Android的消息機制Handler詳解

Android的消息機制主要指 Handler 的運行機制，Handler的運行需要底層的MessageQueue 和 Looper 的支撐。

MessageQueue：消息隊列，它的內部存儲了一組消息，以隊列的形式對外提供插入和刪除的工作，其內部存儲結構采用單鏈表的數據結構來存儲消息列表。

Looper：可理解為消息循環。

由於MessageQueue只是一個消息存儲單元，不能去處理消息，而Looper會以無限循環的形式去查找是否有新的消息，如果有的話就處理，否則就一直等待著。

Looper還有一個特殊的概念，就是ThreadLocal，它的作用可以在每個線程中存儲數據。

Handler創建的時候會采用當前線程的Looper來構造消息循環系統，Handler內部需要使用ThreadLocal來獲取每個線程的Looper。ThreadLocal可以在不同的線程中互不干擾地存儲並提供數據。

注意：線程默認是沒有Looper的，如果需要使用Handler就必須為線程創建Looper。主線程，UI線程，它就是ActivityThread，ActivityThread被創建時就會初始化Looper，這也是在主線程中默認可以使用Handler的原因。

Android消息機制概述

Android的UI控件不是線程安全的，如果在多線程中並發訪問可能會導致UI控件處於不可預期的狀態，如果對UI控件加鎖會有兩個確定：首先加上鎖機制會使UI訪問邏輯變得負責；其次鎖機制會降低UI的訪問效率，鎖機制會阻礙某些線程的執行。鑒於這個兩個缺點，最簡單且高效的方法就是采用單線程模型來處理UI操作，只需要通過Handler切換一下UI訪問的執行線程即可。

Handler創建完成後，其內部的 Looper 以及 MessageQueue就可以和Handler一起工作，Handler的post方法將一個 Runnable 投遞到 Handler 內部的 Looper中去處理，也可以通過send發送一個消息（post最終也是通過send來完成的）。當Handler的send方法被調用時，它會調用 MessageQueue 的 enqueueMessage 方法將這個消息放入消息隊列中，然後Looper發現有新消息到來時，就會處理這個消息，最終消息中的Runnable或者Handler的 handleMessage方法就會被調用。注意 Looper 是運行在創建Handler所在的線程中的，這樣一來Handler中的業務邏輯就可以切換到創建Handler所在的線程中去執行。

Android 消息機制分析

ThreadLocal 的工作原理

ThreadLocal是一個線程內部的數據存儲類，通過它可以在指定的線程中存儲數據，數據存儲以後，只有在指定線程中可以獲取到存儲的數據，對於其他線程來說則無法獲取到數據。

在不同線程中訪問通同一個ThreadLocal對象，通過ThreadLocal獲取的值卻是不一樣的，是因為不同線程訪問同一個ThreadLocal的get方法，ThreadLocal內部會從各自的線程中取出一個數組，然後再從數組中根據當前ThreadLocal的索引去查找出對應的 value 值。

消息隊列的工作原理

消息隊列在 Android 中指的是 MessageQueue，MessageQueue主要包含兩個操作: 插入和讀取。

插入：enqueueMessage

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;
    }

讀取：next，讀取本身會伴隨刪除操作

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;
        }
    }

next方法是一個無限循環的方法，如果消息隊列中沒有消息，那麼 next 方法會一直阻塞在這裡，當有消息到來時，next方法會返回這條消息並將其從單鏈表中移除。

Looper 的工作原理

Looper在 Android 的消息機制中扮演者消息循環的角色，它會不停地從MessageQueue中查看是否有新消息，如果有新消息就立刻處理，否則就一直阻塞在那裡。

它的構造方法，創建一個MessageQueue即消息隊列，然後將當前線程的對象保存起來：

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

Handler 的工作需要 Looper，沒有 Looper 的線程就會報錯，可以通過 Looper.prepare()為當前線程創建一個Looper，接著通過Looper.loop()來開啟消息循環：

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

Looper除了 prepare 方法外，還提供了 prepareMainLooper 方法，主要給 ActivityThread 創建 Looper 使用，Looper 還提供一個 getMainLooper() 方法，可以在任何地方獲取到主線程的 Looper。

Looper 還提供 quite 和 quitSafely 來退出一個 Looper， 二者區別是：quit 會直接退出Looper，而 quitSafely 只是設定一個退出標記，然後把消息隊列中的已有消息處理完畢後才安全退出。

Looper 退出後，通過 Handler 發送的消息會失敗，這時Handler的send方法會返回false。

在子線程中，如果手動為其創建了 Looper ，那麼在所有的事情完成以後應該調用 quit 方法來終止消息循環，否則這個子線程就會一直處於等待的狀態，而如果退出 Looper 以後，這個線程就會立刻終止，因此建議不需要的時候終止 Looper 。

Looper 最重要的一個方法就是 loop(),只有調用 loop 方法，消息循環系統才會真正地起作用：

    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();
        }
    }

loop 方法是一個死循環，唯一跳出循環的方式就是 MessageQueue 的 next 方法返回了 null。

當Looper的 quit 方法調用時，Looper 就會調用 MessageQueue 的 quit 或者 quitSafely 方法來通知消息隊列退出，當消息隊列被標記為退出狀態時，它的next方法就會返回null，也就是說 Looper 必須退出，否則 loop 方法就會一直循環下去。

loop 方法會調用 MessageQueue 的 next 方法來獲取新消息，而next是一個阻塞操作，當沒有消息時，next 方法會一直阻塞在那裡，這也導致 loop 方法一直阻塞在那裡。

如果 MessageQueue 的 next 方法返回了新消息，Looper 會處理這條消息：msg.target.dispatchMessage(msg);這裡的msg.target是發送這條消息的 Handler 對象，這樣Handler發送的消息最終又交給它的dispatchMessage方法來處理，不同的是，Handler的dispatchMessage方法是在創建Handler時所使用的 Looper 中執行的，這樣就成功地將代碼邏輯切換到指定的線程中去執行。

Handler 的工作原理

Handler主要包含消息的發送和接收過程。消息的發送可以通過 post 的一系列方法以及 send 的一系列方法來實現。

    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);
    }

Handler 發送消息的過程僅僅是向消息隊列中插入一條消息，MessageQueue 的 next 方法就會返回這條消息給 Looper，Looper 接收到消息就開始處理了，最終消息由 Looper 交由 Handler 處理，即 Handler 的 dispatchMessage 方法會被調用，這時 Handler 就會進入消息處理階段，dispatchMessage 的實現如下：

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

首先，檢查Message的callback是否為null，不為null就通過handleCallback(msg)來處理消息，Message的callback是一個 Runnable 對象，實際上就是 Handler的post方法所傳遞的 Runnable 參數。

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

其次，檢查 mCallback 是否為 null，不為 null 就調用 mCallback 的handleMessage方法，這樣就不用派生Handler的子類

Handler handler = new Handler(callback);

最後，調用 Handler 的 handleMessage 方法來處理消息。

Handler 還有一個特殊的構造方法，就是通過一個特定的 Looper 來構造 Handler，它的實現如下：

    public Handler(Looper looper) {
        this(looper, null, false);
    }

    public Handler(Looper looper, Callback callback, boolean async) {
        mLooper = looper;
        mQueue = looper.mQueue;
        mCallback = callback;
        mAsynchronous = async;
    }

下面看一下 Handler 的默認構造方法：

    public Handler(Callback callback, boolean async) {
        if (FIND_POTENTIAL_LEAKS) {
            final Class 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;
    }

如果當前線程沒有 Looper 的話，就會拋出 “Can’t create handler inside thread that has not called Looper.prepare()”異常。

主線程的消息循環

Android 的主線程就是 ActivityThread，主線程的入口方法為 main，在 main 方法中通過 Looper.prepareMainLooper()來創建主線程的 Looper 以及 MessageQueue，並通過 Looper.loop() 來開啟主線程的消息循環。

public static void main(String[] args) {
        Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ActivityThreadMain");
        SamplingProfilerIntegration.start();

        // CloseGuard defaults to true and can be quite spammy.  We
        // disable it here, but selectively enable it later (via
        // StrictMode) on debug builds, but using DropBox, not logs.
        CloseGuard.setEnabled(false);

        Environment.initForCurrentUser();

        // Set the reporter for event logging in libcore
        EventLogger.setReporter(new EventLoggingReporter());

        AndroidKeyStoreProvider.install();

        // Make sure TrustedCertificateStore looks in the right place for CA certificates
        final File configDir = Environment.getUserConfigDirectory(UserHandle.myUserId());
        TrustedCertificateStore.setDefaultUserDirectory(configDir);

        Process.setArgV0("");

        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();

        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
    }
}

主線程消息循環開始以後，ActivityThread還需要一個 Handler 來和消息隊列進行交互，這個Handler就是ActivitThread.H，它內部定義了一組消息類型，主要包含了四大組件的啟動和停止過程：

    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;

        ...
    }

ActivityThread 通過 ApplicationThread 和 AMS 進行進程間通信，AMS 以進程間通信的方式完成。 ActivityThread的請求會回調 ApplicationThread 中的Binder 方法，然後ApplicationThread 會向 H 發送消息，H 收到消息後會將 ApplicationThread 中的邏輯切換到 ActivityThread 中去執行，即切換到主線程中去執行，這個過程就是主線程的消息循環模型。