Android消息机制1-Handler(Java层)

阅读原文时间：2023年07月10日阅读：1

在整个Android的源码世界里，有两大利剑，其一是Binder IPC机制，，另一个便是消息机制(由Handler/Looper/MessageQueue等构成的)。

Android有大量的消息驱动方式来进行交互，比如Android的四剑客Activity, Service, Broadcast, ContentProvider的启动过程的交互，都离不开消息机制，Android某种意义上也可以说成是一个以消息驱动的系统。消息机制涉及MessageQueue/Message/Looper/Handler这4个类。

1.1 模型

消息机制主要包含：

Message：消息分为硬件产生的消息(如按钮、触摸)和软件生成的消息；
MessageQueue：消息队列的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)，按分发机制将消息分发给目标处理者。

1.2 架构图

Looper有一个MessageQueue消息队列；
MessageQueue有一组待处理的Message；
Message中有一个用于处理消息的Handler；
Handler中有Looper和MessageQueue。

1.3 典型实例

先展示一个典型的关于Handler/Looper的线程

class LooperThread extends Thread {
public Handler mHandler;

public void run() {  
    Looper.prepare();   //【见 2.1】

    mHandler = new Handler() {  //【见 3.1】  
        public void handleMessage(Message msg) {  
            //TODO 定义消息处理逻辑. 【见 3.2】  
        }  
    };

    Looper.loop();  //【见 2.2】  
}

}

2.1 prepare()

对于无参的情况，默认调用prepare(true)，表示的是这个Looper允许退出，而对于false的情况则表示当前Looper不允许退出。

private static void prepare(boolean quitAllowed) {
//每个线程只允许执行一次该方法，第二次执行时线程的TLS已有数据，则会抛出异常。
if (sThreadLocal.get() != null) {
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
//创建Looper对象，并保存到当前线程的TLS区域
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}

这里的sThreadLocal是ThreadLocal类型，下面，先说说ThreadLocal。

ThreadLocal：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。TLS常用的操作方法：

ThreadLocal.set(T value)：将value存储到当前线程的TLS区域，源码如下：

public void set(T value) {
Thread currentThread = Thread.currentThread(); //获取当前线程
Values values = values(currentThread); //查找当前线程的本地储存区
if (values == null) {
//当线程本地存储区，尚未存储该线程相关信息时，则创建Values对象
values = initializeValues(currentThread);
}
//保存数据value到当前线程this
values.put(this, value);
}　　

ThreadLocal.get()：获取当前线程TLS区域的数据，源码如下：

public T get() {
Thread currentThread = Thread.currentThread(); //获取当前线程
Values values = values(currentThread); //查找当前线程的本地储存区
if (values != null) {
Object[] table = values.table;
int index = hash & values.mask;
if (this.reference == table[index]) {
return (T) table[index + 1]; //返回当前线程储存区中的数据
}
} else {
//创建Values对象
values = initializeValues(currentThread);
}
return (T) values.getAfterMiss(this); //从目标线程存储区没有查询是则返回null
}　

ThreadLocal的get()和set()方法操作的类型都是泛型，接着回到前面提到的sThreadLocal变量，其定义如下：

static final ThreadLocal sThreadLocal = new ThreadLocal()　

可见sThreadLocal的get()和set()操作的类型都是Looper类型。

Looper.prepare()

Looper.prepare()在每个线程只允许执行一次，该方法会创建Looper对象，Looper的构造方法中会创建一个MessageQueue对象，再将Looper对象保存到当前线程TLS。

对于Looper类型的构造方法如下：

private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed); //创建MessageQueue对象. 【见4.1】
mThread = Thread.currentThread(); //记录当前线程.
}

另外，与prepare()相近功能的，还有一个prepareMainLooper()方法，该方法主要在ActivityThread类中使用。

public static void prepareMainLooper() {
prepare(false); //设置不允许退出的Looper
synchronized (Looper.class) {
//将当前的Looper保存为主Looper，每个线程只允许执行一次。
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
sMainLooper = myLooper();
}
}　

2.2 loop()

public static void loop() {
final Looper me = myLooper(); //获取TLS存储的Looper对象【见2.4】
final MessageQueue queue = me.mQueue; //获取Looper对象中的消息队列

Binder.clearCallingIdentity();  
//确保在权限检查时基于本地进程，而不是调用进程。  
final long ident = Binder.clearCallingIdentity();

for (;;) { //进入loop的主循环方法  
    Message msg = queue.next(); //可能会阻塞 【见4.2】  
    if (msg == null) { //没有消息，则退出循环  
        return;  
    }

    //默认为null，可通过setMessageLogging()方法来指定输出，用于debug功能  
    Printer logging = me.mLogging;  
    if (logging != null) {  
        logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +  
                msg.callback + ": " + msg.what);  
    }  
    msg.target.dispatchMessage(msg); //用于分发Message 【见3.2】  
    if (logging != null) {  
        logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);  
    }

    //恢复调用者信息  
    final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity();  
    msg.recycleUnchecked();  //将Message放入消息池 【见5.2】  
}

}

loop()进入循环模式，不断重复下面的操作，直到没有消息时退出循环

读取MessageQueue的下一条Message；
把Message分发给相应的target；
再把分发后的Message回收到消息池，以便重复利用。

这是这个消息处理的核心部分。另外，上面代码中可以看到有logging方法，这是用于debug的，默认情况下logging == null，通过设置setMessageLogging()用来开启debug工作。

2.3 quit()

public void quit() {
mQueue.quit(false); //消息移除
}
public void quitSafely() {
mQueue.quit(true); //安全地消息移除
}

Looper.quit()方法的实现最终调用的是MessageQueue.quit()方法

MessageQueue.quit()

void quit(boolean safe) {
// 当mQuitAllowed为false，表示不运行退出，强行调用quit()会抛出异常
if (!mQuitAllowed) {
throw new IllegalStateException("Main thread not allowed to quit.");
}
synchronized (this) {
if (mQuitting) { //防止多次执行退出操作
return;
}
mQuitting = true;
if (safe) {
removeAllFutureMessagesLocked(); //移除尚未触发的所有消息
} else {
removeAllMessagesLocked(); //移除所有的消息
}
//mQuitting=false，那么认定为 mPtr != 0
nativeWake(mPtr);
}
}　

消息退出的方式：

当safe =true时，只移除尚未触发的所有消息，对于正在触发的消息并不移除；
当safe =flase时，移除所有的消息

2.4 常用方法

2.4.1 myLooper

用于获取TLS存储的Looper对象

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

2.4.2 post

发送消息，并设置消息的callback，用于处理消息。

public final boolean post(Runnable r) {
return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}
private static Message getPostMessage(Runnable r) {
Message m = Message.obtain();
m.callback = r;
return m;
}

3.1 创建Handler

3.1.1 无参构造

public Handler() {
this(null, false);
}
public Handler(Callback callback, boolean async) {
//匿名类、内部类或本地类都必须申明为static，否则会警告可能出现内存泄露
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());
}
}
//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【见2.1】
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。

3.1.2 有参构造

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;
}

Handler类在构造方法中，可指定Looper，Callback回调方法以及消息的处理方式(同步或异步)，对于无参的handler，默认是当前线程的Looper。

3.2 消息分发机制

在Looper.loop()中，当发现有消息时，调用消息的目标handler，执行dispatchMessage()方法来分发消息。

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);
}
}

分发消息流程：

当Message的回调方法不为空时，则回调方法msg.callback.run()，其中callBack数据类型为Runnable,否则进入步骤2；
当Handler的mCallback成员变量不为空时，则回调方法mCallback.handleMessage(msg),否则进入步骤3；
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。

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。

3.3 消息发送

发送消息调用链：

从上图，可以发现所有的发消息方式，最终都是调用MessageQueue.enqueueMessage();

3.3.1 sendEmptyMessage

public final boolean sendEmptyMessage(int what) {
return sendEmptyMessageDelayed(what, 0);
}

3.3.2 sendEmptyMessageDelayed

public final boolean sendEmptyMessageDelayed(int what, long delayMillis) {
Message msg = Message.obtain();
msg.what = what;
return sendMessageDelayed(msg, delayMillis);
}

3.3.3 sendMessageDelayed

public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis) {
if (delayMillis < 0) {
delayMillis = 0;
}
return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}

3.3.4 sendMessageAtTime

public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {
MessageQueue queue = mQueue;
if (queue == null) {
return false;
}
return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);
}

3.3.5 sendMessageAtFrontOfQueue

public final boolean sendMessageAtFrontOfQueue(Message msg) {
MessageQueue queue = mQueue;
if (queue == null) {
return false;
}
return enqueueMessage(queue, msg, 0);
}

该方法通过设置消息的触发时间为0，从而使Message加入到消息队列的队头。

3.3.6 post

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

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

3.3.7 postAtFrontOfQueue

public final boolean postAtFrontOfQueue(Runnable r) {
return sendMessageAtFrontOfQueue(getPostMessage(r));
}

3.3.8 enqueueMessage

private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
msg.target = this;
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis); 【见4.3】
}

小节

Handler.sendEmptyMessage()等系列方法最终调用MessageQueue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis)，将消息添加到消息队列中，其中uptimeMillis为系统当前的运行时间，不包括休眠时间。

3.4 Handler其他方法

3.4.1 obtainMessage

获取消息

public final Message obtainMessage() {
return Message.obtain(this); 【见5.2】
}

Handler.obtainMessage()方法，最终调用Message.obtainMessage(this)，其中this为当前的Handler对象。

3.4.2 removeMessages

public final void removeMessages(int what) {
mQueue.removeMessages(this, what, null); 【见 4.5】
}

Handler是消息机制中非常重要的辅助类，更多的实现都是MessageQueue, Message中的方法，Handler的目的是为了更加方便的使用消息机制。

MessageQueue是消息机制的Java层和C++层的连接纽带，大部分核心方法都交给native层来处理，其中MessageQueue类中涉及的native方法如下：

private native static long nativeInit();
private native static void nativeDestroy(long ptr);
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);

关于这些native方法的介绍，见Android消息机制2-Handler(native篇)。

4.1 创建MessageQueue

MessageQueue(boolean quitAllowed) {
mQuitAllowed = quitAllowed;
//通过native方法初始化消息队列，其中mPtr是供native代码使用
mPtr = nativeInit();
}

4.2 next()

提取下一条message

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;
//当消息的Handler为空时，则查询异步消息
if (msg != null && msg.target == null) {
//当查询到异步消息，则立刻退出循环
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;
}
//当消息队列为空，或者是消息队列的第一个消息时
if (pendingIdleHandlerCount < 0 && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
}
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
//没有idle handlers 需要运行，则循环并等待。
mBlocked = true;
continue;
}
if (mPendingIdleHandlers == null) {
mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
}
mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
}
//只有第一次循环时，会运行idle handlers，执行完成后，重置pendingIdleHandlerCount为0.
for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
final IdleHandler idler = mPendingIdleHandlers[i];
mPendingIdleHandlers[i] = null; //去掉handler的引用
boolean keep = false;
try {
keep = idler.queueIdle(); //idle时执行的方法
} catch (Throwable t) {
Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
}
if (!keep) {
synchronized (this) {
mIdleHandlers.remove(idler);
}
}
}
//重置idle handler个数为0，以保证不会再次重复运行
pendingIdleHandlerCount = 0;
//当调用一个空闲handler时，一个新message能够被分发，因此无需等待可以直接查询pending message.
nextPollTimeoutMillis = 0;
}
}

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。

当处于空闲时，往往会执行IdleHandler中的方法。当nativePollOnce()返回后，next()从mMessages中提取一个消息。

nativePollOnce()在native做了大量的工作，想进一步了解可查看 Android消息机制2-Handler(native篇)。

4.3 enqueueMessage

添加一条消息到消息队列

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
// 每一个普通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; //当阻塞时需要唤醒
} 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;
}
//消息没有退出，我们认为此时mPtr != 0
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。

4.4 removeMessages

void removeMessages(Handler h, int what, Object object) {
if (h == null) {
return;
}
synchronized (this) {
Message p = mMessages;
//从消息队列的头部开始，移除所有符合条件的消息
while (p != null && p.target == h && p.what == what
&& (object == null || p.obj == object)) {
Message n = p.next;
mMessages = n;
p.recycleUnchecked();
p = n;
}
//移除剩余的符合要求的消息
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;
}
}
}

这个移除消息的方法，采用了两个while循环，第一个循环是从队头开始，移除符合条件的消息，第二个循环是从头部移除完连续的满足条件的消息之后，再从队列后面继续查询是否有满足条件的消息需要被移除。

4.5 postSyncBarrier

public int postSyncBarrier() {
return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
}

private int postSyncBarrier(long when) {
synchronized (this) {
final int token = mNextBarrierToken++;
final Message msg = Message.obtain();
msg.markInUse();
msg.when = when;
msg.arg1 = token;

    Message prev = null;  
    Message p = mMessages;  
    if (when != 0) {  
        while (p != null && p.when <= when) {  
            prev = p;  
            p = p.next;  
        }  
    }  
    if (prev != null) {  
        msg.next = p;  
        prev.next = msg;  
    } else {  
        msg.next = p;  
        mMessages = msg;  
    }  
    return token;  
}

}

前面小节[4.3]已说明每一个普通Message必须有一个target，对于特殊的message是没有target，即同步barrier token。这个消息的价值就是用于拦截同步消息，所以并不会唤醒Looper.

public void removeSyncBarrier(int token) {
synchronized (this) {
Message prev = null;
Message p = mMessages;
//从消息队列找到 target为空,并且token相等的Message
while (p != null && (p.target != null || p.arg1 != token)) {
prev = p;
p = p.next;
}
final boolean needWake;
if (prev != null) {
prev.next = p.next;
needWake = false;
} else {
mMessages = p.next;
needWake = mMessages == null || mMessages.target != null;
}
p.recycleUnchecked();

     if (needWake && !mQuitting) {  
         nativeWake(mPtr);  
     }  
 }

}

postSyncBarrier只对同步消息产生影响，对于异步消息没有任何差别。

5.1 消息对象

每个消息用Message表示，Message主要包含以下内容：

数据类型

成员变量

解释

int

what

消息类别

long

when

消息触发时间

int

arg1

参数1

int

arg2

参数2

Object

obj

消息内容

Handler

target

消息响应方

Runnable

callback

回调方法

创建消息的过程，就是填充消息的上述内容的一项或多项。

5.2 消息池

在代码中，可能经常看到recycle()方法，咋一看，可能是在做虚拟机的gc()相关的工作，其实不然，这是用于把消息加入到消息池的作用。这样的好处是，当消息池不为空时，可以直接从消息池中获取Message对象，而不是直接创建，提高效率。

静态变量sPool的数据类型为Message，通过next成员变量，维护一个消息池；静态变量MAX_POOL_SIZE代表消息池的可用大小；消息池的默认大小为50。

消息池常用的操作方法是obtain()和recycle()。

5.2.1 obtain

从消息池中获取消息

public static Message obtain() {
synchronized (sPoolSync) {
if (sPool != null) {
Message m = sPool;
sPool = m.next;
m.next = null; //从sPool中取出一个Message对象，并消息链表断开
m.flags = 0; // 清除in-use flag
sPoolSize--; //消息池的可用大小进行减1操作
return m;
}
}
return new Message(); // 当消息池为空时，直接创建Message对象
}

obtain()，从消息池取Message，都是把消息池表头的Message取走，再把表头指向next;

5.2.2 recycle

把不再使用的消息加入消息池

public void recycle() {
if (isInUse()) { //判断消息是否正在使用
if (gCheckRecycle) { //Android 5.0以后的版本默认为true,之前的版本默认为false.
throw new IllegalStateException("This message cannot be recycled because it is still in use.");
}
return;
}
recycleUnchecked();
}

//对于不再使用的消息，加入到消息池
void recycleUnchecked() {
//将消息标示位置为IN_USE，并清空消息所有的参数。
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) { //当消息池没有满时，将Message对象加入消息池
next = sPool;
sPool = this;
sPoolSize++; //消息池的可用大小进行加1操作
}
}
}

recycle()，将Message加入到消息池的过程，都是把Message加到链表的表头；

最后用一张图，来表示整个消息机制

图解：

Handler通过sendMessage()发送Message到MessageQueue队列；
Looper通过loop()，不断提取出达到触发条件的Message，并将Message交给target来处理；
经过dispatchMessage()后，交回给Handler的handleMessage()来进行相应地处理。
将Message加入MessageQueue时，处往管道写入字符，可以会唤醒loop线程；如果MessageQueue中没有Message，并处于Idle状态，则会执行IdelHandler接口中的方法，往往用于做一些清理性地工作。

消息分发的优先级：