Android消息机制的原理及源码解析

提起Android消息机制，想必都不陌生。其中包含三个部分：Handler，MessageQueue以及Looper，三者共同协作，完成消息机制的运行。本篇文章将由浅入深解析Android消息机制的运行原理，先介绍三者之间的协作框架，然后从源码的角度来分析具体的运行机制。

一、消息机制概述

1.消息机制的简介

在Android中使用消息机制，我们首先想到的就是Handler。没错，Handler是Android消息机制的上层接口。Handler的使用过程很简单，通过它可以轻松地将一个任务切换到Handler所在的线程中去执行。通常情况下，Handler的使用场景就是更新UI。
如下就是使用消息机制的一个简单实例：

public class Activity extends android.app.Activity {    private Handler mHandler = new Handler(){        @Override        public void handleMessage(Message msg) {            super.handleMessage(msg);            System.out.println(msg.what);        }    };    @Override    public void onCreate(Bundle savedInstanceState, PersistableBundle persistentState) {        super.onCreate(savedInstanceState, persistentState);        setContentView(R.layout.activity_main);        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                ...............耗时操作                Message message = Message.obtain();                message.what = 1;                mHandler.sendMessage(message);            }        }).start();    }}

在子线程中，进行耗时操作，执行完操作后，发送消息，通知主线程更新UI。这便是消息机制的典型应用场景。我们通常只会接触到Handler和Message来完成消息机制，其实内部还有两大助手来共同完成消息传递。

2.消息机制的模型

消息机制主要包含：MessageQueue，Handler和Looper这三大部分，以及Message，下面我们一一介绍。

Message：需要传递的消息，可以传递数据；

MessageQueue：消息队列，但是它的内部实现并不是用的队列，实际上是通过一个单链表的数据结构来维护消息列表，因为单链表在插入和删除上比较有优势。主要功能向消息池投递消息(MessageQueue.enqueueMessage)和取走消息池的消息(MessageQueue.next)；

Handler：消息辅助类，主要功能向消息池发送各种消息事件(Handler.sendMessage)和处理相应消息事件(Handler.handleMessage)；

Looper：不断循环执行(Looper.loop)，从MessageQueue中读取消息，按分发机制将消息分发给目标处理者。

3.消息机制的架构

消息机制的运行流程：在子线程执行完耗时操作，当Handler发送消息时，将会调用MessageQueue.enqueueMessage，向消息队列中添加消息。当通过Looper.loop开启循环后，会不断地从线程池中读取消息，即调用MessageQueue.next，然后调用目标Handler（即发送该消息的Handler）的dispatchMessage方法传递消息，然后返回到Handler所在线程，目标Handler收到消息，调用handleMessage方法，接收消息，处理消息。

MessageQueue，Handler和Looper三者之间的关系：每个线程中只能存在一个Looper，Looper是保存在ThreadLocal中的。主线程（UI线程）已经创建了一个Looper，所以在主线程中不需要再创建Looper，但是在其他线程中需要创建Looper。每个线程中可以有多个Handler，即一个Looper可以处理来自多个Handler的消息。 Looper中维护一个MessageQueue，来维护消息队列，消息队列中的Message可以来自不同的Handler。

下面是消息机制的整体架构图，接下来我们将慢慢解剖整个架构。

从中我们可以看出：
Looper有一个MessageQueue消息队列；
MessageQueue有一组待处理的Message；
Message中记录发送和处理消息的Handler；
Handler中有Looper和MessageQueue。

二、消息机制的源码解析

1.Looper

要想使用消息机制，首先要创建一个Looper。
初始化Looper
无参情况下，默认调用prepare(true);表示的是这个Looper可以退出，而对于false的情况则表示当前Looper不可以退出。。

 public static void prepare() {        prepare(true);    }    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));    }

这里看出，不能重复创建Looper，只能创建一个。创建Looper,并保存在ThreadLocal。其中ThreadLocal是线程本地存储区（Thread Local Storage，简称为TLS），每个线程都有自己的私有的本地存储区域，不同线程之间彼此不能访问对方的TLS区域。
开启Looper

public static void loop() {    final Looper me = myLooper();  //获取TLS存储的Looper对象     if (me == null) {        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");    }    final MessageQueue queue = me.mQueue;  //获取Looper对象中的消息队列    Binder.clearCallingIdentity();    final long ident = Binder.clearCallingIdentity();    for (;;) { //进入loop的主循环方法        Message msg = queue.next(); //可能会阻塞,因为next()方法可能会无限循环        if (msg == null) { //消息为空，则退出循环            return;        }        Printer logging = me.mLogging;  //默认为null，可通过setMessageLogging()方法来指定输出，用于debug功能        if (logging != null) {            logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +                    msg.callback + ": " + msg.what);        }        msg.target.dispatchMessage(msg); //获取msg的目标Handler，然后用于分发Message         if (logging != null) {            logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);        }        final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity();        if (ident != newIdent) {                 }        msg.recycleUnchecked();     }}

loop()进入循环模式，不断重复下面的操作，直到消息为空时退出循环:
读取MessageQueue的下一条Message（关于next()，后面详细介绍）；
把Message分发给相应的target。

当next()取出下一条消息时，队列中已经没有消息时，next()会无限循环，产生阻塞。等待MessageQueue中加入消息，然后重新唤醒。

主线程中不需要自己创建Looper，这是由于在程序启动的时候，系统已经帮我们自动调用了Looper.prepare()方法。查看ActivityThread中的main()方法，代码如下所示：

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

其中``prepareMainLooper()方法会调用prepare(false)`方法。

2.Handler

创建Handler

public Handler() {    this(null, false);}public Handler(Callback callback, boolean async) {   .................................    //必须先执行Looper.prepare()，才能获取Looper对象，否则为null.    mLooper = Looper.myLooper();  //从当前线程的TLS中获取Looper对象    if (mLooper == null) {        throw new RuntimeException("");    }    mQueue = mLooper.mQueue; //消息队列，来自Looper对象    mCallback = callback;  //回调方法    mAsynchronous = async; //设置消息是否为异步处理方式}

对于Handler的无参构造方法，默认采用当前线程TLS中的Looper对象，并且callback回调方法为null，且消息为同步处理方式。只要执行的Looper.prepare()方法，那么便可以获取有效的Looper对象。

3.发送消息

发送消息有几种方式，但是归根结底都是调用了sendMessageAtTime()方法。

在子线程中通过Handler的post()方式或send()方式发送消息，最终都是调用了sendMessageAtTime()方法。

post方法

 public final boolean post(Runnable r)    {       return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);    }public final boolean postAtTime(Runnable r, long uptimeMillis)    {        return sendMessageAtTime(getPostMessage(r), uptimeMillis);    } public final boolean postAtTime(Runnable r, Object token, long uptimeMillis)    {        return sendMessageAtTime(getPostMessage(r, token), uptimeMillis);    } public final boolean postDelayed(Runnable r, long delayMillis)    {        return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), delayMillis);    }

send方法

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);    }

就连子线程中调用Activity中的runOnUiThread()中更新UI，其实也是发送消息通知主线程更新UI，最终也会调用sendMessageAtTime()方法。

 public final void runOnUiThread(Runnable action) {        if (Thread.currentThread() != mUiThread) {            mHandler.post(action);        } else {            action.run();        }    }

如果当前的线程不等于UI线程(主线程)，就去调用Handler的post()方法，最终会调用sendMessageAtTime()方法。否则就直接调用Runnable对象的run()方法。

下面我们就来一探究竟，到底sendMessageAtTime()方法有什么作用？
sendMessageAtTime()

 public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {       //其中mQueue是消息队列，从Looper中获取的        MessageQueue queue = mQueue;        if (queue == null) {            RuntimeException e = new RuntimeException(                    this + " sendMessageAtTime() called with no mQueue");            Log.w("Looper", e.getMessage(), e);            return false;        }        //调用enqueueMessage方法        return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);    }

 private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {        msg.target = this;        if (mAsynchronous) {            msg.setAsynchronous(true);        }        //调用MessageQueue的enqueueMessage方法        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);    }

可以看到sendMessageAtTime()`方法的作用很简单，就是调用MessageQueue的enqueueMessage()方法，往消息队列中添加一个消息。
下面来看enqueueMessage()方法的具体执行逻辑。
enqueueMessage()

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {    // 每一个Message必须有一个target    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) {  //正在退出时，回收msg，加入到消息池            msg.recycle();            return false;        }        msg.markInUse();        msg.when = when;        Message p = mMessages;        boolean needWake;        if (p == null || when == 0 || when < p.when) {            //p为null(代表MessageQueue没有消息） 或者msg的触发时间是队列中最早的， 则进入该该分支            msg.next = p;            mMessages = msg;            needWake = mBlocked;         } else {            //将消息按时间顺序插入到MessageQueue。一般地，不需要唤醒事件队列，除非            //消息队头存在barrier，并且同时Message是队列中最早的异步消息。            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;            prev.next = msg;        }        if (needWake) {            nativeWake(mPtr);        }    }    return true;}

MessageQueue是按照Message触发时间的先后顺序排列的，队头的消息是将要最早触发的消息。当有消息需要加入消息队列时，会从队列头开始遍历，直到找到消息应该插入的合适位置，以保证所有消息的时间顺序。

4.获取消息

当发送了消息后，在MessageQueue维护了消息队列，然后在Looper中通过loop()方法，不断地获取消息。上面对loop()方法进行了介绍，其中最重要的是调用了queue.next()方法,通过该方法来提取下一条信息。下面我们来看一下next()方法的具体流程。
next()

Message next() {    final long ptr = mPtr;    if (ptr == 0) { //当消息循环已经退出，则直接返回        return null;    }    int pendingIdleHandlerCount = -1; // 循环迭代的首次为-1    int nextPollTimeoutMillis = 0;    for (;;) {        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {            Binder.flushPendingCommands();        }        //阻塞操作，当等待nextPollTimeoutMillis时长，或者消息队列被唤醒，都会返回        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);        synchronized (this) {            final long now = SystemClock.uptimeMillis();            Message prevMsg = null;            Message msg = mMessages;            if (msg != null && msg.target == null) {                //当消息Handler为空时，查询MessageQueue中的下一条异步消息msg，为空则退出循环。                do {                    prevMsg = msg;                    msg = msg.next;                } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());            }            if (msg != null) {                if (now < msg.when) {                    //当异步消息触发时间大于当前时间，则设置下一次轮询的超时时长                    nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);                } else {                    // 获取一条消息，并返回                    mBlocked = false;                    if (prevMsg != null) {                        prevMsg.next = msg.next;                    } else {                        mMessages = msg.next;                    }                    msg.next = null;                    //设置消息的使用状态，即flags |= FLAG_IN_USE                    msg.markInUse();                    return msg;   //成功地获取MessageQueue中的下一条即将要执行的消息                }            } else {                //没有消息                nextPollTimeoutMillis = -1;            }         //消息正在退出，返回null            if (mQuitting) {                dispose();                return null;            }            ...............................    }}

nativePollOnce是阻塞操作，其中nextPollTimeoutMillis代表下一个消息到来前，还需要等待的时长；当nextPollTimeoutMillis = -1时，表示消息队列中无消息，会一直等待下去。
可以看出next()方法根据消息的触发时间，获取下一条需要执行的消息,队列中消息为空时，则会进行阻塞操作。

5.分发消息

在loop()方法中，获取到下一条消息后，执行msg.target.dispatchMessage(msg)，来分发消息到目标Handler对象。
下面就来具体看下dispatchMessage(msg)方法的执行流程。
dispatchMessage()

public void dispatchMessage(Message msg) {    if (msg.callback != null) {        //当Message存在回调方法，回调msg.callback.run()方法；        handleCallback(msg);    } else {        if (mCallback != null) {            //当Handler存在Callback成员变量时，回调方法handleMessage()；            if (mCallback.handleMessage(msg)) {                return;            }        }        //Handler自身的回调方法handleMessage()        handleMessage(msg);    }}

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

分发消息流程：
当Message的msg.callback不为空时，则回调方法msg.callback.run();
当Handler的mCallback不为空时，则回调方法mCallback.handleMessage(msg)；
最后调用Handler自身的回调方法handleMessage()，该方法默认为空，Handler子类通过覆写该方法来完成具体的逻辑。

消息分发的优先级：
Message的回调方法：message.callback.run()，优先级最高；
Handler中Callback的回调方法：Handler.mCallback.handleMessage(msg)，优先级仅次于1；
Handler的默认方法：Handler.handleMessage(msg)，优先级最低。

对于很多情况下，消息分发后的处理方法是第3种情况，即Handler.handleMessage()，一般地往往通过覆写该方法从而实现自己的业务逻辑。

三、总结

以上便是消息机制的原理，以及从源码角度来解析消息机制的运行过程。可以简单地用下图来理解。