Android消息机制分析
Android的消息机制主要是指Handler的运行机制以及Handler所附带的MessageQueue和Looper的工作过程。这三者实际上是一个整体，只不过 我们在开发过程中比较多地接触到Handler而已。Handler的主要作用是将一个任务切换到某个指定的线程中去执行，那么Android为什么要提供这个功能呢？ 或者说Android为什么需要提供在某个具体的线程中执行任务这种功能呢？这是因为Android规定访问UI只能在主线程中进行，如果在子线程中访问UI，那么程序就会抛出异常。ViewRootImpl对UI操作做了验证，这个验证工作是由ViewRootImpl的checkThread方法来完成的。
Message
现在我们来思考一个问题既然是消息机制，那么肯定是需要发送消息的，那么消息的这个类是啥，答案是Message。Message的部分结构
public final class Message implements Parcelable {
//Message的唯一标识
public int what;
//Message携带的数据
public Object obj;
//Meesage要执行的时间戳
public long when;
//下一个节点,因为Message是存储在MessageQuene之中的，而MessageQuene实际上是一个链表
public Message next;
//用于将 Runnable 包装为 Message
public Runnable callback;
//指向 Message 的发送者，同时也是 Message 的最终处理者
public Handler target;
}
MessageQueue
上面说了Message需要存储在MessageQueue之中，而MessageQueue实际上是一个链表是一个链表，那么MessageQueue是需要提供什么功能？插入消息和取消息。这里展示MessageQueue的部分代码
public final class MessageQueue {
//入队操作
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
if (msg.target == null) {
throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
}
//这里存在多线程通信，需要保证线程同步
synchronized (this) {
if (msg.isInUse()) {
throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
}
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;//mMessages是链表的头节点
boolean needWake;//用于标记是否需要唤醒 next 方法,因为next是一个回阻塞的方法，如果在next()阻塞的时候，插入了一条时间戳更短的消息，那么就需要优先执行这个消息，这个时候就需要唤醒休眠的线程了。
//如果没有消息，那么新消息就是链表的头节点。或者处于队头的消息的时间戳比 msg 要大，或者这个消息的时间戳为0，则将 msg 作为链表头部。
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;
//从链表头向链表尾遍历，寻找链表中第一条时间戳比 msg 大的消息，将 msg 插到该消息的前面,messageQuene中的消息都是按照时间戳的大小排序的
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) {
//唤醒next()方法
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
//next() 方法是一个无限循环的方法，如果消息队列中没有消息，则该方法会一直阻塞，当有新消息来的时候 next() 方法会返回这条消息并将其从单链表中删除
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;
//外部可能会随时向MessageQueue发送Message，所以MessageQueue需要开启一个无限循环，反复取值，然后做处理
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
//将 next 方法的调用线程休眠指定时间
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) {
// 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) {
//如果当前时间还未到达消息的的处理时间，也就是是一个延迟消息，那么就计算还需要等待的时间，就是这个消息要到nextPollTimeoutMillis之后才能处理
// 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 {
//可以处理队头的消息了，第二条消息成为队头
// 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;
}
}
}
MessageQueue里面的关键的两个函数就是上面，我这里面把所有的代码都列出来了，没有中文注释的地方可以暂时忽略，后面讲到的时候会重新提的。
Handler
上面提到外部可能会随时向MessageQueue发送Message，那么这个外部就是我们的Handler了。那么Handler主要就是发送消息了，和能够做线程切换了。主要包括以下功能：
- 希望除了可以发送 Message 类型的消息外还可以发送 Runnable 类型的消息。这个简单，Handler 内部将 Runnable 包装为 Message 即可
- 希望可以发送延时消息，以此来执行延时任务。这个也简单，用 Message 内部的 when 字段来标识希望任务执行时的时间戳即可
- 希望可以实现线程切换，即从子线程发送的 Message 可以在主线程被执行，反过来也一样。这个也不难，子线程可以向一个特定的 mainMessageQueue 发送消息，然后让主线程负责循环从该队列中取消息并执行即可，这样不就实现了线程切换了吗？
所以说，Message 的定义和发送是由 Handler 来完成的，但 Message 的分发则可以交由其他线程来完成
Handler 至少需要包含几个方法：用于发送 Message 和 Runnable 的方法、用来处理消息的
handleMessage
方法、用于分发消息的
dispatchMessage
方法
public class Handler {
//handler的消息队列，一个handler对应一个MessageQueue
private MessageQueue mQueue;
public Handler(MessageQueue mQueue) {
this.mQueue = mQueue;
}
//Post一个Runnable对象
public final void post(Runnable r) {
sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}
//Post一个Runnable对象
public final void postDelayed(Runnable r, long delayMillis) {
sendMessageDelayed(getPostMessage(r), delayMillis);
}
//发送一个Message消息
public final void sendMessage(Message r) {
sendMessageDelayed(r, 0);
}
public final void sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis) {
if (delayMillis < 0) {
delayMillis = 0;
}
sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}
public void sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {
msg.target = this;
mQueue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
private static Message getPostMessage(Runnable r) {
Message m = new Message();
m.callback = r;
return m;
}
//由外部来重写该方法，以此来消费 Message
public void handleMessage(Message msg) {
}
//用于分发消息
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
msg.callback.run();
} else {
handleMessage(msg);
}
}
}
那怎么做线程切换呢？上面Message中有一个target变量，是指向Handler的，如果我们把这个Message发送到主线程的MessageQueue里面，主线程从这个MessageQueue里面取出Message后，再调用Handler的dispatchMessage，这样是不是就可以实现线程切换了呢？
那么现在问题来了，如何让Handler拿到和主线程相关的MessageQueue呢。这时候就需要Looper了。
Looper
Looper应该有什么功能呢？
-
每个 Looper 对象应该都是对应一个独有的 MessageQueue 实例和 Thread 实例，这样子线程和主线程才可以互相发送 Message 交由对方线程处理
-
Looper 内部需要开启一个无限循环，其关联的线程就负责从 MessageQueue 循环获取 Message 进行处理
-
因为主线程较为特殊，所以和主线程关联的 Looper 对象要能够被子线程直接获取到，可以考虑将其作为静态变量存着
这样，Looper 的大体框架就出来了。通过 ThreadLocal 来为不同的线程单独维护一个 Looper 实例， ，再通过
myLooper()
方法来获取和当前线程关联的 Looper 对象，和主线程关联的
sMainLooper
作为静态变量存在，方便子线程获取
public final class Looper {
//通过 ThreadLocal 来为不同的线程单独维护一个 Looper 实例
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
@UnsupportedAppUsage
private static Looper sMainLooper; // guarded by Looper.class
private static Observer sObserver;
@UnsupportedAppUsage
final MessageQueue mQueue;
final Thread mThread;
//每个线程通过prepare()方法来初始化本线程独有的 Looper 实例
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");
}
//每一个线程有自己独有的Looper
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
//在ActivityThread中调用了，初始化sMainLooper
@Deprecated
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
sMainLooper = myLooper();
}
}
public static Looper getMainLooper() {
synchronized (Looper.class) {
return sMainLooper;
}
}
//因为 next() 方法是一个阻塞操作，所以当没有消息也会导致 loop() 方法一只阻塞着，而当 MessageQueue 一中有了新的消息，Looper 就会及时地处理这条消息并调用 Message.target.dispatchMessage(Message) 方法将消息传回给 Handler 进行处理
public static void loop() {
final Looper me = myLooper();
if (me == null) {
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
if (me.mInLoop) {
Slog.w(TAG, "Loop again would have the queued messages be executed"
+ " before this one completed.");
}
me.mInLoop = true;
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();
// Allow overriding a threshold with a system prop. e.g.
// adb shell 'setprop log.looper.1000.main.slow 1 && stop && start'
final int thresholdOverride =
SystemProperties.getInt("log.looper."
+ Process.myUid() + "."
+ Thread.currentThread().getName()
+ ".slow", 0);
boolean slowDeliveryDetected = false;
for (;;) {
Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
// This must be in a local variable, in case a UI event sets the logger
final Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
// Make sure the observer won't change while processing a transaction.
final Observer observer = sObserver;
final long traceTag = me.mTraceTag;
long slowDispatchThresholdMs = me.mSlowDispatchThresholdMs;
long slowDeliveryThresholdMs = me.mSlowDeliveryThresholdMs;
if (thresholdOverride > 0) {
slowDispatchThresholdMs = thresholdOverride;
slowDeliveryThresholdMs = thresholdOverride;
}
final boolean logSlowDelivery = (slowDeliveryThresholdMs > 0) && (msg.when > 0);
final boolean logSlowDispatch = (slowDispatchThresholdMs > 0);
final boolean needStartTime = logSlowDelivery || logSlowDispatch;
final boolean needEndTime = logSlowDispatch;
if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
}
final long dispatchStart = needStartTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
final long dispatchEnd;
Object token = null;
if (observer != null) {
token = observer.messageDispatchStarting();
}
long origWorkSource = ThreadLocalWorkSource.setUid(msg.workSourceUid);
try {
msg.target.dispatchMessage(msg);
if (observer != null) {
observer.messageDispatched(token, msg);
}
dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
} catch (Exception exception) {
if (observer != null) {
observer.dispatchingThrewException(token, msg, exception);
}
throw exception;
} finally {
ThreadLocalWorkSource.restore(origWorkSource);
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
if (logSlowDelivery) {
if (slowDeliveryDetected) {
if ((dispatchStart - msg.when) <= 10) {
Slog.w(TAG, "Drained");
slowDeliveryDetected = false;
}
} else {
if (showSlowLog(slowDeliveryThresholdMs, msg.when, dispatchStart, "delivery",
msg)) {
// Once we write a slow delivery log, suppress until the queue drains.
slowDeliveryDetected = true;
}
}
}
if (logSlowDispatch) {
showSlowLog(slowDispatchThresholdMs, dispatchStart, dispatchEnd, "dispatch", 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();
}
}
}
Message：用来表示要发送的消息，执行的任务
Handler：子线程持有的 Handler 如果绑定到的是主线程的 MessageQueue 的话，那么子线程发送的 Message 就可以由主线程来消费，以此来实现线程切换，执行 UI 更新操作等目的
MessageQueue：即消息队列，通过 Handler 发送的消息并非都是立即执行的，需要先按照 Message 的优先级高低（延时时间的长短）保存到 MessageQueue 中，之后再来依次执行
Looper：Looper 用于从 MessageQueue 中循环获取 Message 并将之传递给消息处理者（即消息发送者 Handler 本身）来进行消费，每条 Message 都有个 target 变量用来指向 Handler，以此把 Message 和其处理者关联起来。不同线程之间通过互相拿到对方的 Looper 对象，以此来实现跨线程发送消息。
Handler处理消息的线程是其Looper创建的线程
，比如你在子线程创建Handler，但是用的是主线程的Looper，那么最终handlerMessage运行的线程就是再主线程。
以上就是Android消息机制的源码分析了。
消息机制的拓展
同步屏障
上面讲解了android的消息机制，下面就讲解一些拓展的只是，这些知识是我们开发中使用比较少的知识点，但是对于我们来说，对理解android的运行和原理还是有一定的帮助的。讲解同步屏障之前，我们先思考一个问题，Android的中是怎么处理屏幕刷新的消息的。如果主线程有任务，但是这个时候又有屏幕刷新的信号到来，那么应该怎么处理？我们知道屏幕刷新时android中最重要的事情，所以他是怎么做到让前面的任务不处理，优先处理刷新的任务的？答案时通过同步屏障去操作的。
那么什么时同步屏障？
Handler发送的消息分为普通消息、屏障消息、异步消息，一旦Looper在处理消息时遇到屏障消息，那么就不再处理普通的消息，而仅仅处理异步的消息。这就是同步屏障。那android绘制流程时怎么个流程呢？
调用requestLayout()方法之后，并不会马上开始进行绘制任务，而是会给主线程设置一个同步屏幕，并设置Vsync信号监听。当Vsync信号的到来，会发送一个异步消息到主线程Handler，执行我们上一步设置的绘制监听任务，并移除同步屏障。
同步屏障的代码主要是在MessageQueue中的next()中，我们可以去看一下
Message next() {
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;
//找到消息，并且target为null，说明这个消息是一个同步屏障，那么就接着找到第一个异步消息。
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());//msg.isAsynchronous()判断这个消息是不是异步消息，如果是异步消息那么直接处理这个异步消息，如果是同步消息，那么就继续找下一个异步消息，直到找到队列中的第一个异步消息
}
//下面的代码也说明了，如果这个发生了同步屏障，且这个异步任务还没到时间执行，那么就会一直等待到这个异步任务执行时间，才取出这个异步任务出来执行
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;
}
}
IdleHandler
IdleHandler 是 MessageQueue 的一个内部接口，可以用于在 Loop 线程处于空闲状态的时候执行一些优先级不高的操作，通过 MessageQueue 的
addIdleHandler
方法来提交要执行的操作
public static interface IdleHandler {
boolean queueIdle();
}
private final ArrayList<IdleHandler> mIdleHandlers = new ArrayList<IdleHandler>();
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);
}
}
MessageQueue 在执行
next()
方法时，如果发现当前队列是空的或者队头消息需要延迟处理的话，那么就会去尝试遍历
mIdleHandlers
来依次执行 IdleHandler
Message next() {
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
//...省略代码
//如果队头消息 mMessages 为 null 或者 mMessages 需要延迟处理
//那么就来执行 IdleHandler
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 {
//执行 IdleHandler
//如果返回 false 的话说明之后不再需要执行，那就将其移除
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;
}
}
IdleHandler在优化app启动速度的时候可以尝试去用一下。
以上就是关于Android消息机制的分析。当然Handler有很多，比如HandlerThread,IntentService之类的，这里就不展开讲了。
参考:
一文读懂 Handler 机制
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