死磕Android_Handler机制你须要知道的一切

时间  2019-12-06
标签 android handler 机制 须要 知道 一切 栏目 Android 繁體版
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1. 前言

安卓在子线程中不能更新UI,因此大部分状况下,咱们须要借助Handler切换到主线程中去更新消息.而消息机制(即Handler那一坨)在安卓中的地位很是很是重要,咱们须要详细了解其原理.这一块,学过不少次,可是,我以为仍是再学亿次,写成博客输出.但愿对你们有所帮助,有一些新的感悟.html

2. ThreadLocal工做原理

ThreadLocal主要是能够在不一样的线程中存储不一样的数据,它是将数据存储在线程内部的,其余线程没法访问.对于同一个ThreadLocal对象,不一样的线程有不一样的数据,这些数据互不干扰.好比Handler机制中的Looper,Looper的做用域是线程,ThreadLocal能够将Looper存储在线程中,而后其余线程是没法访问到这个线程中的Looper的,只供当前线程本身内部使用.java

2.1 ThreadLocal demo

下面简单举个例子:linux

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    private static final String TAG = "MainActivity";
    private static final ThreadLocal<Integer> INTEGER_THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>();

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        
        //设置ThreadLocal里面的数据为1
        INTEGER_THREAD_LOCAL.set(1);
        //获取ThreadLocal里面的数据
        Log.w(TAG, "主线程" + INTEGER_THREAD_LOCAL.get());

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                //获取ThreadLocal里面的数据,可是须要注意的是,这里获取的数据是子线程中数据,由于没有进行初始化,这里获取到的数据是null
                Log.w(TAG, "线程1 " + INTEGER_THREAD_LOCAL.get());
            }
        }, "线程1").start();

    }
}
复制代码

我先在主线程中将INTEGER_THREAD_LOCAL的值设置为1(至关于主线程中的INTEGER_THREAD_LOCAL值为1),而后再开启子线程并在子线程中获取INTEGER_THREAD_LOCAL的值.由于子线程中没有给INTEGER_THREAD_LOCAL附值,因此是null.android

2019-05-19 11:12:54.353 12364-12364/com.xfhy.handlerdemo W/MainActivity: 主线程1
2019-05-19 11:12:54.353 12364-12383/com.xfhy.handlerdemo W/MainActivity: 线程1 null
复制代码

须要注意到的是INTEGER_THREAD_LOCAL是final static的,这里的ThreadLocal是同一个对象,可是在主线程中获取到的数据和在子线程中获取到的数据却不同. 这里的demo也就证实了: ThreadLocal在不一样的线程中存储的数据,互不干扰,相互独立.数组

2.2 ThreadLocal源码理解

咱们从ThreadLocal的set方法开始深刻下去(通常读源码是从使用处的API开始,这样会更轻松地理清思路)bash

public void set(T value) {
    //1. 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //2. 获取当前线程的threadLocals属性,threadLocals是Thread类里面的一个属性,是ThreadLocalMap类型的,专门用来存当前线程的私有数据,这些数据由ThreadLocal维护
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    
    //3. 第一次设置值的时候map确定是为null的,初始化了以后map才不为null
    //第一次会去createMap()
    if (map != null)
        //4. 将当前ThreadLocal对象和value的值存入map中
        map.set(this, value);
    else
        //4. 这里将初始化map,而且将value值放到map中.
        createMap(t, value);
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

复制代码

ThreadLocal在设置数据的时候,首先是获取当前线程的threadLocals属性,threadLocals是Thread类里面的一个属性,是ThreadLocalMap类型的,专门用来存当前线程的私有数据,这些数据由ThreadLocal来维护的. 当第一次设置值的时候,须要初始化map,并将value值放入map中.下面来看一下这部分代码app

void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
复制代码
//下面是ThreadLocalMap的代码

/** * The table, resized as necessary. * table.length MUST always be a power of two. * table是ThreadLocalMap里面存储数据的地方,若是在数组长度不够用的时候,会扩容. 存储的方式是靠hash值为数组的索引,将value放到该索引处. */
private Entry[] table;

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    //初始化table数据数组
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    //计算hash值->存储数据的索引
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

//将value值存入map中,key为ThreadLocal
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    // We don't use a fast path as with get() because it is at
    // least as common to use set() to create new entries as
    // it is to replace existing ones, in which case, a fast
    // path would fail more often than not.

    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }

        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}
复制代码

能够看到createMap方法中就是初始化ThreadLocalMap,而ThreadLocalMap的底部实际上是一个数组,它是利用hash值来计算索引,而后存储数据到该索引处的方式.框架

此处须要注意的是,咱们能够看到ThreadLocal是将数据存储到Thread的一个threadLocals属性上面,这个threadLocals每一个线程独有的,那么存储数据确定互不干扰啊,完美.less

3. MessageQueue 消息队列

Handler中的消息队列,也就是MessageQueue.从名字能够看出这是一个队列,可是它的底层倒是单链表结构.由于链表结构比较适合插入和删除操做.这个MessageQueue的查询就是next()方法,它的查询伴随着删除.async

3.1 消息队列插入

消息队列的插入,对应着的是enqueueMessage方法

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) {
        ....

        msg.markInUse();
        msg.when = when;
        Message p = mMessages;
        boolean needWake;
        
        //若是 1. 链表为空 || 2. when是0,表示当即须要处理的消息 || 3. 当前须要插入的消息比以前的第一个消息更紧急,在更短的时间内就须要处理
        //知足上面这3个条件中的其中一个,那么就是插入在链表的头部
        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;
            //从头部开始,直到找出列表的最后一个元素,方便链表插入
            for (;;) {
                prev = p;
                p = p.next;
                //找到合适的时间点,插入到这里
                if (p == null || when < p.when) {
                    break;
                }
                if (needWake && p.isAsynchronous()) {
                    needWake = false;
                }
            }
            //把新的消息插入在链表尾部
            msg.next = p; // invariant: p == prev.next
            prev.next = msg;
        }

        // We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
        if (needWake) {
            // 激活消息队列去获取下一个消息 这里是一个native方法
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
    return true;
}
复制代码

核心内容为消息列表的插入,也就是链表的插入,插入数据的时候是有必定规则的,当知足下面这3个条件中的其中一个,那么就是插入在链表的头部

  1. 链表为空
  2. when是0,表示当即须要处理的消息
  3. 当前须要插入的消息比以前的第一个消息更紧急,在更短的时间内就须要处理

其余状况则是插入在链表中的合适的位置,找到一个合适的时间点.

3.2 消息队列查询(next)

MessageQueue的next方法,也就是获取下一个消息,这个方法可能会阻塞,当消息队列没有消息的时候.直到有消息,而后就会被唤醒,而后继续取消息.

可是这里的阻塞是不会ANR的,真正致使ANR的是由于在handleMessage方法中处理消息时阻塞了主线程过久的时间.这里的缘由,后面再解释.

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();
        }

        //当消息队列为空时,这里会致使阻塞,直到有消息加入消息队列,才会恢复
        //这里是native方法,利用的是linux的epoll机制阻塞
        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 {
                    //这里比较关键 取链表头部,获取这个消息
                    // 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;
            }

            .....
        }

       ......
    }
}
复制代码

核心内容就是取消息队列的第一个元素(即链表的第一个元素),而后将该Message取出来以后,将它从消息队列中删除.

4. Looper

Looper在消息机制中主要扮演着消息循环的角色,有消息来了,Looper就取出来,分发.没有消息,Looper就阻塞在那里,直到有消息为止.

4.1 Looper初始化

先来看一下,Looper的构造方法

private Looper(boolean quitAllowed) {
    mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
    mThread = Thread.currentThread();
}
复制代码

这个构造方法是私有化的,只能在内部调用,直接在里面初始化了MessageQueue和获取当前线程.构造方法只会在prepare方法中被调用.

public static void prepare() {
    prepare(true);
}

//sThreadLocal是用`static final`修饰的,意味着sThreadLocal只有一个,可是它却能够在不一样的线程中存储不一样的Looper,妙啊
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();

private static void prepare(boolean quitAllowed) {
    //若是说当前线程以前初始化过ThreadLocal,里面有Looper,那么就报错
    //意思就是prepare方法只能调用一次
    if (sThreadLocal.get() != null) {
        throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
    }
    //初始化ThreadLocal,将一个Looper存入其中
    sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}

private static Looper sMainLooper;
//这个方法是主线程中调用的,准备主线程的Looper.也是只能调用一次.
public static void prepareMainLooper() {
    //先准备一下
    prepare(false);
    synchronized (Looper.class) {
        if (sMainLooper != null) {
            throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
        }
        //将初始化以后的Looper赋值给sMainLooper,sMainLooper是static的,多是为了方便使用吧
        sMainLooper = myLooper();
    }
}

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

复制代码

prepare方法的职责是初始化ThreadLocal,将Looper存储在其中,一个线程只能有一个Looper,不能重复初始化.sThreadLocal是用static final修饰的,意味着sThreadLocal只有一个,可是它却能够在不一样的线程中存储不一样的Looper.并且官方还提供了主线程初始化Looper的专用方法prepareMainLooper.主线程就是主角,还单独把它的Looper存到静态的sMainLooper中.

4.2 Looper#loop

下面开始进入Looper的核心方法loop(),咱们知道loop方法就是死循环不断得从MessageQueue中去取数据.看看方法中的一些细节.

/** * Run the message queue in this thread. Be sure to call * {@link #quit()} to end the loop. */
public static void loop() {
    //1. 首先是获取当前线程的Looper 稳,不一样的线程,互不干扰
    final Looper me = myLooper();
    
    //2. 若是当前线程没有初始化,那确定是要报错的
    if (me == null) {
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
    }
    
    //3. 取出当前线程Looper中存放的MessageQueue
    final MessageQueue queue = me.mQueue;

    .....
    for (;;) {
        //4. 从MessageQueue中取消息,固然 这里是可能被阻塞的,若是MessageQueue中没有消息能够取的话
        Message msg = queue.next(); // might block
        
        //5. 若是消息队列想退出,而且MessageQueue中没有消息了,那么这里的msg确定是null
        if (msg == null) {
            // No message indicates that the message queue is quitting.
            return;
        }

        .....
        //6. 注意啦,这里开始分发当前从消息队列中取出来的消息
        msg.target.dispatchMessage(msg);
        ......
    }
}
复制代码

loop方法很是重要,它首先取到当前线程的Looper,再从Looper中获取MessageQueue,开启一个死循环,从MessageQueue的next方法中获取新的Message.可是在next方法调用的过程当中是可能被阻塞的,这里是利用了linux的epoll机制.取到了消息以后分发下去.分发给Handler的handleMessage方法进行处理. 而后又开始了一个新的轮回,继续取新的消息(也多是阻塞在那里等).

下面来看一下消息的分发

//Message里面的代码

//Message里的target其实就是发送该消息的那个Handler,666
Handler target;
//下一个消息的引用
Message next;
复制代码
//Handler里面的代码
public void dispatchMessage(Message msg) {
    if (msg.callback != null) {
        handleCallback(msg);
    } else {
        if (mCallback != null) {
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        handleMessage(msg);
    }
}
复制代码

兄弟萌,它来啦,仍是那个熟悉的handleMessage方法,在Looper的loop方法中由Message本身经过Message里面的target(handler)调用该Handler本身的handleMessage方法.完成了消息的分发. 若是这里有Callback的话,就经过Callback接口分发消息.

5. Handler

Handler的做用其实就是发送消息,而后接收消息.Handler中任何的发送消息的方法最后都会调用sendMessageAtTime方法,咱们仔细观摩一下

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);
}
private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
    msg.target = this;
    if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
复制代码

sendMessageAtTime方法很简单,其实就是将消息插入MessageQueue.而在Message插入MessageQueue的过程以前,先将Handler的引用存入Message中,方便待会儿分发消息事件,机智机智!

6. 用一句话总结一下安卓的消息机制

在安卓消息机制中,ThreadLocal拿来存储Looper,而MessageQueue是存储在Looper中的.因此咱们能够在子线程中经过主线程的Handler发送消息,而Looper(主线程中的)在主线程中取出消息,分发给主线程的Handler的handleMessage方法.

7. 消息机制在主线程中的应用

7.1 关于主线程中的死循环

咱们知道ActivityThread其实就是咱们的主线程,首先咱们来看一段代码,ActivityThread的main方法:

public static void main(String[] args) {
    ......
    
    //注意看,在main方法的开始,在主线程中就准备好了主线程中的Looper,存入ThreadLocal中.因此咱们平时使用Handler的时候并无调用prepare方法也不会报错
    Looper.prepareMainLooper();

    ......
    //直接在主线程中调用了loop方法,而且陷入死循环中,不断地取消息,不断地处理消息,无消息时就阻塞. 
    //嘿,你还别说,这里这个方法还必需要死循环下去才好,否则就会执行到下面的throw new RuntimeException语句报出错误
    Looper.loop();

    throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
复制代码

主线程一直处在一个Looper的loop循环中,有消息就会去处理.无消息,则阻塞.

7.2 主线程死循环究竟是要接收和处理什么消息?

有什么骚东西非要进行死循环才能处理呢?首先咱们想一想,既然ActivityThread开启了Looper的loop,那么确定有Handler来接收和处理消息,咱们一探究竟:

private class H extends Handler {
    public static final int LAUNCH_ACTIVITY = 100;
    public static final int PAUSE_ACTIVITY = 101;
    public static final int PAUSE_ACTIVITY_FINISHING = 102;
    public static final int STOP_ACTIVITY_SHOW = 103;
    public static final int STOP_ACTIVITY_HIDE = 104;
    public static final int SHOW_WINDOW = 105;
    public static final int HIDE_WINDOW = 106;
    public static final int RESUME_ACTIVITY = 107;
    public static final int SEND_RESULT = 108;
    public static final int DESTROY_ACTIVITY = 109;
    public static final int BIND_APPLICATION = 110;
    public static final int EXIT_APPLICATION = 111;
    public static final int NEW_INTENT = 112;
    public static final int RECEIVER = 113;
    public static final int CREATE_SERVICE = 114;
    public static final int SERVICE_ARGS = 115;
    public static final int STOP_SERVICE = 116;
    ...
}
复制代码

名场面,上面就是API 28之前ActivityThread.H的老样子,为何是API 28之前?由于在API 28中重构了H类，把100到109这10个用于Activity的消息，都合并为159这个消息，消息名为EXECUTE_TRANSACTION(抽象为ClientTransactionItem,有兴趣了解的看这里)。

在H类中定义了不少消息类型,包含了安卓四大组件的启动和中止.ActivityThread经过ApplicationThread与AMS进行进程间通讯,AMS完成ActivityThread的请求后会回调ApplicationThread中的Binder方法,而后ApplicationThread会向H发送消息,H收到消息就开始在主线程中执行,开始执行诸如Activity的启动中止等动做,以上就是主线程的消息循环模型.

既然咱们知道了主线程是这样启动Activity的,那么咱们是否是能够搞点骚操做???俗称黑科技的插件化:咱们Hook掉H类的mCallback对象,拦截这个对象的handleMessage方法。在此以前，咱们把插件中的Activity替换为StubActtivty，那么如今，咱们拦截到handleMessage方法，再把StubActivity换回为插件中的Activity.当前这只是API 28以前的操做,更多详情请看这里

8. 主线程为何没有被loop阻塞

既然主线程中的main方法内调用了Looper的loop方法不断地死循环取消息,并且当消息队列为空的时候还会被阻塞.那为何主线程中当没有消息的时候怎么不卡呢?

此处引出一国外网友的回答,短小精湛.问题回答原地址

简短版答案: nativePollOnce方法是用来等待下一个消息可用时的,下一个消息可用则不会再继续阻塞,若是在这个调用中花费的时间很长，那你的主(UI)线程没有真正的工做要作，而且等待下一个事件处理。不必担忧阻塞问题。

完整版的答案: 由于主线程负责绘制UI和处理各类事件，因此Runnable有一个处理全部这些事件的循环。循环由Looper管理，其工做很是简单：它处理MessageQueue中的全部消息。消息被添加到队列中，例如响应输入事件，帧渲染回调甚至您本身的Handler.post调用。有时主线程没有工做要作（即队列中没有消息），这可能发生在例如刚完成渲染单帧后（线程刚刚绘制了一帧并准备好下一帧，只需等待一段时间）。 MessageQueue类中的两个Java方法对咱们来讲颇有趣：Message next（）和boolean enqueueMessage（Message，long）。消息next（），顾名思义，接收并返回队列中的下一条消息。若是队列为空（而且没有任何内容能够返回），则该方法调用native void nativePollOnce（long，int），该块将阻塞，直到添加新消息。此时你可能会问nativePollOnce如何知道什么时候醒来。这是一个很是好的问题。将Message添加到队列时，框架会调用enqueueMessage方法，该方法不只会将消息插入队列，还会调用native static void nativeWake（long），若是须要唤醒队列的话。 nativePollOnce和nativeWake的核心魔力发生在native（其实是C ++）代码中。 Native MessageQueue使用名为epoll的Linux系统调用，该调用容许监视IO事件的文件描述符。 nativePollOnce在某个文件描述符上调用epoll_wait，而nativeWake写入描述符，这是IO操做之一，epoll_wait等待。而后内核从等待状态中取出epoll等待线程，而且线程继续处理新消息。若是您熟悉Java的Object.wait（）和Object.notify（）方法，您能够想象nativePollOnce是Object.wait（）和NativeWake for Object.notify（）的粗略等价物，由于它们的实现彻底不一样：nativePollOnce使用epoll，Object.wait（）使用futex Linux调用。值得注意的是，nativePollOnce和Object.wait（）都不会浪费CPU周期，由于当线程进入任一方法时，它会因线程调度而被禁用。若是这些方法实际上浪费了CPU周期，那么全部空闲应用程序将使用100％的CPU，加热并下降设备的速度。

翻译的不是很好,英语好的同窗仍是看原版吧,,,,,,,,,

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