Android10_原理机制系列_Android消息机制(Handler)详述

概述

在Android中的多进程、多线程中提过，只有主线程(UI线程)能够更新UI，其余线程不能够，因此通常耗时操做放到子线程。子线程能够经过Handler将相关信息通知到主线程。
Android的消息机制主要是Handler机制。Handler的工做过程，还有两个重要部分MessageQueue(消息队列，下面简称MQ)和Looper。

因为下面总结中穿插了很多源码 便于理解，致使篇幅比较长(加代码有600多行)。因此先大体总结并给出大体目录，提早了解是不是须要的内容。

大体总结

消息机制的大体流程

1. 线程建立Looper(调用Looper.preper())，而后运行Looper.looper()开启循环。Looper是和线程绑定的，一个线程只能有一个Looper ，一个Looper内部维护一个MQ。
2. Handler调用sendMessage()方法发送消息，将消息加入到MQ中(enqueueMessage())。
3. Looper死循环，经过MessageQueue.next()取出符合的消息。
4. 取出消息后，经过msg.target.dispatchMessage()分发消息。
5. Handler对接受到的消息进行具体处理，调用dispatchMessage()。
6. 调用Looper的quit()方法终止，即消息队列退出、looper循环退出。

注意点

1. 建立Handler的线程中必定先有Looper对象， 才能建立Handler，不然会抛异常。下面详解中经过代码就能看出来。
2. 一个线程只能有一个Looper。但能够建立多个Handler
3. MQ是Looper内存维护的。
4. 主线程在应用启动后默认建立Looper 且不能退出。

跨线程大体理解

Handler能作到跨线程，主要是Looper及内部的消息队列。最多见的：程序启动主线程建立Looper并绑定了消息队列，在主线程建立Handler，这个Handler与Looper绑定的。在其余线程(任何地方)经过这个Handler发送消息，消息都加入到了主线程Looper内部的消息队列(消息发送到的MQ是 建立Handler时绑定的Looper内部MQ)，当消息被Looper循环取出，天然就回到了主线程

大体目录

1       Looper、Handler与MQ     
1.1     Looper     
1.1.1   Looper的建立：prepare()     
1.1.2   Looper循环：loop()    

1.2     Handler     
1.2.1   Handler的建立    
1.2.2   Handler发送消息    
1.2.3   Handler分派处理：dispatchMessage    

1.3     MessageQueue    
1.3.1   入队：enqueueMessage()    
1.3.2   next()方法    
1.3.3   退出：quit()    

2       其余注意点      
2.1     Handler通常使用         
2.2     消息池          
2.3     子线程到主线程的方法            
2.4     主线程的Looper         
2.5     ANR问题

Looper、Handler与MQ

Looper

Looper是循环器，为一个线程运行消息循环，不断检查消息队列中是否有新的消息。
Looper.prepare()为当前线程建立一个looper，并在其内部维护一个MQ。
Looper.loop()即looper开始工做，运行消息循环。

下面是Looper部分的几处源码，有助于理解。

Looper的建立：prepare()

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

@UnsupportedAppUsage
final MessageQueue mQueue;
final Thread mThread;

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);
    mThread = Thread.currentThread();
}

Looper经过prepare()方法建立，主要有如下几点：

1. 默认建立Looper时，设置参数的为true，即消息队列是可以退出的。MQ的退出也提供了安全退出和非安全退出两种方法(在下面MQ部分中详述)。
2. 一个线程只能建立一个Looper,不然会抛出RuntimeException。
3. Looper对象保存在ThreadLocal中的。ThreadLocal是一个线程内部的数据存储类，每一个线程都有本身独立访问的变量副本。 libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/ThreadLocal.java下有相关源码。
4. Looper建立，即建立了一个内部消息队列mQueue，并绑定了当前线程。
5. 主线程(UI线程)建立的Looper是不可退出的，应用启动后默认建立好了的。(下面有单独讲解)

Looper循环：loop()

Message.java
@UnsupportedAppUsage
/*package*/ Handler target;

@UnsupportedAppUsage
/*package*/ Runnable callback;

Looper.java
public static void loop() {
    ......
    for (;;) {
        //不断取出下一条消息，mgs为null即消息队列退出，若没有消息且没有退出 消息队列一直阻塞的
        Message msg = queue.next(); // might block
        if (msg == null) {
            // No message indicates that the message queue is quitting.
            return;
        }
        ......
        try {
            //分派消息，经过Handler处理
            msg.target.dispatchMessage(msg);
            if (observer != null) {
                observer.messageDispatched(token, msg);
            }
            dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
        } catch (Exception exception) {
        ......
        msg.recycleUnchecked();
    }
}

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

因为代码比较长，截取了关键代码，......表示该处有省略的代码。
loop()是消息循环运行的关键，总体把握这里关注两行代码：Message msg = queue.next(); 和 msg.target.dispatchMessage(msg);。这两个分别在MQ部分和Handler部分有详述。

1. for(;;)死循环，这是关键，真正的消息循环。跳出的惟一条件是queue.next()为null，但实际只有Looper执行quit()才能达成这一条件(next()方法MQ中详述)。
2. next()不断取出下一条消息，mgs为null即消息队列退出，循环中止。若没有消息且没有退出 消息队列一直阻塞的
3. 当next()返回一条消息，Looper调用msg.target.dispatchMessage(msg)进行分派处理。这里的msg.target就是一个Handler，即调用了Handler的dispatchMessage()方法(Handler中详述)。

Handler

Handler主要包含消息的发送和接收处理。

Handler的建立

@UnsupportedAppUsage
final Looper mLooper;
final MessageQueue mQueue;
@UnsupportedAppUsage
final Callback mCallback;
final boolean mAsynchronous;

/**
 * @hide
 */
public Handler(@Nullable 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 " + Thread.currentThread()
                        + " that has not called Looper.prepare()");
    }
    mQueue = mLooper.mQueue;
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;
}

注意几点：

1. Handler有好几种构造方法，一种是指定了Looper，另外一种没指定。全部构造方法都基本肯定4个值：Hanlder关联的Looper;关联的MQ;关联的Callback;是否异步。
2. 上述是没指定Looper最终的方法。从中能够看到，没有Looper就没法建立Handler。

Handler发送消息

public final boolean post(@NonNull Runnable r) {
    return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}

private static Message getPostMessage(Runnable r) {
    Message m = Message.obtain();
    m.callback = r;
    return m;
}

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

public boolean sendMessageAtTime(@NonNull 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(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
                               long uptimeMillis) {
    msg.target = this;
    msg.workSourceUid = ThreadLocalWorkSource.getUid();

    if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}

1. Handler经过post()、postDelayed()、sendMessage()、sendMessageDelayed()等方法发送消息，最终都是走到了上面的sendMessageAtTime()中。
2. Handler各类发送方式，最终到sendMessageAtTime()。这个过程，参数uptimeMillis 即 消息发处的绝对时间也就是when。
3. post()等发送方法传入的参数Runnable即消息的callback(msg.callback)，在dispatchMessage中能够看到。
4. 发送消息，Handler仅是将消息加入消息队列中(enqueueMessage()在MQ中详述)，这个消息队列就是Handler在建立时绑定的Looper的内部消息队列。

这里都是使用SystemClock.uptimeMillis()，简单说明下SystemClock.uptimeMillis()与System.currentTimeMillis()区别：
System.currentTimeMillis()是1970年1月1日(UTC)到如今的毫秒值。
SystemClock.uptimeMillis()是设备启动到如今的时间的毫秒值。(不包括深度睡眠)
SystemClock.elapsedRealtime()是设备启动到如今时间的毫秒值。(包括深度睡眠)
为何基本都用SystemClock.uptimeMillis()做为时间间隔的获取方法呢？
System.currentTimeMillis()经过设置设备的时间是能够改变的，这样设置后 那些计划的执行明显会发生异常。

Handler分派处理：dispatchMessage

@UnsupportedAppUsage
/*package*/ Handler target;

@UnsupportedAppUsage
/*package*/ Runnable callback;

public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
    if (msg.callback != null) {
        handleCallback(msg);
    } else {
        if (mCallback != null) {
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        handleMessage(msg);
    }
}

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

public interface Callback {
    /**
     * @param msg A {@link android.os.Message Message} object
     * @return True if no further handling is desired
     */
    boolean handleMessage(@NonNull Message msg);
}

/**
 * Subclasses must implement this to receive messages.
 */
public void handleMessage(@NonNull Message msg) {
}

Looper循环经过queue.next()获取到一条消息，再经过Handler的dispatchMessage()分派处理。

1. 若msg.callback不为空，即上述所说(Handler发送消息 部分)的是否传入了Runnable参数，有则执行Runnable。(Handler发送消息时传入)
2. 若是msg.callback为空，在Handler建立时指定了Callback参数，即实现了handleMessage()的类做为参数，则直接执行handleMessage()。(Handler建立时传入)
3. 若上面两种回调都不存在，可由handleMessage()处理。(建立的Handler重写该方法)

MessageQueue

消息队列MQ。主要列出Looper和Handler中提到的几个关于MQ的重要过程。
消息队列是单链表实现的，这属于数据结构，了解的话能够参考数据结构之队列(Queue)。

入队：enqueueMessage()

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
    //Handler为空
    if (msg.target == null) {
        throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
    }
    //消息标记是使用中
    if (msg.isInUse()) {
        throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
    }
    
    //线程安全，同步
    synchronized (this) {
        //消息队列已退出，被放弃
        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;
        }

        //下面开始是正在入队操做
        msg.markInUse();//标记使用中
        msg.when = when;
        Message p = mMessages;//当前消息，也是队首便可以理解为第一个消息
        boolean needWake;
        //队列是空或者msg比队列中其余消息要先执行，该msg做为队首入队。
        if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
            // New head, wake up the event queue if blocked.
            //加入队首。p是指向以前队首的，了解队列链表实现很容易理解
            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循环，跳出时：p指向null，prev指向队尾最后一个消息，即msg最后执行。
            //或者p指向第一个when大于msg的消息，prev则指向前面一个(最后一个when小于msg的消息)
            for (;;) {
                prev = p;
                p = p.next;
                if (p == null || when < p.when) {
                    break;
                }
                if (needWake && p.isAsynchronous()) {
                    needWake = false;
                }
            }
            //msg插入到对应的位置
            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;
}

Handler发送消息，将消息加入了消息队列，即上面的enqueueMessage的方法。
这个方法不难理解，能够看添加的中文注释。
这里主要注意的是消息的处理时间，看入队逻辑 能够看出消息队列是按消息处理时间排队的。

next()方法

@UnsupportedAppUsage
Message next() {
    ......
    for (;;) {
        ......
        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;
            //同步屏障，若存在异步消息 则获取的是第一个异步消息
            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());
            }
            if (msg != null) {
                //尚未到消息处理时间，设置阻塞时间nextPollTimeoutMillis，进入下次循环的时候会调用nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis)
                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 {
                    //得到并返回消息
                    // 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 {
                //没有消息要处理，nextPollTimeoutMillis设置为-1。
                // No more messages.
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }

            // Process the quit message now that all pending messages have been handled.
            //消息队列退出，返回null
            if (mQuitting) {
                dispose();
                return null;
            }
            ......
        }
        ......
    }
}

这个方法比较复杂，代码比较长。上面只截取了部分关键代码，能够看下添加的中文注释，可以理解。
注意两个地方：

1. 消息屏障(同步屏障)。能够经过MessageQueue.postSyncBarrier()设置，即msg.target为null。这里至关于异步优先。
2. 仅当mQuitting为true时，即消息队列退出(quit())，next()才返回null。Looper的looper()循环才中止。

最后来看下消息队列的退出

退出：quit()

void quit(boolean safe) {
    if (!mQuitAllowed) {
        throw new IllegalStateException("Main thread not allowed to quit.");
    }

    synchronized (this) {
        if (mQuitting) {
            return;
        }
        mQuitting = true;

        if (safe) {
            removeAllFutureMessagesLocked();
        } else {
            removeAllMessagesLocked();
        }

        // We can assume mPtr != 0 because mQuitting was previously false.
        nativeWake(mPtr);
    }
}

private void removeAllFutureMessagesLocked() {
    final long now = SystemClock.uptimeMillis();
    Message p = mMessages;
    if (p != null) {
        if (p.when > now) {
            removeAllMessagesLocked();
        } else {
            Message n;
            for (;;) {
                n = p.next;
                if (n == null) {
                    return;
                }
                if (n.when > now) {
                    break;
                }
                p = n;
            }
            p.next = null;
            do {
                p = n;
                n = p.next;
                p.recycleUnchecked();
            } while (n != null);
        }
    }
}

private void removeAllMessagesLocked() {
    Message p = mMessages;
    while (p != null) {
        Message n = p.next;
        p.recycleUnchecked();
        p = n;
    }
    mMessages = null;
}

这个也不复杂，简单关注两点：

1. quit()有安全退出和非安全退出，二者的差异从上面也能看到。非安全退出removeAllMessagesLocked()，直接退出 清空队列消息；安全退出removeAllFutureMessagesLocked()，消息处理时间在如今now以后的消息会被直接清空，而在now以前的会继续保留 由next()继续获取处理。
2. quit()调用后才有mQuitting = true，这样next()才会返回null，最终Looper.looper()循环才会中止。

其余注意点

Handler通常使用

Handler使用，通常是子线程进入主线程更新UI。下面是常见的操做。
主要注意Hanler的建立(多种方式的选择)以及回调的处理，发送消息的方式。

private final String TAG = "HandlerActivity";

private final int MAIN_HANDLER_1 = 1;

private Handler mMainHandler = new Handler() {
    @Override
    public void handleMessage(@NonNull Message msg) {
        super.handleMessage( msg );
        switch (msg.what) {
            case  MAIN_HANDLER_1:
                //Do something. like Update UI
                break;
        }
    }
};;

@Override
protected void onCreate(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate( savedInstanceState );
    Log.d( TAG, "onCreate: MainHandler Looper=" + mMainHandler.getLooper() );
    SubThread subThread = new SubThread();
    subThread.start();
}

private class SubThread extends  Thread {
    @Override
    public void run() {
        //Do something
        Message message = mMainHandler.obtainMessage();
        message.what = MAIN_HANDLER_1;
        mMainHandler.sendMessage(message);
    }
}

消息池

Message内部保存了一个缓存的消息池，咱们能够经过Message.obtain()或者mMainHandler.obtainMessage()从缓存池得到一个消息对象。避免每次建立Message带来的资源占用。
Message.obtain()的多种方法以及mMainHandler.obtainMessage()最终都是调用obtain()从消息池中获取一个消息对象。

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();
}

子线程到主线程的方法

Handler的一个重要做用就是子线程进入主线程更新UI。
Android中的多进程、多线程也提到过2种

Activity.runOnUiThread(Runnable)；View.post(Runnable)/View.postDelayed(Runnable, long)。
这2种方法其实就是Handler机制实现的。

Activity.java
public final void runOnUiThread(Runnable action) {
    if (Thread.currentThread() != mUiThread) {
        mHandler.post(action);
    } else {
        action.run();
    }
}

View.java
public boolean post(Runnable action) {
    final AttachInfo attachInfo = mAttachInfo;
    if (attachInfo != null) {
        return attachInfo.mHandler.post(action);
    }

    // Postpone the runnable until we know on which thread it needs to run.
    // Assume that the runnable will be successfully placed after attach.
    getRunQueue().post(action);
    return true;
}

private HandlerActionQueue getRunQueue() {
    if (mRunQueue == null) {
        mRunQueue = new HandlerActionQueue();
    }
    return mRunQueue;
}

@UnsupportedAppUsage(maxTargetSdk = Build.VERSION_CODES.P)
void dispatchAttachedToWindow(AttachInfo info, int visibility) {
    ......
    // Transfer all pending runnables.
    if (mRunQueue != null) {
        mRunQueue.executeActions( info.mHandler );
        mRunQueue = null;
    }
    ......
}

HandlerActionQueue.java
public void executeActions(Handler handler) {
    synchronized (this) {
        final HandlerAction[] actions = mActions;
        for (int i = 0, count = mCount; i < count; i++) {
            final HandlerAction handlerAction = actions[i];
            handler.postDelayed(handlerAction.action, handlerAction.delay);
        }

        mActions = null;
        mCount = 0;
    }
}

主线程的Looper

ActivityThread中的main()是主线程的入口。
从下面代码中能够看出来，应用启动 主线程默认建立了Looper，它是不可退出的。Looper有单独保存并获取主线程Looper的方法。
主线程Looper建立参数为false(prepare(false))，即looper()的循环是不会中止的，当没有消息时，一直是阻塞的。

Run|Debug
public static void main(String[] args) {
    ......
    Looper.prepareMainLooper();
    ......
    // End of event ActivityThreadMain.
    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
    /// M: ANR Debug Mechanism
    mAnrAppManager.setMessageLogger(Looper.myLooper());
    Looper.loop();

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

Looper.java
public static void prepareMainLooper() {
    prepare(false);
    synchronized (Looper.class) {
        if (sMainLooper != null) {
            throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
        }
        sMainLooper = myLooper();
    }
}

ANR问题

looper()死循环为何没致使ANR？ANR具体什么形成？ANR和Looper有什么关系？ ---这篇已通过长，这些问题在ANR部分总结更好。