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Android Handler 机制

发表于 更新于 分类于

Handler 机制是 Android 系统处理同一进程不同线程间通信的机制，基于 Linux 系统的 epoll 机制实现。

Android 两大机制：Binder 机制用于处理进程间通信；Handler 机制用于处理进程内的线程间通信，线程间交互。

概念

  • Message
    意为消息，发送到 Handler 进行处理的对象，携带描述信息和任意数据。
  • MessageQueue
    意为消息队列，Message 的集合。
  • Looper
    消息泵，用来从 MessageQueue 中抽取 Message，发送给 Handler 进行处理。
  • Handler
    处理 Looper 抽取出来的 Message。

也就是说所有的消息处理都是串行执行的。

他们之间的关系：

  • 每个 Thread 只对应一个 Looper
  • 每个 Looper 只对应一个 MessageQueue
  • 每个 MessageQueue 中有 N 个 Message
  • 每个 Message 最多指定一个 Handler 来处理事件
  • 每个 Thread 可以对应多个 Handler

在如下操作中都是基于 UI 主线程，在异步任务中使用 Handler 机制更新 UI 必须用 new Handler(); 来初始化。 

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// 默认使用 UI 主线程的 Looper
Handler mHandler = new Handler();
mHandler.post(new Runnable(){});

源码目录及类对应文件

源码目录结构

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// Framework Java
frameworks/base/core/java/android/os/
    Message.java
    MessageQueue.java
    Looper.java
    Handler.java

// Framework JNI
frameworks/base/core/jni/
    android_os_MessageQueue.h
    android_os_MessageQueue.cpp

// System Native
system/core/libutils/include/utils/Looper.h
system/core/libutils/Looper.cpp

类或接口对应文件

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Message.java: Message
MessageQueue.java: MessageQueue
Looper.java: Looper
Handler.java: Handler
Looper.h: Message, MessageHandler, WeakMessageHandler, LooperCallback, 
          SimpleLooperCallback, Looper
android_os_MessageQueue.h: MessageQueue
android_os_MessageQueue.cpp: NativeMessageQueue

Message 详解

Message 是 Handler 机制中的数据容器，和 Binder 机制中的 Parcel 功能一样。Message 数据结构特点：

  • 链表
    Message 是单链表数据结构，成员变量 next 保存下一条消息，而当前消息是链表的头结点。Message 中的消息池 Message sPool 利用链表头结点特性实现栈，快速存取消息；MessageQueue 中的成员变量 Message mMessages 利用链表结构实现先进先出队列，确保先进入的消息先被处理。
  • 存储简单数据
    成员变量 arg1, arg2 用来存储简单整型数据。
  • 存储复杂数据
    成员变量 Object obj, Bundle data 用来存储复杂数据，其中 Bundle 能够存放键值对。

源码分析

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public final class Message implements Parcelable {
    // 消息唯一标记
    public int what;
    // 存储简单数据
    public int arg1;
    public int arg2;
    public Object obj;
    // Messenger 用于跨进程通信
    public Messenger replyTo;
    public int sendingUid = -1;
    
    // 存储复杂数据，可以通过 get/set Data 来设置
    /*package*/ Bundle data;
    public Bundle getData() {
        if (data == null) {
            data = new Bundle();
        }

        return data;
    }
    public Bundle peekData() {
        return data;
    }
    public void setData(Bundle data) {
        this.data = data;
    }

    // 消息池是单向链表，最大长度为 50
    /*package*/ Message next;
    private static Message sPool;
    private static final int MAX_POOL_SIZE = 50;

    // 构造方法，但是强烈推荐使用 Obtain 来获取
    // Obtain 会通过消息池来重复使用 Message
    public Message() {}
    public static Message obtain(Handler h){...}
    public static Message obtain(Handler h, int what){...}
    public static Message obtain(Handler h, Runnable callback){...}
    public static Message obtain(Message orig){...}
    public static Message obtain(Handler h, int what, 
                                int arg1, int arg2, Object obj){...}
    public static Message obtain(Handler h, int what, 
                                    int arg1, int arg2){...}
    public static Message obtain(Handler h, int what, Object obj){...}
    public static Message obtain() {
        synchronized (sPoolSync) {
            if (sPool != null) {
                Message m = sPool;
                sPool = m.next;
                m.next = null;
                m.flags = 0; // clear in-use flag
                sPoolSize--;
                return m;
            }
        }
        return new Message();
    }
    
    // 消息回收，重置当前消息，并进入消息池
    public void recycle() {
        if (isInUse()) {
            if (gCheckRecycle) {
                throw ...
            }
            return;
        }
        recycleUnchecked();
    }
    void recycleUnchecked() {
        flags = FLAG_IN_USE;
        what = 0; arg1 = 0; arg2 = 0; obj = null;
        replyTo = null; sendingUid = -1; when = 0;
        target = null; callback = null; data = null;

        synchronized (sPoolSync) {
            if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
                next = sPool;
                sPool = this;
                sPoolSize++;
            }
        }
    }
    
    // 消息投递的绝对时间
    /*package*/ long when;    
    public long getWhen() {return when;}
    
    // target 通常保存处理该消息的 Handler
    /*package*/ Handler target;
    public void setTarget(Handler target) {
        this.target = target;
    }
    public Handler getTarget() {
        return target;
    }
    
    // 如果消息中定义了 callback
    // Handler 在处理消息时，直接回调该 callback，不会再执行 handleMessage
    /*package*/ Runnable callback;
    public Runnable getCallback() {
        return callback;
    }

    // 消息标识
    /*package*/ static final int FLAG_IN_USE = 1 << 0;
    /*package*/ static final int FLAG_ASYNCHRONOUS = 1 << 1;
    /*package*/ static final int FLAGS_TO_CLEAR_ON_COPY_FROM = FLAG_IN_USE;
    /*package*/ int flags;
    // 是否正在使用
    /*package*/ boolean isInUse() {
        return ((flags & FLAG_IN_USE) == FLAG_IN_USE);
    }
    /*package*/ void markInUse() {
        flags |= FLAG_IN_USE;
    }
    // 是否为异步消息
    public boolean isAsynchronous () {...}
    public void setAsynchronous (boolean async) {...}
    
    // 消息对象浅拷贝
    public void copyFrom (Message o) {...}
    // Parcelable 相关
    public static final Parcelable.Creator<Message> CREATOR
            = new Parcelable.Creator<Message>() {...}
    public int describeContents() {...}
    public void writeToParcel(Parcel dest, int flags) {...}
    private void readFromParcel(Parcel source) {...}
    ...
}

快速查看 Message API 。

消息池 sPool

Message 中使用了单向链表结构的消息池，sPool 总是指向链表顶部，所以这个链表模拟的是栈结构，即消息池的数据结构为链表实现的栈。

  • 消息池的创建
    源码中可以看出，消息在被回收后 recycleUnchecked()，将当前消息加入到消息池链表中，即消息池才开始有可以重复利用的 Message ；创建消息池使用了 synchronized 关键字，确保线程池的操作是同步的。如果系统中，同时有很多消息在被传递，当一部分消息使用结束后都会被回收，此时消息池会积蓄的越来越多。
  • 消息的重复利用
    创建消息时推荐使用 Message.obtain() 方式，因为每次 obtain 时，都会判断消息池中是否有可以循环利用的消息，如果存在则取出并清空消息标记，否则才新建一个消息。

实例化一个消息，请使用 Message.obtain() ，充分利用消息池循环利用的特点。

重要成员变量

  • long when
    消息投递的绝对时间（投递时当前时间+设置的延迟时间），在 Handler 发送消息或发布任务时，指定具体的值。MessageQueue 在消息加入队列时，会根据 when 值决定消息在队列中的顺序。
  • Handler target
    保存处理该消息的 Handler ，在 Handler.enqueueMessage() 中将 Message 和对应处理该消息的 Handler 关联起来。
  • Runnable callback
    在 Handler.java 的分析中得出结论：消息的处理有三个优先级，可以直接使用 Message.callback 来进行消息处理。

消息标识 flags

成员变量 flags 有如下四个值：

  • 0
    消息标识清除。表示该消息被创建 new Message()、或者是从消息池中新取出的 Message.obtain()。可以理解是一个新消息，能修改当前消息内容。
  • FLAG_IN_USE
    消息正在被使用。表示消息进入了消息池栈 sPool中、或者进入了消息队列 MessageQueue 中。在消息池中，表示被回收了的消息正在被消息池管理，可以被取出循环利用；在消息队列中，表示消息被投递，正等待被取出处理。
  • FLAG_ASYNCHRONOUS
    表示异步消息；消息默认都是同步的，只能在 Message 和 Handler 构造方法中，特别指定为异步消息。如果设置了同步屏障，异步消息优先级将高于同步消息；消息队列 MessageQueue.next() 在取出消息时，遇到同步屏障会暂停所有的同步消息，将异步消息取出并处理，直到移除同步屏障。所以异步消息通常和同步屏障配合使用，同步屏障详细分析见 MessageQueue 中的分析。
  • FLAGS_TO_CLEAR_ON_COPY_FROM
    它的值和 FLAG_IN_USE 一样，只有在 copyFrom() 方法中会用到。

Messenger 相关

Message 包含具体的数据信息，Messenger 是一名信差，用于进程间发送指定的 Message 。实质上 Messenger 使用 AIDL 和 Handler 机制来实现进程间的异步通信。详细参考Messenger 详解 。

  • Messenger replyTo
    回复此消息的回调信差，跨进程时通信时，可以利用 Message 中携带的信差，完成消息回复。
  • sendingUid
    跨进程发送异步消息的进程 ID 。

Looper 详解

Looper 类设计原则：此类包含基于 MessageQueue 设置和管理事件循环所需的代码。影响队列状态的 API 应该在 MessageQueue, Handler 上定义，而不是在 Looper 本身上定义。例如在队列上定义 idle handlers 和 sync barriers，而在 Looper 上定义准备线程，循环和退出。
Looper 类的主要功能：

  • 提供线程上下文环境，创建与线程绑定的 Looper
  • 创建 MessageQueue
  • loop 循环从 MessageQueue 中获取下一条消息（若无消息线程阻塞等待），指派 Handler 处理消息并回收消息
  • 提供 loop 循环退出方法

源码分析

Looper 类中大部分都是 static 的变量和方法，不能直接实例化，通常都是固定格式来初始化。 

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public final class Looper {
    private static final String TAG = "Looper";

    // sThreadLocal.get() will return null unless you've called prepare().
    static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal=new ThreadLocal<Looper>();
    private static Looper sMainLooper;  // guarded by Looper.class
    
    final MessageQueue mQueue;
    final Thread mThread;
    ...    
    
    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));
    }

    /**
     * Initialize the current thread as a looper, marking it as an
     * application's main looper. The main looper for your application
     * is created by the Android environment, so you should never need
     * to call this function yourself.  See also: {@link #prepare()}
     */
    public static void prepareMainLooper() {
        prepare(false);
        synchronized (Looper.class) {
            if (sMainLooper != null) {
                throw new IllegalStateException(
                    "The main Looper has already been prepared.");
            }
            sMainLooper = myLooper();
        }
    }
    
    // Returns the application's main looper, 
    // which lives in the main thread of the application.
    public static Looper getMainLooper() {
        synchronized (Looper.class) {
            return sMainLooper;
        }
    }

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

    public static @NonNull MessageQueue myQueue() {
        return myLooper().mQueue;
    }

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

    public static void loop() {
        final Looper me = myLooper();
        if (me == null) {throw new RuntimeException("...");}
        final MessageQueue queue = me.mQueue;
        ...
        for (;;) {
            // 线程会阻塞
            Message msg = queue.next(); // might block
            if (msg == null) {
                // No message indicates that the message queue is quitting.
                return;
            }
    
            ...
            msg.target.dispatchMessage(msg);
            ...
            msg.recycleUnchecked();
        }
    }
    public void quit() {
        mQueue.quit(false);
    }
    public void quitSafely() {
        mQueue.quit(true);
    }
    ...
}

快速查看 Looper API 。

重要成员变量

  • sThreadLocal
    结论：一个线程只能对应一个 Looper 。从源码中可以看到，静态变量 sThreadLocal 存储了所有线程对应的 Looper ，而 ThreadLocal 中数据存储的数据结构是一个定制的哈希表，其 key 值是当前线程。
  • sMainLooper
    当前应用主线程对应的 Looper ，在应用对应的主线程 ActivityThread.main() 中初始化。通常我们在 Activity 中获取到的主线程 Looper 对应的就是 sMainLooper 。

Looper 的初始化

代码中可以看到，Looper 的构造方法是私有的，客户端通常使用 Looper.prepare(...) 来实例化，并初始化应用场景。而 Looper.prepareMainLooper() 是用来初始化主线程环境的，整个 Android Framework 中只有 ActivityThread, SystemServer 这两个带有 main() 方法的类调用过，而这两个类分别用来开启应用主线程和系统主线程。
Looper 的构造方法中，初始化了 mQueue 和 mThread ：

  • mQueue
    Handler 机制的消息队列 MessageQueue 就是在 Looper 的构造方法中实例化的。
  • mThread
    赋值的是当前线程：可以是主线程或者工作线程。

Looper.loop()

流程非常简单，进入无限循环并不停的从消息队列中获取消息，而获取消息的过程可能会阻塞。 Looper 线程拿到消息后，执行消息处理 Handler.dispatchMessage() 并回收已经处理过的消息 Message.recycleUnchecked() 。

Looper 退出

Looper 通常是通过 Looper.loop() 进入无线循环，从消息队列中取出消息并处理。Handler 机制为工作线程提供了退出方法 quit/quitSafely ，调用 MessageQueue.quit() 来结束并退出。只要调用了 quit/quitSafely，不管是正在退出还是已经退出，Looper 就不再接收新的消息。Handler 发送的消息，在 MessageQueue.enqueueMessage 中直接返回 false，不做任何处理。

主线程的 Looper 是不允许退出的，在 MessageQueue 的构造方法中设定。prepareMainLooper 调用的是 prepare(false)，即不能退出。

典型工作线程流程

Looper 线程典型的实现示例如下，将 prepare() 和 loop() 的分离，来创建一个与 Looper 通信的 Handler。 

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class LooperThread extends Thread {
    public Handler mHandler;

    public void run() {
        Looper.prepare();

        mHandler = new Handler() {
            public void handleMessage(Message msg) {
                // process incoming messages here
            }
        };

        Looper.loop();
    }
}

Handler 详解

Handler 子类必须是 static 的，避免潜在的内存泄露，在构造方法中可以打开开关做检测。
Handler 类将 Message, Looper, MessageQueue 串起来，给外部提供完整的接口，发送并处理消息。它管理的消息队列 MessageQueue 是 Looper 的成员变量；而 Looper 可以是主线程，也可以是工作线程，在 Handler 初始化时指定。主要功能包含：

  • 初始化一个消息
  • 发布任务或者发送消息
  • 回到 Looper 所在线程处理消息
  • 移除消息或其回调

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public class Handler {
    ...
    final Looper mLooper;
    final MessageQueue mQueue;
    final Callback mCallback;
    final boolean mAsynchronous;

    public interface Callback {
        public boolean handleMessage(Message msg);
    }
    private static void handleCallback(Message message) {
        message.callback.run();
    }
    
    // Subclasses must implement this to receive messages.
    public void handleMessage(Message msg) {
    }
    
    // 消息处理入口，三个优先级：
    // 1. 如果 Message 中定义了 Callback，直接处理
    // 2. 否则如果 Handler 中定义了 Callback，调用处理
    // 3. 最后才是子类重写的 handleMessage
    public void dispatchMessage(Message msg) {
        if (msg.callback != null) {
            handleCallback(msg);
        } else {
            if (mCallback != null) {
                if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                    return;
                }
            }
            handleMessage(msg);
        }
    }
    
    // 构造方法，最终都是初始化 4 个成员变量
    public Handler() {this(null, false);}
    public Handler(Callback callback) {this(callback, false);}
    public Handler(Looper looper) {this(looper, null, false);}
    public Handler(Looper looper, Callback callback) {
        this(looper, callback, false);
    }
    public Handler(boolean async) {this(null, async);}
    public Handler(Callback callback, boolean async) {
        // 检查子类实例化时，是否存在内存泄露
        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;
    }
    public Handler(Looper looper, Callback callback, boolean async) {
        mLooper = looper;
        mQueue = looper.mQueue;
        mCallback = callback;
        mAsynchronous = async;
    }
    
    // 生成对应的消息 Message，但都是对 Message.obtain 的封装
    public final Message obtainMessage(){return Message.obtain(this);}
    public final Message obtainMessage(int what){
        return Message.obtain(this, what);
    }
    public final Message obtainMessage(int what, Object obj){
        return Message.obtain(this, what, obj);
    }
    public final Message obtainMessage(int what, int arg1, int arg2){
        return Message.obtain(this, what, arg1, arg2);
    }
    public final Message obtainMessage(int what, int arg1, int arg2, 
        Object obj){
        return Message.obtain(this, what, arg1, arg2, obj);
    }    
    private static Message getPostMessage(Runnable r) {
        Message m = Message.obtain();
        m.callback = r;
        return m;
    }
    private static Message getPostMessage(Runnable r, Object token) {
        Message m = Message.obtain();
        m.obj = token;
        m.callback = r;
        return m;
    }
    
    // 发布任务，最终都是调用的 enqueueMessage
    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);
    }
    public final boolean postAtFrontOfQueue(Runnable r) {
        return sendMessageAtFrontOfQueue(getPostMessage(r));
    }
    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) {
        // Message 和 Handler 关联
        msg.target = this;
        if (mAsynchronous) {
            // 设置异步消息
            msg.setAsynchronous(true);
        }
        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
    }
    
    // 移除 Message 和 Messa.callback，最终都是在 MessageQueue 中移除
    public final void removeCallbacks(Runnable r){
        mQueue.removeMessages(this, r, null);
    }
    public final void removeCallbacks(Runnable r, Object token){
        mQueue.removeMessages(this, r, token);
    }
    public final void removeMessages(int what) {
        mQueue.removeMessages(this, what, null);
    }
    public final void removeMessages(int what, Object object) {
        mQueue.removeMessages(this, what, object);
    }
    public final void removeCallbacksAndMessages(Object token) {
        mQueue.removeCallbacksAndMessages(this, token);
    }
    
    // Messenger 相关
    IMessenger mMessenger;
    final IMessenger getIMessenger() {
        synchronized (mQueue) {
            if (mMessenger != null) {
                return mMessenger;
            }
            mMessenger = new MessengerImpl();
            return mMessenger;
        }
    }

    private final class MessengerImpl extends IMessenger.Stub {
        public void send(Message msg) {
            msg.sendingUid = Binder.getCallingUid();
            Handler.this.sendMessage(msg);
        }
    }
    
    // 阻塞，同步执行任务
    public final boolean runWithScissors(final Runnable r, long timeout) {
        if (r == null) {
            throw new IllegalArgumentException("runnable must not be null");
        }
        if (timeout < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(
                "timeout must be non-negative");
        }

        if (Looper.myLooper() == mLooper) {
            r.run();
            return true;
        }

        BlockingRunnable br = new BlockingRunnable(r);
        return br.postAndWait(this, timeout);
    }
    private static final class BlockingRunnable implements Runnable {
        private final Runnable mTask;
        private boolean mDone;

        public BlockingRunnable(Runnable task) {
            mTask = task;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                mTask.run();
            } finally {
                synchronized (this) {
                    mDone = true;
                    notifyAll();
                }
            }
        }

        public boolean postAndWait(Handler handler, long timeout) {
            if (!handler.post(this)) {
                return false;
            }

            synchronized (this) {
                if (timeout > 0) {
                    final long expirationTime = SystemClock.uptimeMillis()
                        + timeout;
                    while (!mDone) {
                        long delay = expirationTime 
                            - SystemClock.uptimeMillis();
                        if (delay <= 0) {
                            return false; // timeout
                        }
                        try {
                            wait(delay);
                        } catch (InterruptedException ex) {
                        }
                    }
                } else {
                    while (!mDone) {
                        try {
                            wait();
                        } catch (InterruptedException ex) {
                        }
                    }
                }
            }
            return true;
        }
    }
    ...
}

快速查看 Handler API 。

构造方法及成员变量

从 Handler 的构造方法可以看出来，实例化时主要对 Looper, MessageQueue, Callback, mAsynchronous 四个成员变量的赋值。

  • Looper
    Looper 如果来自于主线程，则不需要通过构造方法赋值；如果来自于工作线程，需要先执行 Looper.prepare 初始化 Looper 使用环境，并作为参数传递到构造方法中。
  • MessageQueue
    Looper 值确定后，消息队列即为其成员变量 mQueue 。
  • Callback
    可以直接通过 Callback 处理消息事件；特别是不需要自定义 Handler 子类来重写 handleMessage 时，默认为 null。
  • mAsynchronous
    是否允许异步执行，默认值为 false 即是同步执行的。它最终会被设置到对应的 Message.flags = FLAG_ASYNCHRONOUS，在 Handler 中被没有其他作用。

自定义 Handler 的子类在实例化时，为了避免内存泄露，通常将子类设置为 static 类型，也就是避免内部类引用当前 Activity 对象。

生成消息

Handler 提供了生成消息的方法，但都是对 Message.obtain 的封装，所以在使用消息前，推荐直接使用 Message 类来生成。

任务发布

不管是通过 post***() 还是 send***() 方法来发布任务或者消息，最终都是调用的 enqueueMessage()，即将 Message 加入到消息队列中 MessageQueue 。enqueueMessage() 的两个重要动作：

  • Handler 和 Message 的关联
    Message 的成员变量 target 存储了处理该消息的 Handler ，在消息入队时，将两者关联起来。
  • 设置异步消息
    Handler.mAsynchronous 成员变量，在入队时将对应的 Message 设置为异步。

消息处理

dispatchMessage 是 Handler 消息处理的入口方法，有三个优先级来处理消息：

  • 优先：如果 Message 中定义了 Callback
  • 其次：如果 Handler 中定义了 Callback
  • 最后：才是调用子类重写的 handleMessage

如果是自定义 Handler 子类，必须重写 handleMessage 来实现消息处理。而消息处理是在 Looper 所在线程来处理的，Looper 如果来自于主线程则在主线程中处理消息；如果来自于工作线程则在工作线程中处理消息。

移除消息

remove***() 系列的方法，是指移除 Message 或者 Message.callback；最终调用的是从 MessageQueue 中移除对应消息。

Messenger 相关

Handler 中实现了 Messenger 用于进程间异步通信的代码。源码中可以看出 Messenger 通过 AIDL 来实现的进程间通信的；而通过 Handler.sendMessage 来实现异步通信。详细参考Messenger 详解 。

BlockingRunnable 阻塞并同步执行任务

BlockingRunnable 同步等待指定任务执行完成才会返回，通过 Object.wait/notify 实现同步阻塞功能。Handler.runWithScissors 方法是具体的实现，它是一个 @hide 方法，客户端 App 并不能直接调用若。该方法是如果调用线程与 Looper 所在线程如果在同一个线程，直接执行完后退出；如果不是同一线程，可以简单的实现 timeout，方法调用以后会阻塞，直到传入的 runnable 结束或者是 timeout 。

MessageQueue 详解

MessageQueue 的内部存储了一组消息，以队列的形式对外提供插入和删除的工作。采用单链表的数据结构来存储消息列表，按照消息发生的绝对时间 Message.when 排序。所以消息队列并不是绝对的先进先出队列，是按照消息发生时间先进先出。Looper.loop 会进入无限循环，而它会调用 MessageQueue.next 方法取出下一条消息；当有消息时，取出交给 Handler 处理；当没有消息时，当前线程便会阻塞在 next() 方法的 nativePollOnce() 中，当线程便会释放 CPU 资源进入休眠状态，直到下个消息到达或者有事务发生时，唤醒当前线程；这里的线程休眠唤醒，涉及到 Linux epoll 机制，后面会详细介绍。
MessageQueue 是在多线程环境下操作，所以绝大部分的方法都使用了 synchronized(this) 关键字；是 Handler 机制的核心类，native 代码在 android_os_MessageQueue.cpp 中实现；MessageQueue 还能监听文件描述符，当发生变化时做出相应事件处理，但是 Handler 机制中并没有使用该功能，本文不做介绍。
MessageQueue 主要功能：

  • 初始化 native 环境
  • 将 Message 加入队列
  • 调用 native 方法，当前线程阻塞等待，直到从队列中取出 Message
  • 多线程环境中维护消息队列入队、出队、销毁

源码分析

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public final class MessageQueue {
    ...
    // True if the message queue can be quit.
    private final boolean mQuitAllowed;
    private boolean mQuitting;

    private long mPtr; // used by native code

    Message mMessages;
    private final ArrayList<IdleHandler> mIdleHandlers 
        = new ArrayList<IdleHandler>();
    private SparseArray<FileDescriptorRecord> mFileDescriptorRecords;
    private IdleHandler[] mPendingIdleHandlers;

    // Indicates whether next() is blocked waiting 
    // in pollOnce() with a non-zero timeout.
    private boolean mBlocked;
    
    // 构造方法
    MessageQueue(boolean quitAllowed) {
        mQuitAllowed = quitAllowed;
        mPtr = nativeInit();
    }
    
    // Must only be called on the looper thread or the finalizer.
    // 释放资源
    private void dispose() {
        if (mPtr != 0) {
            nativeDestroy(mPtr);
            mPtr = 0;
        }
    }
    
    // 当前线程 Idle 状态时，相关方法和接口
    public boolean isIdle() {
        synchronized (this) {
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            return mMessages == null || now < mMessages.when;
        }
    }
    public void addIdleHandler(@NonNull IdleHandler handler) {
        if (handler == null) {
            throw new NullPointerException("Can't add a null IdleHandler");
        }
        synchronized (this) {
            mIdleHandlers.add(handler);
        }
    }
    public void removeIdleHandler(@NonNull IdleHandler handler) {
        synchronized (this) {
            mIdleHandlers.remove(handler);
        }
    }
    public static interface IdleHandler {
        boolean queueIdle();
    }
    
    // 当前线程是否在轮询获取下条消息
    public boolean isPolling() {
        synchronized (this) {
            return isPollingLocked();
        }
    }
    private boolean isPollingLocked() {
        // If the loop is quitting then it must not be idling.
        // We can assume mPtr != 0 when mQuitting is false.
        return !mQuitting && nativeIsPolling(mPtr);
    }
    
    // 判断是否存在指定条件的消息
    boolean hasMessages(Handler h, int what, Object object) {
        if (h == null) {
            return false;
        }

        synchronized (this) {
            Message p = mMessages;
            while (p != null) {
                if (p.target == h && p.what == what && 
                    (object == null || p.obj == object)) {
                    return true;
                }
                p = p.next;
            }
            return false;
        }
    }
    boolean hasMessages(Handler h, Runnable r, Object object) {...}
    
    // 移除指定消息或整个消息队列
    void removeMessages(Handler h, int what, Object object) {
        if (h == null) {
            return;
        }

        synchronized (this) {
            Message p = mMessages;

            // Remove all messages at front.
            // 如果消息队列头结点或者头部几个节点，就是目标消息
            while (p != null && p.target == h && p.what == what
                   && (object == null || p.obj == object)) {
                Message n = p.next;
                mMessages = n;
                p.recycleUnchecked();
                p = n;
            }

            // Remove all messages after front.
            // 遍历整个队列，找到目标消息移出队列并回收
            while (p != null) {
                Message n = p.next;
                if (n != null) {
                    if (n.target == h && n.what == what
                        && (object == null || n.obj == object)) {
                        Message nn = n.next;
                        n.recycleUnchecked();
                        p.next = nn;
                        continue;
                    }
                }
                p = n;
            }
        }
    }
    void removeMessages(Handler h, Runnable r, Object object) {...}
    void removeCallbacksAndMessages(Handler h, Object object) {...}
    private void removeAllMessagesLocked() {...}
    private void removeAllFutureMessagesLocked() {...}
    
    // 消息队列退出循环
    void quit(boolean safe) {
        // 是否允许退出？主线程 Looper 是不允许退出的，工作线程可以
        if (!mQuitAllowed) {
            throw new IllegalStateException(
                "Main thread not allowed to quit.");
        }

        synchronized (this) {
            // 如果已经正在退出了返回
            if (mQuitting) {
                return;
            }
            mQuitting = true;

            // 如果是安全退出，只移除没有投递和处理的消息
            // 已经投递的等待处理完毕
            // 非安全退出，移除所有消息
            if (safe) {
                removeAllFutureMessagesLocked();
            } else {
                removeAllMessagesLocked();
            }

            //We can assume mPtr!=0 because mQuitting was previously false.
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
    
    // 设置和移除同步屏障
    // The next barrier token.
    // Barriers are indicated by messages with a null target 
    // whose arg1 field carries the token.
    private int mNextBarrierToken;
    public int postSyncBarrier() {
        return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
    }
    private int postSyncBarrier(long when) {
        // Enqueue a new sync barrier token.
        // We don't need to wake the queue 
        // because the purpose of a barrier is to stall it.
        synchronized (this) {
            final int token = mNextBarrierToken++;
            // 同步屏障消息 target 为空，arg1 保存令牌
            final Message msg = Message.obtain();
            msg.markInUse();
            msg.when = when;
            msg.arg1 = token;

            Message prev = null;
            Message p = mMessages;
            // 同步屏障消息是插入到队列头部的，优先级高
            if (when != 0) {
                while (p != null && p.when <= when) {
                    prev = p;
                    p = p.next;
                }
            }
            if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
                msg.next = p;
                prev.next = msg;
            } else {
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
            }
            return token;
        }
    }
    public void removeSyncBarrier(int token) {
        // Remove a sync barrier token from the queue.
        // If the queue is no longer stalled by a barrier then wake it.
        synchronized (this) {
            Message prev = null;
            Message p = mMessages;
            while (p != null && (p.target != null || p.arg1 != token)) {
                prev = p;
                p = p.next;
            }
            if (p == null) {
              throw new IllegalStateException(
                "The specified message queue synchronization barrier token"
                + " has not been posted or has already been removed.");
            }
            final boolean needWake;
            // 移除同步屏障
            if (prev != null) {
                prev.next = p.next;
                needWake = false;
            } else {
                mMessages = p.next;
                needWake = mMessages == null || mMessages.target != null;
            }
            // 回收同步屏障
            p.recycleUnchecked();

            // If the loop is quitting then it is already awake.
            // We can assume mPtr != 0 when mQuitting is false.
            if (needWake && !mQuitting) {
                nativeWake(mPtr);
            }
        }
    }
    
    // 消息入队  
    boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
      // 为空，表示是同步屏障；不能直接入队，需要通过 postSyncBarrie 插入队列头部
      if (msg.target == null) {
        throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
      }
      // FLAG_IN_USE，表示消息已经在消息池或者消息队列中
      if (msg.isInUse()) {
          throw new IllegalStateException(msg + 
              " This message is already in use.");
      }

      synchronized (this) {
        // 如果消息队列正在退出，直接回收当前消息并返回
        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) {
          // 消息队列为空，或者没有设置消息绝对时间
          // 或者新消息绝对时间最小：将当前消息插入到队首
          // New head, wake up the event queue if blocked.
          msg.next = p;
          mMessages = msg;
          needWake = mBlocked;
        } else {
          // 消息队列阻塞情况下，并且队首为同步屏障
          // 并且当前消息为异步消息，则唤醒队列
          needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
          Message prev;
          for (;;) {
              prev = p;
              p = p.next;
              if (p == null || when < p.when) {
                  break;
              }
              // 消息队列中还存在其他异步消息，不唤醒
              if (needWake && p.isAsynchronous()) {
                  needWake = false;
              }
          }
          // 按照消息绝对时间排序，插入到指定位置
          msg.next = p; // invariant: p == prev.next
          prev.next = msg;
        }

        // We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
        // 唤醒消息队列
        if (needWake) {
            nativeWake(mPtr);
        }
      }
      return true;
    }
    
    // 取出消息
    Message next() {
      // native 变量地址为空，直接返回
      final long ptr = mPtr;
      if (ptr == 0) {
          return null;
      }

      int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
      int nextPollTimeoutMillis = 0;
      // 无限循环等待
      for (;;) {
        // 线程阻塞前写入所有命令
        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
            Binder.flushPendingCommands();
        }

        // 阻塞等待 nextPollTimeoutMillis 时间
        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) {
              // 消息队列队首为同步屏障，挂起所有同步消息
              // 循环取出所有异步消息
              do {
                  prevMsg = msg;
                  msg = msg.next;
              } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
          }          
          if (msg != null) {
              if (now < msg.when) {
                  // 下一条消息时间还没到
                  // 设置 nextPollTimeoutMillis 为消息延迟时间
                  nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when 
                      - now, Integer.MAX_VALUE);
              } else {
                  // Got a message. 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;
                  if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
                  msg.markInUse();
                  return msg;
              }
          } else {
              // No more messages. 消息队列为空
              nextPollTimeoutMillis = -1;
          }

          // 消息队列正在退出，释放资源并返回空
          if (mQuitting) {
              dispose();
              return null;
          }
          // 没有空闲处理器 IdleHandler，初始化计数
          if (pendingIdleHandlerCount < 0
                  && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
              pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
          }
          // 还是没有空闲处理器 IdleHandler，
          // 标记消息队列阻塞，进入下一次循环
          if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
              mBlocked = true;
              continue;
          }
          // 初始化并设置 IdleHandler
          if (mPendingIdleHandlers == null) {
              mPendingIdleHandlers = 
                new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
          }
          mPendingIdleHandlers=mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
        }
        // 利用这段空闲时间，线程处理 IdleHandler 任务
        for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
          final IdleHandler idler = mPendingIdleHandlers[i];
          mPendingIdleHandlers[i] = null;

          boolean keep = false;
          try {
              keep = idler.queueIdle();
          } catch (Throwable t) {
              Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
          }

          if (!keep) {
              synchronized (this) {
                  mIdleHandlers.remove(idler);
              }
          }
        }

        // 重置空闲任务计数和阻塞超时时间
        pendingIdleHandlerCount = 0;
        nextPollTimeoutMillis = 0;
      }
    }
    
    //
    public boolean isPolling() {
        synchronized (this) {
            return isPollingLocked();
        }
    }
    private boolean isPollingLocked() {
        return !mQuitting && nativeIsPolling(mPtr);
    }
    
    // 监听文件描述符相关，本文不做介绍
    public void addOnFileDescriptorEventListener(@NonNull FileDescriptor fd,
            @OnFileDescriptorEventListener.Events int events,
            @NonNull OnFileDescriptorEventListener listener) {...}
    public void removeOnFileDescriptorEventListener(
        @NonNull FileDescriptor fd) {...}
   private void updateOnFileDescriptorEventListenerLocked(FileDescriptor fd,
        int events, OnFileDescriptorEventListener listener) {...}
    // Called from native code.处理文件描述事件回调
    private int dispatchEvents(int fd, int events) {...}
    public interface OnFileDescriptorEventListener {
        ...
        @Events int onFileDescriptorEvents(@NonNull FileDescriptor fd, 
            @Events int events);
    }
    private static final class FileDescriptorRecord {...}
    
    // native 方法
    private native static long nativeInit();
    private native static void nativeDestroy(long ptr);
     /*non-static for callbacks*/
    private native void nativePollOnce(long ptr, int timeoutMillis);
    private native static void nativeWake(long ptr);
    private native static boolean nativeIsPolling(long ptr);
    private native static void nativeSetFileDescriptorEvents(long ptr, 
        int fd, int events);
}

快速查看 MessageQueue API

重要成员变量

  • mMessages
    用于存储消息，利用 Message 链表结构实现先进先出队列，确保先进入或者时间最近的消息先被处理。
  • ArrayList mIdleHandlers
    记录消息队列中有多少个 IdleHandler 。
  • IdleHandler[] mPendingIdleHandlers
    由 mIdleHandlers 转换为对应的数组。
  • mBlocked
    当 next 方法在等待 pollOnce ，mBlocked 记录 next 是否处于阻塞状态。
  • mQuitting
    记录当前消息队列是否正在退出。
  • mNextBarrierToken
    同步屏障令牌，同步屏障 Barriers 表示一个没有指定 Handler 的 Message，它的 arg1 参数记录了这个令牌。
  • mFileDescriptorRecords
    存储被监听文件描述符的表，Handler 机制中消息发送并没有使用文件描述符监功能，暂时不做介绍。AOSP 系统源码中仅 frameworks/base/core/java/android/os/ParcelFileDescriptor.java 用到了。

初始化

Handler 机制中，MessageQueue 的实例化是在 Looper 的构造方法中实现的，赋值两个成员变量：

  • mQuitAllowed
    是否运行消息队列退出。主线程的消息队列是不允许退出的，工作线程可以。
  • mPtr
    执行 nativeInit 方法，并将 native 层的 NativeMessageQueue 类对象地址赋值给 Java 层的成员变量 mPtr 。通过这种方式将 Java 层的对象与 native 层的对象关联在了一起。这种在 Java 层保存 native 层对象引用地址来实现关联的方式，在 Android 源代码中能经常看到。

同步屏障

同步屏障 SyncBarrier 是一个特殊的消息 Message ，有两个重要特点：

  • Handler target 为空
  • arg1 记录同步屏障令牌
    同步屏障消息的 what 为空，也就是不能通过 what 来标记消息了，而通过 arg1 记录同步令牌来做为消息标记。令牌非常重要，移除同步屏障时需要指定具体的令牌。

如果设置了同步屏障，消息队列所有的同步消息都会被暂停，next() 只会取出异步消息处理，直到移除同步屏障。如果没有正确移除同步屏障，整个消息队列将会挂起，同时也不再循环取出同步消息执行。

  • 设置同步屏障
    postSyncBarrier() 设置同步屏障时，将它加入到消息队列，并将同步屏障消息设为头结点。也就是同步屏障是插入到队列的头部的，优先级很高，消息通过 enqueueMessage 加入队列都是插入队尾的。设置同步屏障并不会唤醒队列。
  • 移除同步屏障
    removeSyncBarrier(int token) 根据令牌移除同步屏障，遍历消息队列。如果同步屏障位于头结点，且下一条消息为同步消息，表示队列没有被被挂起，唤醒队列。移除同步屏障后，消息队列恢复正常，循环取出消息。

同步屏障相关方法都是 @hide 的，也就是说只会在 Android Framework 内部使用，客户端 App 并不能应用这些功能。并且同步屏障和异步消息在 Android Framework 中使用的也很少，比如搜索到的应用如下： 

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xmt@server005:~/android$ grep -irsn postSyncBarrier frameworks/
frameworks/base/cmds/hid/src/com/android/commands/hid/Device.java:143:        
mBarrierToken = getLooper().myQueue().postSyncBarrie ();

frameworks/base/core/java/android/view/ViewRootImpl.java:1225:

public void dispatchInputEvent(InputEvent event, 
    InputEventReceiver receiver) {
    SomeArgs args = SomeArgs.obtain();
    args.arg1 = event;
    args.arg2 = receiver;
    Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DISPATCH_INPUT_EVENT, args);
    // 设置为异步消息
    msg.setAsynchronous(true);
    mHandler.sendMessage(msg);
}

void scheduleTraversals() {
  if (!mTraversalScheduled) {
    mTraversalScheduled = true;
    // 设置同步屏障
    mTraversalBarrier=mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
    mChoreographer.postCallback(
            Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
    if (!mUnbufferedInputDispatch) {
        scheduleConsumeBatchedInput();
    }
    notifyRendererOfFramePending();
    pokeDrawLockIfNeeded();
  }
}

Android 系统的屏幕点击事件，就是一个异步消息；View 请求启动绘制生命周期 ViewRootImpl.scheduleTraversals 会设置同步屏障，优先处理异步消息。

消息入队 enqueueMessage

后台线程完成耗时操作后，通过对象 Handler.post***/send*** 发送消息，最终会进入到 MessageQueue.enqueueMessage ，而 enqueueMessage 仅仅是将消息按照 when 顺序插入到消息队列中。后台线程不会被阻塞，执行完毕可以退出。

0023-handler-messagequeue-equeuemessage.png

  • 入队顺序 Message.when
    按照消息的绝对时间 Message.when 排序，插入到队列中，如果时间相同就按照入队先后顺序。确保消息投递的绝对时间 when 越小，越早出队。
  • 唤醒队列 needWake
    如果消息队列处于阻塞状态 mBlocked=true 时，插入消息时才需要唤醒队列。但是当消息队列队首为同步屏障，并且新消息本身为异步消息，同时当消息队列中还存在其他异步消息时，此时不会唤醒，具体看上面的流程图。消息插入消息队列，正常情况下不会唤醒，除了图中的几个特殊情况。
  • 消息队列正在退出 mQuitting
    如果消息队列调用了 quit() 方法，表示消息队列正在退出；当消息队列正在退出时，直接回收当前准备入队的消息，并返回 false ，入队失败。

消息队列存储顺序

消息队列中，首先按照 msg.when 排序，结合同步屏障，异步消息，后期补一个图。

消息出队 next

主线程的 Looper.loop() 会无限循环，不停的调用 MessageQueue.next() 获取下一条消息，交给 Handler 处理。而 next 通过 nativePollOnce 方法实现线程的阻塞，阻塞时间为消息的延迟时间。当时间到了后，唤醒主线程取出这个消息；即后台线程发布的消息，回到主线程来处理。

0023-handler-messagequeue-next.png

  • 阻塞时间 nextPollTimeoutMillis
    表示阻塞时间，通常为消息的延迟时间。如果为 0 ，表示不阻塞，直接返回；如果为 -1 ，表示一直阻塞。当消息队列中没有消息时，nextPollTimeoutMillis=-1 使得 next 会一直阻塞，直到有消息进来，更新这个值。
  • 阻塞状态 mBlocked
    next 中的 for 循环取到消息后，next 返回这个消息并退出，消息队列阻塞状态为 false ；for 循环没有取到消息，如果存在 IdleHandler 时，利用这段时间处理空闲任务；否则设置消息队列为阻塞状态 true；重新进入循环继续阻塞等待取消息。
  • 消息出队顺序
    同步消息都是按照 msg.when 即插入顺序先进先出的；当消息队列队首为同步屏障时，挂起队列中所有同步消息，循环取出队列中所有的异步消息，直到移除同步屏障。
  • 消息队列正在退出 mQuitting
    如果消息队列调用了 quit() 方法，表示消息队列正在退出；当消息队列正在退出时，调用 dispose() 方法，销毁 native 环境，跳出 Looper.loop 循环，退出整个机制。
  • 空闲线程 IdleHandler
    当消息队列为空，或者消息投递时间没到时；如果添加了空闲线程处理器 IdleHandler ，此时会利用线程空闲时间执行这些任务。

消息轮询状态

isPolling/isPollingLocked 方法主要是否返回当前线程轮询状态，即当前线程是否处于 epoll_wait 阻塞等待中，该方法在 Android Framework 中使用的也很少： 

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frameworks/base/services/core/java/com/android/server/Watchdog.java:121: 
if (mMonitors.size() == 0 && mHandler.getLooper().getQueue().isPolling()) {...}

MessageQueue.mBlocked 也是记录的阻塞状态，和 isPolling/isPollingLocked 功能差不多，只是没有 isPolling/isPollingLocked 方法返回的状态更精细、更准确。

删除消息

  • 删除指定消息
    符合指定消息的可能并不止一个，所以需要遍历整个队列，找到这些符合条件的消息。删除时分两种情况：如果指定消息是头结点，或者头部几个节点都是指定消息，删除指定消息后，重新指定头结点；如果头结点或者新的头结点不是指定消息，依次遍历整个队列，找到目标消息移出队列并回收。
  • 删除所有消息
    从头结点开始遍历队列，移出队列中所有消息并删除。
  • 删除延迟消息
    从头结点开始遍历队列，对比当前时间和 Message.when ，找出延迟消息，删除掉这些还没来得及投递处理的消息。

消息队列退出

MessageQueue.quit() 方法中有如下几个判断：

  • 是否运行退出 mQuitAllowed
    主线程的 Looper 循环是不允许退出的，这在主线程初始化时，构造 MessageQueue 决定的；工作线程可以退出。
  • 是否正在退出 mQuitting
    因为是多线程环境，所以使用了 synchronized 关键字来确保并发正确。
  • 是否安全移除 safe
    是否安全移除，主要区别在于移除哪些消息。如果不安全退出，直接移除队列中所有消息；如果安全退出，对比当前时间和 Message.when ，只移除延迟消息。

MessageQueue.quit() 方法主要是移除消息队列中对应的消息，并设置了 mQuitting=true ；调用 nativeWake() 方法唤醒 next() 方法，如果是安全退出，则取出剩余的消息并返回给 Handler 处理；next 方法中如果取不到消息，当 mQuitting=true 时，释放资源并退出整个 Looper.loop() 循环机制。

IdleHandler 接口

一个回调接口，在消息队列阻塞等待前，当前线程可以利用这段时间做别的事情。

  • MessageQueue.addIdleHandler()
    添加回调接口。
  • MessageQueue.removeIdleHandler()
    移除回调接口。
  • 示例
    比如 ActivityThread 中，利用这个空闲时间，添加了 GcIdle 回收内存和 Idler 释放 AMS 相关资源。 
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    // 1.内存回收
    Looper.myQueue().addIdleHandler(mGcIdler);
    final class GcIdler implements MessageQueue.IdleHandler {
        @Override
        public final boolean queueIdle() {
            doGcIfNeeded();
            return false;
        }
    }
    void doGcIfNeeded() {
        mGcIdlerScheduled = false;
        final long now = SystemClock.uptimeMillis();
        //Slog.i(TAG, "**** WE MIGHT WANT TO GC: then=" + 
        //       Binder.getLastGcTime() + "m now=" + now);
        if ((BinderInternal.getLastGcTime()+MIN_TIME_BETWEEN_GCS) < now) {
            //Slog.i(TAG, "**** WE DO, WE DO WANT TO GC!");
            BinderInternal.forceGc("bg");
        }
    }
    // 2. AMS 释放相关资源，调用 activityIdle
    Looper.myQueue().addIdleHandler(new Idler());
    private class Idler implements MessageQueue.IdleHandler {
      @Override
      public final boolean queueIdle() {
        ActivityClientRecord a = mNewActivities;
        ...
        if (a != null) {
          mNewActivities = null;
          IActivityManager am = ActivityManagerNative.getDefault();
          ActivityClientRecord prev;
          do {
              ...
              if (a.activity != null && !a.activity.mFinished) {
                try {
                  am.activityIdle(a.token, a.createdConfig, stopProfiling);
                  a.createdConfig = null;
                } catch (RemoteException ex) {
                  throw ex.rethrowFromSystemServer();
                }
              }
              prev = a;
              a = a.nextIdle;
              prev.nextIdle = null;
          } while (a != null);
        }
        ...
      }
    }

native 方法

简要描述几个 native 方法的作用：

  • private native static long nativeInit(); ：初始化 native 对象，绑定 Looper 和线程等
  • private native static void nativeDestroy(long ptr); 销毁 native 对象
  • private native void nativePollOnce(long ptr, int timeoutMillis);
    唯一的非静态方法，也就是说这个方法是属于对象的；当前线程阻塞最多等待 timeoutMillis 时间（类似 Object.wait(timeout)），这段时间内可能会被 nativeWake 唤醒。
  • private native static void nativeWake(long ptr); 唤醒 nativePollOnce 函数
  • private native static boolean nativeIsPolling(long ptr); 查询 nativePollOnce 是否正处于阻塞状态
  • private native static void nativeSetFileDescriptorEvents(long ptr, int fd, int events); 添加文件描述符监听事件

Native JNI 层

Native JNI 层起到一个连接的作用，Handler 机制中使用的 epoll 等功能都是在系统层实现的，JNI 对这些功能调用做一个封装，相当于外观模式中的外观类。注意：Android Framework 中还有一个 ALooper 类，也是实现的消息机制，它主要是用于多媒体相关，代码路径 frameworks/av/media/ ，和本文介绍的消息机制没有任何关系。
如下根据 MessageQueue 中的 6 个 native 方法逐一展开分析，具体对应的 JNI 类为 Android_os_MessageQueue.cpp ：

环境初始化 nativeInit

nativeInit 函数主要是初始化所有 native 需要使用的类对象，变量等，主要就是 Looper.cpp 相关资源的初始化；函数的返回值是一个 nativeMessageQueue 对象，它是对 Looper.cpp 相关功能的一个封装。 

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static jlong android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz) {
    // NativeMessageQueue 对象实例化
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = new NativeMessageQueue();
    if (!nativeMessageQueue) {
        jniThrowRuntimeException(env, "Unable to allocate native queue");
        return 0;
    }

    // 增加引用计数
    nativeMessageQueue->incStrong(env);
    return reinterpret_cast<jlong>(nativeMessageQueue);
}

NativeMessageQueue::NativeMessageQueue() :
        mPollEnv(NULL), mPollObj(NULL), mExceptionObj(NULL) {
    // Looper 对象初始化，及线程绑定和相关环境初始化
    mLooper = Looper::getForThread();
    if (mLooper == NULL) {
        mLooper = new Looper(false);
        // TLS 保存当前线程的 Looper 对象
        Looper::setForThread(mLooper);
    }
}

class NativeMessageQueue : public MessageQueue, public LooperCallback {
public:
    NativeMessageQueue();
    virtual ~NativeMessageQueue();

    virtual void raiseException(JNIEnv* env, 
        const char* msg, jthrowable exceptionObj);

    void pollOnce(JNIEnv* env, jobject obj, int timeoutMillis);
    void wake();
    void setFileDescriptorEvents(int fd, int events);
    virtual int handleEvent(int fd, int events, void* data);

private:
    JNIEnv* mPollEnv;
    jobject mPollObj;
    jthrowable mExceptionObj;
};

销毁 nativeDestroy

native 中的几个关键对象，都使用了智能指针管理，所以销毁时减少引用计数，如果引用不存在自动销毁。 

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static void android_os_MessageQueue_nativeDestroy(JNIEnv* env, 
        jclass clazz, jlong ptr) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = 
        reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    // 减少引用计数
    nativeMessageQueue->decStrong(env);
}

// 析构函数是空的
NativeMessageQueue::~NativeMessageQueue() {
}

轮询 nativePollOnce

唯一的非静态方法，也就是说这个方法是属于对象的，因为每个对象可以处理自己的回调。Handler 机制的核心，nativePollOnce 调用了 epoll 中的 epoll_wait 方法，当前线程阻塞等待：文件描述符事件（本文主要是唤醒事件）更新或者超时。阻塞等待时当前线程会释放 CPU 资源进入休眠状态，直到被唤醒，这个功能是 Linux epoll 机制实现。 

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static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env,jobject obj,
        jlong ptr, jint timeoutMillis) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = 
        reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    nativeMessageQueue->pollOnce(env, obj, timeoutMillis);
}

// 方法非常简单，调用 Looper.pollOnce
// pollObj 是当前对象，所以该方法不能为是静态的
// Looper.pollOnce 会回调 pollObj 对象的 dispatchEvents 方法
void NativeMessageQueue::pollOnce(JNIEnv* env, jobject pollObj, 
        int timeoutMillis) {
    mPollEnv = env;
    mPollObj = pollObj;
    mLooper->pollOnce(timeoutMillis);
    mPollObj = NULL;
    mPollEnv = NULL;

    if (mExceptionObj) {
        env->Throw(mExceptionObj);
        env->DeleteLocalRef(mExceptionObj);
        mExceptionObj = NULL;
    }
}

// Looper::pollInner 中会掉用 handleEvent ，这个方法是处理
// 监听的文件描述符事件更新，这里是对 java 方法的回调
int NativeMessageQueue::handleEvent(int fd,int looperEvents,void* data){
    ...
    int newWatchedEvents = mPollEnv->CallIntMethod(mPollObj,
            gMessageQueueClassInfo.dispatchEvents, fd, events);
    if (!newWatchedEvents) {
        return 0; // unregister the fd
    }
    if (newWatchedEvents != oldWatchedEvents) {
        setFileDescriptorEvents(fd, newWatchedEvents);
    }
    return 1;
}
static struct {
    jfieldID mPtr;   // native object attached to the DVM MessageQueue
    jmethodID dispatchEvents;
} gMessageQueueClassInfo;
// dispatchEvents 对应的 Java 中 MessageQueue.dispatchEvents
gMessageQueueClassInfo.dispatchEvents = GetMethodIDOrDie(env, clazz,
    "dispatchEvents", "(II)I");

pollOnce 方法非常简单，需要获取当前对象，所以该方法不能为是静态的。调用了 Looper.pollOnce 方法，它会回调 pollObj 对象的 dispatchEvents 方法。而 Handler 收发消息机制中，并不会使用到文件描述符事件的回调，只需简单了解。

唤醒 nativeWake

Looper.cpp 中，唤醒事件是单独的文件描述符在监听，具体为 eventfd ，用于线程间通信。实际上 nativeWake 函数仅仅是向 eventfd 中写入一个值，将 epoll_wait 函数唤醒。 

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static void android_os_MessageQueue_nativeWake(JNIEnv* env, 
    jclass clazz, jlong ptr) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = 
        reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    nativeMessageQueue->wake();
}

void NativeMessageQueue::wake() {
    mLooper->wake();
}

是否正在轮询等待 nativeIsPolling

nativeIsPolling 函数返回的是 Looper.cpp 中 epoll_wait 是否处于阻塞等待状态；这个方法在 Android Framework 使用的也很少。 

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static jboolean android_os_MessageQueue_nativeIsPolling(JNIEnv* env, 
    jclass clazz, jlong ptr) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = 
        reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    return nativeMessageQueue->getLooper()->isPolling();
}

监听文件描述符 nativeSetFileDescriptorEvents

nativeSetFileDescriptorEvents 函数通过 Looper.cpp::addFd ，向 epoll_wait 中添加文件描述符监听事件，对应的回调 dispatchEvents 在 pollOnce 中分析过。 

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static void android_os_MessageQueue_nativeSetFileDescriptorEvents(
        JNIEnv* env, jclass clazz, jlong ptr, jint fd, jint events) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = 
        reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    nativeMessageQueue->setFileDescriptorEvents(fd, events);
}
void NativeMessageQueue::setFileDescriptorEvents(int fd, int events){
    if (events) {
        int looperEvents = 0;
        if (events & CALLBACK_EVENT_INPUT) {
            looperEvents |= Looper::EVENT_INPUT;
        }
        if (events & CALLBACK_EVENT_OUTPUT) {
            looperEvents |= Looper::EVENT_OUTPUT;
        }
        mLooper->addFd(fd, Looper::POLL_CALLBACK, looperEvents, this,
                reinterpret_cast<void*>(events));
    } else {
        mLooper->removeFd(fd);
    }
}

系统层实现

系统层 Looper.cpp 都是在 Linux 中编程实现，包括下面介绍的线程相关方法、eventfd 文件描述符、epoll 机制。Looper.cpp 实现了完整的 native 消息收发机制，使用 MessageEnvelope 存储消息；Request 存储文件描述符的监听；这些都是提供给 native 层使用，不过 Android Framework 使用的并不是特别多。
本文介绍的 Java 层 Handler 消息通信机制中，收发消息过程，只会有唤醒 POLL_WAKE 和超时 POLL_TIMEOUT 两种返回事件。最开始看源码时总是将 Java 消息和 native 的消息一一对应，或者相互关联；但实际上它们是两个完全不同的东西，只是共用了 eventfd, epoll 消息处理机制，本文不做 native 消息的介绍，这两个概念不要混淆了。

线程相关方法

TLS: Thread Local Storage 线程本地存储，和 Java ThreadLocal 功能一样，保存线程私有数据。使用同一个变量，不同线程存储和拿到的结果能够被隔离，相当于提供了一个同名而不同值的全局变量（这个全局变量相对于拥有这个变量的线程来说）。

  • pthread_key_t gTLSKey
    gTLSKey 共享变量。
  • pthread_key_create
    pthread_key_create(& gTLSKey, threadDestructor); ，绑定 gTLSKey 变量，该变量所有线程都可以访问，但各个线程可以根据自己的需要往 gTLSKey 中填入不同的值。threadDestructor 是销毁函数，线程退出时会调用该销毁函数。
  • pthread_setspecific
    pthread_setspecific(gTLSKey, looper.get()); ，当前线程向 gTLSKey 中写入数据。
  • pthread_getspecific
    (Looper*)pthread_getspecific(gTLSKey); ，从 gTLSKey 中取出当前线程存储的值。
  • pthread_once 仅执行一次
    函数声明： int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_routine) (void))；
    函数功能：变量 once_control 的值设为 PTHREAD_ONCE_INIT 时，本函数保证 init_routine() 函数在进程执行序列中仅执行一次。

根据上面的简单介绍，Looper.cpp 中关于 TLS 线程本地存储的几个函数源码如下： 

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// once_control 变量，即确保函数只执行一次
static pthread_once_t gTLSOnce = PTHREAD_ONCE_INIT;
static pthread_key_t gTLSKey = 0;

sp<Looper> Looper::getForThread() {
    // 确保多线程中 initTLSKey 方法只执行一次
    int result = pthread_once(& gTLSOnce, initTLSKey);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "pthread_once failed");

    // 从 gTLSKey 取出当前线程存储的数据
    return (Looper*)pthread_getspecific(gTLSKey);
}

void Looper::initTLSKey() {
    // 创建并绑定 gTLSKey
    int result = pthread_key_create(& gTLSKey, threadDestructor);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not allocate TLS key.");
}

// 销毁函数
void Looper::threadDestructor(void *st) {
    Looper* const self = static_cast<Looper*>(st);
    if (self != NULL) {
        self->decStrong((void*)threadDestructor);
    }
}

void Looper::setForThread(const sp<Looper>& looper) {
    // also has side-effect of initializing TLS
    sp<Looper> old = getForThread();

    if (looper != NULL) {
        looper->incStrong((void*)threadDestructor);
    }

    // 当前线程向 gTLSKey 写入数据
    pthread_setspecific(gTLSKey, looper.get());

    if (old != NULL) {
        old->decStrong((void*)threadDestructor);
    }
}

eventfd 文件描述符

eventfd 是一个用来通知事件的文件描述符，用来实现进程/线程间的等待/通知 wait/notify 机制以及数据交互，通过内核取唤醒用户态的事件。
只有一个系统调用接口：int eventfd(unsigned int initval, int flags);，返回一个新建的 eventfd 对象，该对象是一个内核维护的无符号的 64 位整型计数器，初始化值为 initval ；flags 有几个可选项：

  • EFD_NONBLOCK ：设置对象为非阻塞状态，read 读取 eventfd 时不会阻塞
  • EFD_CLOEXEC ：表示执行时关闭；设置此标志后，在执行 exec 时才关闭 eventfd 描述符，否则该描述符一直打开

eventfd 是一个文件描述符，所以直接通过 read/write/close 来读写关闭。常见示例为进程/线程 A 向 eventfd 中写入数据，进程/线程 B 从 eventfd 中读取数据。Looper.cpp 中源码分析： 

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Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) :
       mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks), mSendingMessage(false),
       mPolling(false), mEpollFd(-1), mEpollRebuildRequired(false),
       mNextRequestSeq(0), mResponseIndex(0), mNextMessageUptime(LLONG_MAX){
    // 构造方法中创建 mWakeEventFd 对象  
    mWakeEventFd = eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mWakeEventFd < 0,"Could not make wake event fd: %s",
                        strerror(errno));

    AutoMutex _l(mLock);
    rebuildEpollLocked();
}

Looper::~Looper() {
    // 析构方法中，关闭 mWakeEventFd 句柄
    close(mWakeEventFd);
    // 析构方法中，关闭 epoll 句柄
    if (mEpollFd >= 0) {
        close(mEpollFd);
    }
}

void Looper::wake() {
    ...
    uint64_t inc = 1;
    // 唤醒函数中，实际是向 mWakeEventFd 中写数据
    ssize_t nWrite = TEMP_FAILURE_RETRY(write(mWakeEventFd, 
        &inc, sizeof(uint64_t)));
    if (nWrite != sizeof(uint64_t)) {
        if (errno != EAGAIN) {
            ALOGW("Could not write wake signal: %s", strerror(errno));
        }
    }
}

void Looper::awoken() {
    ...
    uint64_t counter;
    // 将 mWakeEventFd 中的数据都读出来
    TEMP_FAILURE_RETRY(read(mWakeEventFd, &counter, sizeof(uint64_t)));
}

epoll 机制

I/O 多路复用就通过一种机制，可以监视多个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪（通常是读或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。select, poll, epoll 都是 IO 多路复用的机制，本质上它们都是同步 I/O，都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写。
epoll 是 select 和 poll 的增强版本；相对于 select, poll 来说，epoll 更加灵活，没有描述符限制。epoll 使用一个文件描述符可以监听多个其他多个描述符，将用户关系文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的 copy 只需一次。
epoll 只有三个系统调用：

  • epoll_create
    函数声明：int epoll_create(int size); ，创建一个 epoll 的句柄。
    参数 size 用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。需要注意的是当创建好 epoll 句柄后，它就是会占用一个 fd 值，使用完后通过 close(mEpollFd); 来关闭。
  • epoll_ctl
    函数声明：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); ，事件注册函数，告诉内核要监听什么类型的事件以及哪些文件描述符。
    参数 epfd 是 epoll_create 创建的句柄；fd 是被监听文件描述符；op 表示动作，用三个宏来表示：
    EPOLL_CTL_ADD：注册新的 fd 到 epfd 中；
    EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的 fd 的监听事件；
    EPOLL_CTL_DEL：从 epfd 中删除一个 fd；
    参数 event 告诉内核需要监听什么事，可以是以下几个宏的集合：
    EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读；
    EPOLLOUT ：表示对应的文件描述符可以写；
    EPOLLPRI ：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
    EPOLLERR ：表示对应的文件描述符发生错误；
    EPOLLHUP ：表示对应的文件描述符被挂断；
    EPOLLET ： 将 EPOLL 设为边缘触发 Edge Triggered 模式，这是相对于水平触发 Level Triggered 来说的，关于 ET/LT 主要是效率的区别，不做展开；
    EPOLLONESHOT ：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听的话，需要再次加入到队列里；
  • epoll_wait
    函数声明：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout); ，阻塞等待事件的产生。
    参数 events 用来从内核得到事件的集合；maxevents 告诉内核这个 events 有多大，不能大于创建 epoll_create() 时的 size ；参数 timeout 是超时时间（单位为毫秒，0 会不会阻塞立即返回，-1不确定或永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回 0 表示已超时。

Looper.cpp 中 epoll 除了监听唤醒文件描述符 eventfd，还可以同时监听 MessageQueue 设置的文件描述符，通过 addFd 添加。部分源码解析： 

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void Looper::rebuildEpollLocked() {
    // Close old epoll instance if we have one.
    if (mEpollFd >= 0) {
        ...
        close(mEpollFd);
    }

    // Allocate the new epoll instance and register the wake pipe.
    // 创建 epoll 句柄
    mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mEpollFd < 0, "Could not create epoll instance: %s"
                , strerror(errno));

    struct epoll_event eventItem;
    // zero out unused members of data field union
    memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event));
    // epoll 事件为 mWakeEventFd 可读事件
    eventItem.events = EPOLLIN;
    eventItem.data.fd = mWakeEventFd;
    // 注册监听事件，唤醒文件描述符 mWakeEventFd
    int result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, 
        mWakeEventFd, & eventItem);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not add wake 
        event fd to epoll instance: %s", strerror(errno));
    // 其他文件描述符
    ...
}

int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, 
        int* outEvents, void** outData) {
    int result = 0;
    for (;;) {
        // 其他文件描述符
        ...

        // mWakeEventFd 唤醒事件
        if (result != 0) {
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
            ALOGD("%p ~ pollOnce - returning result %d", this, result);
#endif
            if (outFd != NULL) *outFd = 0;
            if (outEvents != NULL) *outEvents = 0;
            if (outData != NULL) *outData = NULL;
            return result;
        }

        result = pollInner(timeoutMillis);
    }
}

int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {
    // native 消息，timeoutMillis 调整
    ...

    // Poll.
    int result = POLL_WAKE;
    ...
    // We are about to idle.
    mPolling = true;

    struct epoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS];
    // epoll 阻塞等待事件的产生： mWakeEventFd 以及其他文件描述符
    // 或者 timeoutMillis 超时
    int eventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems, 
            EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);

    // 事件产生，唤醒继续执行
    // No longer idling.
    mPolling = false;

    // Acquire lock.
    mLock.lock();

    // 保护代码，状态检查
    ...

    // 如果 epoll 是因为超时唤醒，更新 result
    // Check for poll timeout.
    if (eventCount == 0) {
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
        ALOGD("%p ~ pollOnce - timeout", this);
#endif
        result = POLL_TIMEOUT;
        goto Done;
    }

    ...
    // 不是超时，检查是哪些文件描述符唤醒的
    for (int i = 0; i < eventCount; i++) {
        int fd = eventItems[i].data.fd;
        uint32_t epollEvents = eventItems[i].events;
        
        if (fd == mWakeEventFd) {
            // mWakeEventFd 唤醒事件
            if (epollEvents & EPOLLIN) {
                // 交给 eventfd 处理
                awoken();
            } else {
                ...
            }
        } else {
            // 其他文件描述符的唤醒
            ...
        }
    }
    
Done: ;

    // native message 的处理
    ...

    // Release lock.
    mLock.unlock();

    // Invoke all response callbacks.
    // 处理 addFd 添加的文件描述符
    ...
    {
        // 回调文件描述符监听事件 handleEvent
        int callbackResult = response.request.callback->handleEvent
                (fd, events, data);
        if (callbackResult == 0) {
            removeFd(fd, response.request.seq);
        }
    }
    return result;
}

// 返回 epoll_wait 是否处于阻塞等待
bool Looper::isPolling() const {
    return mPolling;
}

从代码中可以看到，Handler 机制只监听了 mWakeEventFd 的可读事件，以及超时事件；mPolling 记录了 epoll_wait 是否处于阻塞等待，在 MessageQueue.isPolling 中查看该变量的值。

小结

Looper.cpp 中通过 eventfd 实现线程间通信；通过 epoll 实现监听 eventfd 文件描述符的读写事件，以及 Message 的超时事件。

消息收发流程图

Handler 机制大致流程：

  • Looper.prepare 准备环境，初始化所有相关对象
  • Looper.loop 进入无限循环，阻塞等待获取下一条消息 MessageQueue.next
  • 创建 Handler 子类，初始化
  • 创建 Message ，存储相关信息
  • Handler.sendMessage 发送消息，加入到消息队列 MessageQueue.enqueueMessage
  • Looper 从 MessageQueue 中取出 Message 后，指派给 Handler.handleMessage 处理，处理完后回收 Message.recycleUnchecked
  • Looper.quit 退出机制

0023-handler-sequence-diag.png

HandlerThread 创建与销毁

在 Android 开发中经常会使用到线程，一想到线程，很多同学就立即使用 new Thread(){...}.start(); 这样的方式。这样如果在一个 Activity 中多次调用上面的代码，那么将创建多个匿名线程，程序运行的越久可能会越来越慢。因此，需要一个 Handler 来启动一个线程，以及删除一个线程，保证线程不会重复的创建。
使用 HandlerThread 和 Handler 配合实现异步后台任务。特点：

  • 由 2 个 Handler 和 1 个 HandlerThread 来实现
  • 后台线程串行执行

源码分析

HandlerThread 是参考 Looper 标准用法实现的工作线程，

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public class HandlerThread extends Thread {
    Looper mLooper;

    ...
    
    /**
     * Call back method that can be explicitly overridden 
     * if needed to execute some setup before Looper loops.
     */
    protected void onLooperPrepared() {
    }

    @Override
    public void run() {
        mTid = Process.myTid();
        Looper.prepare();
        synchronized (this) {
            mLooper = Looper.myLooper();
            notifyAll();
        }
        Process.setThreadPriority(mPriority);
        onLooperPrepared();
        Looper.loop();
        mTid = -1;
    }
    
    public Looper getLooper() {
        if (!isAlive()) {
            return null;
        }
        
        // If the thread has been started, 
        // wait until the looper has been created.
        synchronized (this) {
            while (isAlive() && mLooper == null) {
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
        }
        return mLooper;
    }
    ...
}

HandlerThread 的创建

代码示例：

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// UI线程的Handler
Handler mHandler = new Handler(){
    @Override
    public void handleMessage(Message msg) {
        super.handleMessage(msg);
        // 处理UI更新
};

HandlerThread mBackThread = new HandlerThread("mybackthread");
mBackThread.start();
// 后台线程的Handler
Handler mBackHandler = new Handler(mBackThread.getLooper());
mBackHandler.post(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 后台线程执行耗时操作，异步
        ...
        // mHandler发消息，回到主线程更新UI
        mHandler.sendMessage(msg);
    }
});

注意：mBackHandler 的初始化必须在 mBackThread.start(); 之后，否则拿不到这个线程的 looper。源码中可以看到，getLooper 会一直等待；而 Looper 是在 run 中创建的，并且通知等待线程。
这种模式通过 mBackHandler.post(new Runnable() {}) 来实现后台异步任务执行，所有后台任务都是通过 HandlerThread 这个线程执行的，但是 HandlerThread 是串行执行任务的，也就是每次 post 后进入队列排队执行。

HandlerThread的退出

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@Override
protected void onDestroy() {
    super.onDestroy();
    if(mBackThread != null){
        mBackThread.quitSafely();
        try {
            mBackThread.join();
            mBackThread = null;
            mBackHandler = null;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在 Activity.onDestroy 退出时，等待 mBackThread 线程销毁完成再退出！

其他线程间通信机制

  • LocalBroadcastManager 本质还是 Handler 机制
  • EventBus
    查看了 EventBus 源码，UI 主线程间通信还是采用了 Handler 机制：public class HandlerPoster extends Handler implements Poster {...} ；后台线程间通信，采用的是 Java 标准的 notify/wait 机制。

后续

Messenger 信差

Messenger 用于进程间异步通信，其中通过 AIDL 来实现的进程间通信的；通过 Handler.sendMessage 来实现异步通信。详细参考Messenger 详解 。

OnFileDescriptorEventListener 监听文件描述符

MessageQueue.java 中提供了完整的文件描述符监听功能，包括 Android_os_MessageQueue.cpp, Looper.cpp 中也实现了对应的功能，本文暂不做描述。

Native Loop 机制

Java 层的 Handler 机制，在系统层的 Looper.cpp 文件中重新全部实现了一遍，供 Native 代码使用。本文仅仅介绍了其中的唤醒和轮询两个功能。而 Looper.cpp 中还包含添加文件描述符监听，收发 native 的消息。可以参考：Android Native层Looper详解 ，Android Native Looper机制 - 监听文件描述符 。

总结

  • Handler 通过 Linux 系统调用的意义
    本文介绍的 Handler 消息收发机制，完全可以使用 Object.wait/notify 来简单实现；但是源码为什么还使用了 Linux epoll 来实现呢？这是因为 Framework 除了提供等待和唤醒方法，还提供了其他文件描述符监听机制等，epoll 机制更强大更高效。
  • 应用程序的主线程处于无限循环状态
    应用主线程 ActivityThread 进入 Looper.loop() 后不允许退出，直到应用退出；也就是说主线程是无限循环的，通过 epoll 机制阻塞等待时释放 CPU 资源，直到超时或事件触发才唤醒主线程。而我们经常遇到的 Activity 的 ANR 限制是针对 Activity 等组件的，实际上并不是主线程。
  • Handler 机制中的线程切换
    Handler 机制通常有两个线程：主线程和后台工作线程。主线程 loop 无限循环阻塞等待；后台工作线程完成耗时任务，发送完消息后就可以退出了；此时阻塞等待的主线程收到 epoll 机制的唤醒，拿到这个消息直接处理。因为消息 Message 是共享变量，所以整个 Handler 机制使用了很多同步锁 synchronized ，所以两个线程之间仅仅只是等待/通知交互。Looper.cpp 底层 epoll 机制并没有涉及数据交互，仅仅是线程间的通知什么时候能够取出消息，相当于 Java notify/wait 机制。而 epoll 还支持监听文件描述符涉及到数据交互，但是不属于本文介绍范围。
  • Handler 机制的退出
    主线程是无法退出的，会一直循环等待，除非退出应用程序；其他线程的退出通过调用 Looper.quit 来退出，退出时会移除消息队列的所有消息，并设置 mQuitting 使得 MessageQueue.next 返回 null ，Looper.loop 退出循环。
  • 消息队列的唤醒
    消息队列 MessageQueue 有三个地方会唤醒：退出 quit 必须唤醒；移除同步屏障 removeSyncBarrier 和消息入队 enqueueMessage 满足条件时才唤醒。通过 nativeWake 触发唤醒。

参考文档