Android消息机制探索(Handler,Looper,Message,MessageQueue)
概览
Android消息机制是Android操作系统中比较重要的一块。具体使用方法在这里不再阐述，可以参考Android的官方开发文档。
消息机制的主要用途有两方面：
1、线程之间的通信。比如在子线程中想更新UI，就通过发送更新消息到UI线程中来实现。
2、任务延迟执行。比如30秒后执行刷新任务等。
消息机制运行的大概示意图如下：
一个线程中只能有一个Looper对象，一个Looper对象中持有一个消息队列，一个消息队列中维护多个消息对象，用一个Looper可以创建多个Handler对象，Handler对象用来发送消息到消息队列中、和处理Looper分发给自己的消息（也就是自己之前发送的那些消息），这些Handler对象可以跨线程运行，但是最终消息的处理，都是在创建该Handler的线程中运行。
分析
在熟悉了基本用法之后，有必要深入探索一下。
逻辑分析
Android消息机制的framework层主要围绕Handler、Looper、Message、MessageQueue这四个对象来操作。消息机制主要是对消息进行生成、发送、存储、分发、处理等操作。
Message：
该类代表的是消息机制中的消息对象。是在消息机制中被创建，用来传递数据以及操作的对象，也负责维护消息对象缓存池。
Message对象中主要有以下几个属性：
what：消息类型。
arg1、arg2、obj、data：该消息的数据域
when：该消息应该被处理的时间，该字段的值为SystemClock.uptimeMillis()。当该字段值为0时，说明该消息需要被放置到消息队列的首部。
target：发送和处理该消息的Handler对象。
next：对象池中该消息的下一个消息。
Message对象中，主要维护了一个Message对象池，因为系统中会频繁的使用到Message对象，所以用对象池的方式来减少频繁创建对象带来的开支。Message对象池使用单链表实现。最大数量限制为50。所以官方推荐我们通过对象池来获取Message对象。
特别注意的是，我们平常使用的都是普通的Message对象，也就是同步的Message对象。其实还有两种特殊的Message对象，目前很少被使用到，但也有必要了解一下。
第一个是同步的障碍消息（Barrier Message），该消息的作用就是，如果该消息到达消息队列的首部，则消息队列中其他的同步消息就会被阻塞，不能被处理。障碍消息的特征是target==null&&arg1==barrierToken
第二个是异步消息，异步消息不会被上面所说的障碍消息影响。通过Message对象的setAsynchronous(boolean async)方法来设置一个消息为异步消息。
MessageQueue：
该类代表的是消息机制中的消息队列。它主要就是维护一个线程安全的消息队列，提供消息的入队、删除、以及阻塞方式的轮询取出等操作。
Looper：
该类代表的是消息机制中的消息分发器。 有了消息，有了消息队列，还缺少处理消息分发机制的对象，Looper就是处理消息分发机制的对象。它会把每个Message发送到正确的处理对象上进行处理。如果一个Looper开始工作后，一直没有消息处理的话，那么该线程就会被阻塞。在非UI线程中，这时候应该监听当前MessageQueue的Idle事件，如果当前有Idle事件，则应该退出当前的消息循环，然后结束该线程，释放相应的资源。
Handler：
该类代表的是消息机制中的消息发送和处理器。有了消息、消息队列、消息分发机制，还缺少的就是消息投递和消息处理。Handler就是用来做消息投递和消息处理的。Handler事件处理机制采用一种按自由度从高到低的优先级进行消息的处理，正常情况下，一个Handler对象可以设置一个callback属性，一个Handler对象可以操作多个Message对象，从某种程度上来说，创建一个Message对象比给一个Handler对象设置callback属性来的自由，而给一个Handler对象设置callback属性比衍生一个Handler子类来的自由，所以消息处理优先级为Message>Handler.callback.Handler.handleMessage()。
代码分析
重要部分的源代码解析，源代码基于sdk 23。
Message：
普通的消息对象，包含了消息类型、数据、行为。内部包含了一个用单链表实现的对象池，最大数量为50，为了避免频繁的创建对象带来的开销。
1、从对象池中获取Message对象。
源代码:
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();
}
伪代码:
public static Message obtain() {
synchronized (sPoolSync) {
if (对象池不为空) {
从单链表实现的对象池中取出一个对象（从链表头获取）;
清空该对象标志位（在使用中、异步等）;
修正对象池大小;
return 取出的消息对象;
}
}
return 新建消息对象;
}
2、返回Message对象到对象池
源代码:
void recycleUnchecked() {
// Mark the message as in use while it remains in the recycled object pool.
// Clear out all other details.
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++;
}
}
}
伪代码:
void recycleUnchecked() {
标志为正在使用中;
清空当前对象的其他数据;
synchronized (sPoolSync) {
if (对象池没容量有达到上限) {
在单链表表头插入该对象;
修正对象池大小;
}
}
}
Looper：
使用ThreadLocal来实现线程作用域的控制，每个线程最多有一个Looper对象，内部持有一个MessageQueue的引用。
1、初始化一个Looper
源代码:
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));
}
伪代码:
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
if (当前线程中已经有了一个Looper对象) {
throw new RuntimeException("一个线程只能创建一个Looper对象");
}
重新实例化一个可以退出的Looper;
把该Looper对象和当前线程关联起来;
}
2、Looper开始工作
源代码:
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.recycleUnchecked();
}
}
伪代码:
public static void loop() {
获取当前线程的Looper对象;
if (当前线程没有Looper对象) {
throw new RuntimeException("没有Looper; Looper.prepare() 没有在当前线程被调用过");
}
获取该Looper对象关联的MessageQueue;
清除IPC身份标志;
for (;;) {
从MessageQueue中获取一个Message，如果当前MessageQueue没有消息，就会阻塞;
if (没有取到消息) {
// 没有消息意味着消息队列退出了.
return;
}
打印日志;
调用当前Message对象的target来处理消息，也就是发送该Message的Handler对象;
打印日志;
获取新的IPC身份标识;
if (IPC身份标识改变了) {
打印警告信息;
回收该消息，放入到Message对象池中;
}
}
Handler：
负责消息的发送、定时发送、延迟发送、消息处理等动作。
1、事件处理
源代码:
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
伪代码:
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (该消息的callback属性不为空) {
运行该消息的callback对象的run()方法;
} else {
if (当前Handler对象的mCallback属性不为空) {
if (mCallback对象成功处理了消息) {
return;
}
}
Handler内部处理该消息;
}
}
MessageQueue：
使用单链表的方式维护一个消息队列，提高频繁插入删除消息等操作的性能，该链表用消息的when字段进行排序，先被处理的消息排在链表前部。内部的阻塞轮询和唤醒等操作，使用JNI来实现。
1、Message对象的入队操作
源代码:
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
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) {
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) {
// 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;
}
// We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
伪代码:
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
if (该消息没有target) {
throw new IllegalArgumentException("Message对象必须要有一个target");
}
if (该消息正在被使用) {
throw new IllegalStateException(msg + " 该消息正在使用中");
}
synchronized (this) {
if (消息队列退出了) {
打印警告信息;
回收该消息，返回到Message对象池;
return false;
}
设置该消息为正在使用中;
设置消息将要被处理的时间;
Message p = mMessages;
boolean needWake;
if (msg队列为空 || 该消息对象请求放到队首 || 执行时间先于当前队首msg的执行时间（当前队列中全是delay msg）) {
把当前msg添加到msg队列首部;
如果阻塞了，设置为需要被唤醒;
} else {
if (阻塞了 && 队首是barrier && 当前msg是异步msg) {
设置为需要被唤醒
}
for (;;) {
根据msg.when的先后，找到合适的插入位置，先执行的在队列前面;
if (需要唤醒 && 插入位置之前有异步消息) {
不需要唤醒;
}
}
插入到合适的位置;
}
if (需要唤醒) {
调用native方法进行本地唤醒;
}
}
return true;
}
2、查询待处理消息
源代码:
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;
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;
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) {
// 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;
}
}
伪代码:
Message next() {
if (消息队列退出了) {
return null;
}
把Idle事件的次数标记为第一次;
下一次轮询的等待（阻塞）时间设为0;
for (;;) {
if (下一次轮询需要阻塞) {
清楚Binder的pending command，用来释放资源;
}
使用当前的设置轮询阻塞时间去做一次native的轮询，如果阻塞时间大于0，则会阻塞，直到取到消息为止;
synchronized (this) {
if (消息队列首部为barrier消息) {
取出第一个异步消息;
}
if (查询到满足条件的消息) {
if (还没到该消息的执行时间) {
设置下一次轮询的阻塞时间为msg.when - now，最大不超过Integer.MAX_VALUE;
} else {
阻塞标识设置为false;
取出该消息，重定向链表头;
标记该消息为在使用中;
return 该消息;
}
} else {
没有消息，设置下一次轮询阻塞时间为-1，不阻塞;
}
if (消息队列退出了) {
释放资源;
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 (第一次Idle事件) {
计算Idle监听器数量;
}
if (没有Idle监听器) {
阻塞标识设置为true;
continue;
}
生成Idle监听对象;
}
for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
通知Idle事件的监听对象，根据标识来确定这些监听器是否继续监听。
}
设置Idle事件的标识为不是第一次;
调用了Idle监听器之后，可能有新的消息进入队列，所以下一次轮询阻塞时间设置为0;
}
}
失败是什么？没有什么，只是更走近成功一步；成功是什么？就是走过了所有通向失败的路，只剩下一条路，那就是成功的路。
