Android消息机制1-Handler(Java层)

一、概述

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)。关于Binder在Binder系列中详细讲解过，有兴趣看看。

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】
    }
}

接下来，围绕着这个实例展开详细分析。

二、Looper

2.1 prepare()

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

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<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>()

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】
    if (me == null) {
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
    }
    final MessageQueue queue = me.mQueue;  //获取Looper对象中的消息队列

    Binder.clearCallingIdentity();
    //确保在权限检查时基于本地进程，而不是基于最初调用进程。
    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;
        }
        
        Printer logging = me.mLogging;  //默认为null，可通过setMessageLogging()方法来指定输出，用于debug功能
        if (logging != null) {
            logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
                    msg.callback + ": " + msg.what);
        }
        msg.target.dispatchMessage(msg); //用于分发Message 【见3.2】
        if (logging != null) {
            logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
        }

        final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity(); //确保分发过程中identity不会损坏
        if (ident != newIdent) {
             //打印identity改变的log，在分发消息过程中是不希望身份被改变的。
        }
        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

myLooper()

用于获取TLS存储的Looper对象

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

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;
}

三、Handler

3.1 new Handler()

(1)无参构造方法

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<? 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());
        }
    }
    //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。

(2) 带参数Looper的构造方法

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 dispatchMessage

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存在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 sendMessage

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();

(1) sendEmptyMessage

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

(2) sendEmptyMessageDelayed

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

(3) sendMessageDelayed

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

(4) sendMessageAtTime

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

(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。

(6) 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】
}

Handler.sendEmptyMessage()方法，最终调用MessageQueue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis)，其中uptimeMillis为系统当前的运行时间，不包括休眠时间。

3.4 常用方法

post

发送消息

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;
}

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。

removeMessages

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

Handler类似于辅助类，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。

四、MessageQueue

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 new 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;
            if (msg != null && msg.target == null) {
                //当消息Handler为空时，查询MessageQueue中的下一条异步消息msg，则退出循环。
                do {
                    prevMsg = msg;
                    msg = msg.next;
                } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
            }
            if (msg != null) {
                if (now < msg.when) {
                    //当异步消息触发时间大于当前时间，则设置下一次轮询的超时时长
                    nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                } else {
                    // 获取一条消息，并返回
                    mBlocked = false;
                    if (prevMsg != null) {
                        prevMsg.next = msg.next;
                    } else {
                        mMessages = msg.next;
                    }
                    msg.next = null;
                    //设置消息的使用状态，即flags |= FLAG_IN_USE
                    msg.markInUse(); 
                    return msg;   //成功地获取MessageQueue中的下一条即将要执行的消息
                }
            } else {
                //没有消息
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }
            //消息正在退出，返回null
            if (mQuitting) {
                dispose();
                return null;
            }
            //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(ptr, nextPollTimeoutMillis)是一个native方法，并且是阻塞操作。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。空闲后，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。

五、 Message

5.1 创建消息

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()。

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;

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；

总结

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：