[Android] android的消息队列机制

ε祈祈猫儿з 提交于 2020-03-02 12:30:19

android下的线程,Looper线程,MessageQueue,Handler,Message等之间的关系,以及Message的send/post及Message dispatch的过程。

Looper线程

我 们知道,线程是进程中某个单一顺序的控制流,它是内核做CPU调度的单位。那何为Looper线程呢?所谓Looper线程,即是借助于Looper和 MessageQueue来管理控制流的一类线程。在android系统中,application的主线程即是借助于Looper和 MessageQueue来管理控制流的。其实,不仅仅只有主线程可以用Looper和MessageQueue来管理控制流,其他的线程也一样可以。我 们可以先看一下android source code的注释中给出的一种Looper线程的实现方式:

package com.example.messagequeuedemo;

import android.os.Handler;
import android.os.Looper;
import android.util.Log;

public class LooperThread extends Thread {
    public static final String TAG = MainActivity.TAG;
    private static final String CompTAG = "<span></span>LooperThread<span></span>";

    public Handler mHandler;

    @Override
    public void run() {
        Log.d(TAG, CompTAG + ": LooperThread=>run");
        Looper.prepare();

        mHandler = new Handler() {
            public void handleMessage(android.os.Message msg) {
                Log.d(TAG, CompTAG + ": LooperThread=>Handler=>handleMessage");
                // process incoming message here
            }
        };

        Looper.loop();
    }
}

可以看到,就是在线程的run()方法中,调用Looper.prepare() 做一些初始化,然后创建一个Handler对象,最后执行Looper.loop()即开始了整个的事件循环。就是这么的简单,一个可以使用消息队列来管 理线程执行流程的Looper 线程就创建好了。

接着我们来看一下,神秘的Looper.prepare()到底都干了些什么事情:

 // sThreadLocal.get() will return null unless you've called prepare().
 static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();

/** Initialize the current thread as a looper.
  * This gives you a chance to create handlers that then reference
  * this looper, before actually starting the loop. Be sure to call
  * {@link #loop()} after calling this method, and end it by calling
  * {@link #quit()}.
  */
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));
}


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

可 以看到,它做的事情就是为当前的线程创建了一个Looper对象,并存储在一个静态的线程局部变量中。在Looper的构造函数中创建了 MessageQueue,同时Looper会引用到当前的线程,并将一个表示状态的变量mRun设置为true。对于此处的线程局部变量 sThreadLocal,可以理解为就是一个HashMap,该HashMap中存放的数据其类型为Looper,而HashMap的key则 Thread.currentThread()。

启动Looper线程就和启动普通的线程一样,比如:

public class MainActivity extends Activity {
    public static final String TAG = "MessageQueueDemo";
    private static final String CompTAG = "MainActivity";
    private LooperThread mLooperThread;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        Log.d(TAG, CompTAG + ": MainActivity=>onCreate");
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        mLooperThread = new LooperThread();
        mLooperThread.start();
    }

同样是new一个Thread对象,然后执行该对象的start()方法。

其实Looper线程有两种,一种就是我们上面看到的那种普通的Looper线 程,另外一种则是main loop线程,创建前者使用我们前面看到的Looper.prepare()方法,而要创建后者,我们则可以使用 Looper.prepareMainLooper()方法。可以看一下Looper.prepareMainLooper()的实现:

/**
 * 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();
    }
}

比较特别的地方即在于,此处调用prepare()方法传进去的参数为false,即表示这个Looper不能够被quit掉。其他倒是基本一样。整个android系统中,调用到prepareMainLooper()方法的大概有两处:

/frameworks/base/services/java/com/android/server/
H A D    SystemServer.java    94 Looper.prepareMainLooper();
/frameworks/base/core/java/android/app/
H A D    ActivityThread.java    5087 Looper.prepareMainLooper();

一处在ServerThread的run()方法中,用于为system server主线程初始化消息队列等,另外一处在ActivityThread的run()方法中,自然即是创建android app主线程的消息队列了。

通过消息与Looper线程交互

那 Looper线程的特别之处究竟在哪里呢?如前所述,这种线程有一个Looper与之关联,这种线程会使用消息队列,或者称为事件循环来管理执行的流程。 那这种特别之处又如何体现呢?其他线程可以向此类线程中丢消息进来,当然此类线程本身也可以往自己的消息队列里面丢消息,然后在事件循环中,这种事件会得 到有效的处理。那究竟要如何往Looper线程的消息队列中发送消息呢?

回忆我们前面创建Looper线程的那个code,我们不是有创建出来一个Handler嘛。没错,我们就是通过Handler来向Looper线程的MessageQueue中发送消息的。可以看一下code的写法。先是LooperThread的写法:

package com.intel.helloworld;

import android.os.Handler;
import android.os.Looper;
import android.os.Message;
import android.util.Log;

public class LooperThread extends Thread {
    private static final String TAG = MainActivity.TAG;
    private static final String CompTAG = "LooperThread";
    public Handler mHandler;

    @Override
    public void run() {
        Log.d(TAG, CompTAG + ": " + "LooperThread-->run");
        Looper.prepare();

        mHandler = new Handler() {
            @Override
            public void handleMessage(Message msg) {
                // process incoming message
                Log.d(TAG, CompTAG + ": " + "Handler-->handleMessage, msg.what = " + msg.what);
            }
        };

        Looper.loop();
    }

    public Handler getHandler() {
        return mHandler;
    }
}

然后是向Looper线程发送消息的部分的写法:

package com.intel.helloworld;

import android.os.Bundle;
import android.os.Handler;
import android.os.Message;
import android.app.Activity;
import android.util.Log;
import android.view.Menu;

public class MainActivity extends Activity {
    public static final String TAG = "LifecycleDemoApp";
    private static final String CompTAG = "MainActivity";
    
    public static final int MESSAGE_WHAT_CREATE = 1;
    public static final int MESSAGE_WHAT_START = 2;
    public static final int MESSAGE_WHAT_RESUME = 3;
    public static final int MESSAGE_WHAT_PAUSE = 4;
    public static final int MESSAGE_WHAT_STOP = 5;
    public static final int MESSAGE_WHAT_DESTROY = 6;

    LooperThread mThread;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        Log.d(TAG, CompTAG + ": " + "Activity-->onCreate");
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        mThread = new LooperThread();
        mThread.start();
    }

    @Override
    protected void onStart() {
        Log.d(TAG, CompTAG + ": " + "Activity-->onStart");
        super.onStart();

        Handler handler = mThread.mHandler;
        Message msg = Message.obtain();
        msg.what = MESSAGE_WHAT_START;
        handler.sendMessage(msg);
    }
    
    @Override
    protected void onResume() {
        Log.d(TAG, CompTAG + ": " + "Activity-->onResume");
        super.onResume();

        Handler handler = mThread.mHandler;
        Message msg = Message.obtain();
        msg.what = MESSAGE_WHAT_RESUME;
        handler.sendMessage(msg);
    }
    
    @Override
    protected void onPause() {
        Log.d(TAG, CompTAG + ": " + "Activity-->onPause");
        super.onPause();

        Handler handler = mThread.mHandler;
        Message msg = Message.obtain();
        msg.what = MESSAGE_WHAT_PAUSE;
        handler.sendMessage(msg);
    }
    
    @Override
    protected void onStop() {
        Log.d(TAG, CompTAG + ": " + "Activity-->onStop");
        super.onStop();

        Handler handler = mThread.mHandler;
        Message msg = Message.obtain();
        msg.what = MESSAGE_WHAT_STOP;
        handler.sendMessage(msg);
    }

    @Override
    protected void onDestroy() {
        Log.d(TAG, CompTAG + ": " + "Activity-->onDestroy");
        super.onDestroy();

        Handler handler = mThread.mHandler;
        Message msg = Message.obtain();
        msg.what = MESSAGE_WHAT_DESTROY;
        handler.sendMessage(msg);
    }

    @Override<span style="color:#E53333;"></span> public boolean onCreateOptionsMenu(Menu menu) {
        // Inflate the menu; this adds items to the action bar if it is present.
        getMenuInflater().inflate(R.menu.main, menu);
        return true;
    }

    @Override
    protected void onSaveInstanceState(Bundle outState) {
        Log.d(TAG, CompTAG + ": " + "Activity-->onSaveInstanceState");
        super.onSaveInstanceState(outState);
    }
}

向一个Looper线程发送消息的过程,基本上即是,调用Message.obtain()或Handler.obtainMessage()获取一个Message对象->设置Message->调用 Looper线程中创建的Handler对象来发送消息。

Handler 究竟是如何知道要向哪个MessageQueue中发送消息呢,从前面的code中,我们找不到任何将Handler与特定的MessageQueue关 联起来的代码,这究竟是怎么回事呢?这也是我们强调要使用Looper线程中创建的Handler对象来向该Looper线程中发送消息的原因。我们可以 看一下Handler对象构造的过程:

/**
 * Default constructor associates this handler with the {@link Looper} for the
 * current thread.
 *
 * If this thread does not have a looper, this handler won't be able to receive messages
 * so an exception is thrown.
 */
public Handler() {
    this(null, false);
}

/**
 * Constructor associates this handler with the {@link Looper} for the
 * current thread and takes a callback interface in which you can handle
 * messages.
 *
 * If this thread does not have a looper, this handler won't be able to receive messages
 * so an exception is thrown.
 *
 * @param callback The callback interface in which to handle messages, or null.
 */
public Handler(Callback callback) {
    this(callback, false);
}

/**
 * Use the provided {@link Looper} instead of the default one.
 *
 * @param looper The looper, must not be null.
 */
public Handler(Looper looper) {
    this(looper, null, false);
}

/**
 * Use the provided {@link Looper} instead of the default one and take a callback
 * interface in which to handle messages.
 *
 * @param looper The looper, must not be null.
 * @param callback The callback interface in which to handle messages, or null.
 */
public Handler(Looper looper, Callback callback) {
    this(looper, callback, false);
}

/**
 * Use the {@link Looper} for the current thread
 * and set whether the handler should be asynchronous.
 *
 * Handlers are synchronous by default unless this constructor is used to make
 * one that is strictly asynchronous.
 *
 * Asynchronous messages represent interrupts or events that do not require global ordering
 * with represent to synchronous messages.  Asynchronous messages are not subject to
 * the synchronization barriers introduced by {@link MessageQueue#enqueueSyncBarrier long)}.
 *
 * @param async If true, the handler calls {@link Message#setAsynchronous(boolean)} for
 * each {@link Message} that is sent to it or {@link Runnable} that is posted to it.
 *
 * @hide
 */
public Handler(boolean async) {
    this(null, async);
}

/**
 * Use the {@link Looper} for the current thread with the specified callback interface
 * and set whether the handler should be asynchronous.
 *
 * Handlers are synchronous by default unless this constructor is used to make
 * one that is strictly asynchronous.
 *
 * Asynchronous messages represent interrupts or events that do not require global ordering
 * with represent to synchronous messages.  Asynchronous messages are not subject to
 * the synchronization barriers introduced by {@link MessageQueue#enqueueSyncBarrier long)}.
 *
 * @param callback The callback interface in which to handle messages, or null.
 * @param async If true, the handler calls {@link Message#setAsynchronous(boolean)} for
 * each {@link Message} that is sent to it or {@link Runnable} that is posted to it.
 *
 * @hide
 */
public Handler(Callback callback, boolean async) {
    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;
}

可以看到,很简单,是通过Looper.myLooper()获取到当前线程的 Looper对象,并与相关的MessageQueue等关联起来的。这也是前面我们在实现Looper线程时,要在其run方法中创建一个public 的Handler的依据。当然,我们也可以在构造Handler对象时,显式地使其与特定的Looper对象关联起来。

Handler提供了两组函数用于向一个Looper线程的MessageQueue中发送消息,分别是postXXX()族和sendXXX()族。可以先看一下sendXXX()族的实现:

/**
 * Pushes a message onto the end of the message queue after all pending messages
 * before the current time. It will be received in {@link #handleMessage},
 * in the thread attached to this handler.
 *  
 * @return Returns true if the message was successfully placed in to the 
 *         message queue.  Returns false on failure, usually because the
 *         looper processing the message queue is exiting.
 */
public final boolean sendMessage(Message msg)
{
    return sendMessageDelayed(msg, 0);
}

/**
 * Sends a Message containing only the what value.
 *  
 * @return Returns true if the message was successfully placed in to the 
 *         message queue.  Returns false on failure, usually because the
 *         looper processing the message queue is exiting.
 */
public final boolean sendEmptyMessage(int what)
{
    return sendEmptyMessageDelayed(what, 0);
}

/**
 * Sends a Message containing only the what value, to be delivered
 * after the specified amount of time elapses.
 * @see #sendMessageDelayed(android.os.Message, long) 
 * 
 * @return Returns true if the message was successfully placed in to the 
 *         message queue.  Returns false on failure, usually because the
 *         looper processing the message queue is exiting.
 */
public final boolean sendEmptyMessageDelayed(int what, long delayMillis) {
    Message msg = Message.obtain();
    msg.what = what;
    return sendMessageDelayed(msg, delayMillis);
}

/**
 * Sends a Message containing only the what value, to be delivered 
 * at a specific time.
 * @see #sendMessageAtTime(android.os.Message, long)
 *  
 * @return Returns true if the message was successfully placed in to the 
 *         message queue.  Returns false on failure, usually because the
 *         looper processing the message queue is exiting.
 */

public final boolean sendEmptyMessageAtTime(int what, long uptimeMillis) {
    Message msg = Message.obtain();
    msg.what = what;
    return sendMessageAtTime(msg, uptimeMillis);
}

/**
 * Enqueue a message into the message queue after all pending messages
 * before (current time + delayMillis). You will receive it in
 * {@link #handleMessage}, in the thread attached to this handler.
 *  
 * @return Returns true if the message was successfully placed in to the 
 *         message queue.  Returns false on failure, usually because the
 *         looper processing the message queue is exiting.  Note that a
 *         result of true does not mean the message will be processed -- if
 *         the looper is quit before the delivery time of the message
 *         occurs then the message will be dropped.
 */
public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
{
    if (delayMillis < 0) {
        delayMillis = 0;
    }
    return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}

/**
 * Enqueue a message into the message queue after all pending messages
 * before the absolute time (in milliseconds) <var>uptimeMillis</var>.
 * <b>The time-base is {@link android.os.SystemClock#uptimeMillis}.</b>
 * You will receive it in {@link #handleMessage}, in the thread attached
 * to this handler.
 * 
 * @param uptimeMillis The absolute time at which the message should be
 *         delivered, using the
 *         {@link android.os.SystemClock#uptimeMillis} time-base.
 *         
 * @return Returns true if the message was successfully placed in to the 
 *         message queue.  Returns false on failure, usually because the
 *         looper processing the message queue is exiting.  Note that a
 *         result of true does not mean the message will be processed -- if
 *         the looper is quit before the delivery time of the message
 *         occurs then the message will be dropped.
 */
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);
}

/**
 * Enqueue a message at the front of the message queue, to be processed on
 * the next iteration of the message loop.  You will receive it in
 * {@link #handleMessage}, in the thread attached to this handler.
 * <b>This method is only for use in very special circumstances -- it
 * can easily starve the message queue, cause ordering problems, or have
 * other unexpected side-effects.</b>
 *  
 * @return Returns true if the message was successfully placed in to the 
 *         message queue.  Returns false on failure, usually because the
 *         looper processing the message queue is exiting.
 */
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) {
    msg.target = this;
    if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}

绕来绕去,最终都是调用MessageQueue的 enqueueMessage()方法来将一个Message放入一个MessageQueue中。值得注意的是,在 Handler.enqueueMessage()中,会将Message的target设置为this,这实际上是决定了Looper的消息循环中,在 dispatch/handle message时将会使用的Handler。即,在default情况下,处理message的那个handler也将会是发送此message的 handler。

Handler实际的职责,并不像它的名称所显示的那样,其实它不仅仅是处理message,它还负责发送Message给线程的MessageQueue。

再来看一下MessageQueue的enqueueMessage()方法的code:

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
    if (msg.isInUse()) {
        throw new AndroidRuntimeException(msg + " This message is already in use.");
    }
    if (msg.target == null) {
        throw new AndroidRuntimeException("Message must have a target.");
    }

    boolean needWake;
    synchronized (this) {
        if (mQuiting) {
            RuntimeException e = new RuntimeException(
                    msg.target + " sending message to a Handler on a dead thread");
            Log.w("MessageQueue", e.getMessage(), e);
            return false;
        }

        msg.when = when;
        Message p = mMessages;
        if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
            // New head, wake up the event queue if blocked.
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
            needWake = mBlocked;
        } else {
            // Inserted within the middle of the queue.  Usually we don't have to wake
            // up the event queue unless there is a barrier at the head of the queue
            // and the message is the earliest asynchronous message in the queue.
            needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
            Message prev;
            for (;;) {
                prev = p;
                p = p.next;
                if (p == null || when < p.when) {
                    break;
                }
                if (needWake && p.isAsynchronous()) {
                    needWake = false;
                }
            }
            msg.next = p; // invariant: p == prev.next
            prev.next = msg;
        }
    }
    if (needWake) {
        nativeWake(mPtr);
    }
    return true;
}

整个将Message放入MessageQueue的算法也还算比较清晰简洁,并 没有什么太绕的地方。此处我们可以一览MessageQueue中保存Messages的结构,即,MessageQueue用一个单向链表来保存所有的 Message,而链表中各个Message则按照其请求的执行时间先后来排列。

向Looper 线程的MessageQueue中发送消息的另外一族方法postXXX(),其实现同前面的sendXXX()族方法也大同小异啦:

/**
 * Causes the Runnable r to be added to the message queue.
 * The runnable will be run on the thread to which this handler is
 * attached.
 *
 * @param r The Runnable that will be executed.
 *
 * @return Returns true if the Runnable was successfully placed in to the
 *         message queue.  Returns false on failure, usually because the
 *         looper processing the message queue is exiting.
 */
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;
}

Post的message,其callback将是传入的Runnable对象,其他就与send的message一样了。

消息队列中消息的处理

消息队列中的消息是在Looper.loop()中被处理的:

/**
 * Run the message queue in this thread. Be sure to call
 * {@link #quit()} to end the loop.
 */
public static void loop() {
    final Looper me = myLooper();
    if (me == null) {
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
    }
    final MessageQueue queue = me.mQueue;

    // Make sure the identity of this thread is that of the local process,
    // and keep track of what that identity token actually is.
    Binder.clearCallingIdentity();
    final long ident = Binder.clearCallingIdentity();

    for (;;) {
        Message msg = queue.next(); // might block
        if (msg == null) {
            // No message indicates that the message queue is quitting.
            return;
        }

        // This must be in a local variable, in case a UI event sets the logger
        Printer logging = me.mLogging;
        if (logging != null) {
            logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
                    msg.callback + ": " + msg.what);
        }

        msg.target.dispatchMessage(msg);

        if (logging != null) {
            logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
        }

        // Make sure that during the course of dispatching the
        // identity of the thread wasn't corrupted.
        final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity();
        if (ident != newIdent) {
            Log.wtf(TAG, "Thread identity changed from 0x"
                    + Long.toHexString(ident) + " to 0x"
                    + Long.toHexString(newIdent) + " while dispatching to "
                    + msg.target.getClass().getName() + " "
                    + msg.callback + " what=" + msg.what);
       }

        msg.recycle();
    }
}

这个函数会调用Handler的dispatchMessage()方法来处理消息,其实也就是msg.target对象的dispatchMessage()方法。 此外我们可以看到,在Looper.loop()方法的末尾recycle了从MessageQueue中取出的已经dispatch的消息。从而,我们 需要通过Handler向一个Looper线程的MessageQueue中发送消息时,我们只要obtain一个Message然后发送就好了,而不需 要自己手动去recycle,这些事情将会由Looper来帮助我们完成。接着来看Handler. dispatchMessage()的实现:

/**
 * Handle system messages here.
 */
public void dispatchMessage(Message msg) {
    if (msg.callback != null) {
        handleCallback(msg);
    } else {
        if (mCallback != null) {
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        handleMessage(msg);
    }
}

在Message的callback成员为非空时,会执行 handleCallback(msg),否则的话会依据Handler的mCallback是否为空来确定是否要执行 mCallback.handleMessage(msg),并执行Handler的handleMessage(msg)。Handler的handleMessage()方法通常需要override,来实现消息处理的主要逻辑。而mCallback则使得开发者可以比较容易的添加一种对Message做一些额外检测的机制,以提升消息处理的效率。

接着我们看一下,Handler.handleCallback(msg)的实现:

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


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