻塞在那里。

创建Looper

首先看一下构造方法，在构造方法中它会创建一个MessageQueue消息队列，然后将当前线程的对象保存起来。

private Looper(boolean quitAllowed) {    mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);    mThread = Thread.currentThread();}

Handler的工作需要Looper，没有Looper的线程就会报错，那么如何为线程创建Looper呢？通过Looper.prepare()即可为当前线程创建一个Looper，同时会将Looper保存在ThreadLocal中，Handler的构造函数便是从ThreadLocal中获取Looper对象，从代码如下:

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));}

接着通过Looper.loop()来开启消息循环。为一个子线程创建Looper和Handler的代码如下所示：

new Thread("Thread#2"){    @Override    public void run(){        Looper.prepare();        Handler handler = new Handler();        Looper.loop();    };}.start();

Looper除了prepare()方法外，还提供了prepareMainLooper()方法，这个方法主要是给主线程即ActivityThread创建Looper使用的，本质也是通过prepare()方法来实现的，源码如下：

public static void prepareMainLooper() {    prepare(false);    synchronized (Looper.class) {        if (sMainLooper != null) {            throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");        }        sMainLooper = myLooper();    }}

在程序启动的时候，系统已经帮我们自动调用了Looper.prepare()方法。ActivityThread中的main()方法调用了Looper.prepareMainLooper()方法，而这个方法又会再去调用Looper.prepare()方法。因此我们应用程序的主线程中会始终存在一个Looper对象，从而不需要再手动去调用Looper.prepare()方法了。

由于主线程Looper比较特殊，所以Looper提供了一个getMainLooper()方法，通过它可以在任何地方获取主线程的Looper。

Looper退出

Looper也提供了退出方法，quit()和quitSafely()，区别在于quit()是直接退出Looper，而quitSafely()只是设定一个退出标记，然后把消息队列中的已有消息全部处理完毕后再退出。quit()方法最终调用的是MessageQueue中的removeAllMessagesLocked()方法，quitSafely()最终调用的是MessageQueue中的removeAllFutureMessagesLocked()方法，源码如下：

private void removeAllMessagesLocked() {        Message p = mMessages;        while (p != null) {            Message n = p.next;            p.recycleUnchecked();            p = n;        }        mMessages = null;    }private void removeAllFutureMessagesLocked() {    final long now = SystemClock.uptimeMillis();    Message p = mMessages;    if (p != null) {        if (p.when > now) {            removeAllMessagesLocked();        }         else {            Message n;            for (;;) {                n = p.next;                if (n == null) {                    return;                }                if (n.when > now) {                    break;                }                p = n;            }            p.next = null;            do {                p = n;                n = p.next;                p.recycleUnchecked();            } while (n != null);    }}

Looper退出后，通过Handler发送的消息会失败，Handler的send方法会返回false，在子线程中如果为其手动创建了Looper，消息处理完毕后应该调用quit()方法来终止消息循环，否则这个子线程会一直处于等待状态，退出Looper以后，这个子线程就会立刻终止，因此建议不需要的时候终止Looper。

消息循环

Looper通过loop()方法开启消息循环，源码实现如下：

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        final Printer logging = me.mLogging;        if (logging != null) {            logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +                msg.callback + ": " + msg.what);        }        final long traceTag = me.mTraceTag;        if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {            Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));        }        try {            msg.target.dispatchMessage(msg);        } finally {            if (traceTag != 0) {                Trace.traceEnd(traceTag);            }        }        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();    }}

loop()方法是一个死循环，唯一跳出循环的方法是MessageQueue的next()方法返回了null。当Looper的退出方法被调用时，通知消息队列消息退出，当消息队列被标记为退出状态时，它的next()方法就会返回null。也就是说Looper必须退出，否则loop()方法会无限循环下去。
loop()方法会调用MessageQueue中的next()方法来获取新消息，而next()是一个阻塞操作，没有新消息时会一直阻塞在那里，同理导致loop()阻塞，如果MessageQueue的next()方法返回了新消息，Looper便会处理这条消息，通过以下语句执行：

msg.target.dispatchMessage(msg);

这里的msg.target是发送这条消息的Handler对象，这样通过Handler的dispatchMessage()方法来处理消息，dispatchMessage()是在创建Handler时所使用的Looper中执行的，这样就将代码逻辑切换到指定的线程中了。

Message & MessageQueue

Message在线程之间传递消息，Message有what字段，是消息类型字段，arg1和arg2携带一些整型数据，obj字段携带一个object对象。
MessageQueue是消息队列，存放所有通过Handler发送的消息。消息一直存放在消息队列中，等待被处理。每个线程只会有一个MessageQueue对象。
MessageQueue主要包含两个操作，插入和读取，读取伴随着删除操作。euqueueMessage()的作用是往消息队列中插入一条消息，next()的作用是从消息队列中读取一条消息并移除。尽管MessageQueue叫做消息队列，但是其内部是通过单链表的数据结构来维护消息列表。euqueueMessage()的源码如下：

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;}

从源码中可以分析出，当前消息队列的头结点为空或待插入的消息需要被立即执行时，就让当前消息成为消息队列的新的头结点，并且如果消息队列处于阻塞状态，则将消息队列唤醒；否则则按消息等待被执行的时间顺序，将待插入消息插入消息队列中，最后如果需要唤醒消息队列，则通过native方法nativeWake()来唤醒消息队列。
下面再看看next()方法的源码：

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;           }           ...       }       ...   }}

可以发现next()方法是一个无限循环方法，如果消息队列中没有消息，其会一直阻塞在这里，有新消息到来时，next()方法会返回这条消息并将其从单链表中移除。

Android中为什么主线程不会因为Looper.loop()里的死循环卡死？

问题描述

Android程序的入口点可以认为是ActivityThread类的main()方法，源码如下:

public static void main(String[] args) {    ...        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();        ...}

可以看到Looper开启了消息循环，loop()方法是一个死循环，但是并没有看见有相关代码为这个死循环准备了一个新线程去运转，但是主线程却并不会因为Looper.loop()中的这个死循环卡死，这是为什么呢？

原因

从上述代码我们可以发现，首先调用prepareMainLooper()方法为主线程创建一个消息队列；其次，生成一个ActivityThread对象，在其初始化代码中会创建一个H（Handler）对象，即ActivityThread.H，它内部定义了一组消息类型，主要包含了四大组件的启动和停止过程，如下所示：

private 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;        ...    }

thread.attach(false)生成了一个AppplicationThread(Binder)对象，ActivityThread通过ApplicationThread和AMS进行进程间通信，AMS以进程间通信方式完成ActivityThread的请求后会回调ApplicationThread中的Binder方法，Binder负责接远程ActivityManagerService(AMS)的IPC调用，用于接收系统服务AMS发来的消息，收到消息后，通过Handler将消息发送到消息队列，UI主线程会异步的从消息队列中取出消息并执行操作；最后，UI主线程调用Looper.loop()进入消息循环。

Android的Handler消息机制涉及到Linux的pipe/epoll机制，MessageQueue没有消息时，阻塞在那里，主线程会释放CPU进入休眠状态，通过Linux系统的epoll机制中的epoll_wait函数进行等待，当有新消息来临时，往pipe(管道)写入端写入消息来唤醒主线程，其实就是一个生产消费模型。
（还有一个疑问，那就是怎么响应点击事件呢？或者说对通常的GUI模型，如windows都是怎么实现的呢？生产消费模型？）

以上部分摘自柯元旦

Handler的其它用法

除了通过编写子线程并结合Handler发送消息改变UI外，Handler还有一些其他用法。

View中的post()方法

代码如下所示：

public boolean post(Runnable action) {    final AttachInfo attachInfo = mAttachInfo;    if (attachInfo != null) {        return attachInfo.mHandler.post(action);    }    // Postpone the runnable until we know on which thread it needs to run.    // Assume that the runnable will be successfully placed after attach.    getRunQueue().post(action);    return true;}

发现View的post()方法就是调用了Handler中的post()方法，前文已经说过Handler的post()方法了，不再多解释。

Activity中的runOnUiThread()方法