Handler详解4-epoll、looper.loop主线程阻塞

句柄与指针的区别

 学习C++的人都知道句柄和指针，而且我发现很多人在句柄与指针之间直接划等号，对我们来说两者都是地址，我觉的这也造成很多人将句柄和指针划等号的直接原因。

　　首先说指针吧。通俗一点就是地址，他是内存的编号，通过它我们可以直接对内存进行操作，只要地址不变，我们每次操作的物理位置是绝对不变，记住这句话，这是句柄和指针的重大区别所在。

　　再说说句柄吧，一般是指向系统的资源的位置，可以说也是地址。但是这些资源的位置真的不变，我们都知道window支持虚拟内存的技术，同一时间内可能有些资源被换出内存，一些被换回来，这就是说同一资源在系统的不同时刻，他在内存的物理位置是不确定的，那么window是如何解决这个问题呢，就是通过句柄来处理资源的物理位置不断变化的这个问题的。window会在物理位置固定的区域存储一张对应表，表中记录了所有的资源实时地址，句柄其实没有直接指向资源的物理地址，而是指向了这个对应表中的一项，这样无论资源怎样的换进换出，通过句柄都可以找到他的实时位置。

　　总的来说，通过句柄可以屏蔽系统内部的细节，让程序设计可以不必考虑操作系统实现的细节。如果还不能理解句柄与指针之间的区别，可以想象指向指针的指针，可以把句柄当作一个指向指针的指针来理解。

文件描述符fd(句柄)

    在Linux系统中一切皆可以看成是文件，文件又可分为：普通文件、目录文件、链接文件和设备文件。文件描述符（file descriptor）是内核为了高效管理已被打开的文件所创建的索引，其是一个非负整数（通常是小整数），用于指代被打开的文件，所有执行I/O操作的系统调用都通过文件描述符。

    在linux系统中，设备也是以文件的形式存在，要对该设备进行操作就必须先打开这个文件，打开文件就会获得文件描述符，它是个很小的正整数。每个进程在PCB（Process Control Block）中保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，每个表项都有一个指向已打开文件的指针。文件描述符的优点：兼容POSIX标准，许多Linux和UNIX系统调用都依赖于它。文件描述符的缺点：不能移植到UNIX以外的系统上去，也不直观。

pipe

在Linux上，使用POSIX的condition+mutex，也能完成线程间通知，但是这种方式在linux中用得相对较少，而是大量使用pipe，创建两个fd(writeFD,readFD)。当线程1想唤醒线程2的时候，就可以往writeFD中写数据，这样线程2阻塞在readFD中就能返回。

我之前及其没搞明白为何要使用pipe，后来突然想明白了。因为Linux上阻塞的方法就是用select,poll和epoll，其中等待的都是FD，那么采用FD这种方式，能够统一调用方法。

Linux上阻塞的方法

首先我们来定义流的概念，一个流可以是文件，socket，pipe等等可以进行I/O操作的内核对象。

    不管是文件，还是套接字，还是管道，我们都可以把他们看作流。

    之后我们来讨论I/O的操作，通过read，我们可以从流中读入数据；通过write，我们可以往流写入数据。现在假定一个情形，我们需要从流中读数据，但是流中还没有数据，（典型的例子为，客户端要从socket读如数据，但是服务器还没有把数据传回来），这时候该怎么办？

• 阻塞：阻塞是个什么概念呢？比如某个时候你在等快递，但是你不知道快递什么时候过来，而且你没有别的事可以干（或者说接下来的事要等快递来了才能做）；那么你可以去睡觉了，因为你知道快递把货送来时一定会给你打个电话（假定一定能叫醒你）。

 

• 非阻塞忙轮询：接着上面等快递的例子，如果用忙轮询的方法，那么你需要知道快递员的手机号，然后每分钟给他挂个电话："你到了没？"

 

很明显一般人不会用第二种做法，不仅显很无脑，浪费话费不说，还占用了快递员大量的时间。

大部分程序也不会用第二种做法，因为第一种方法经济而简单，经济是指消耗很少的CPU时间，如果线程睡眠了，就掉出了系统的调度队列，暂时不会去瓜分CPU宝贵的时间片了。

缓冲区

    为了了解阻塞是如何进行的，我们来讨论缓冲区，以及内核缓冲区，最终把I/O事件解释清楚。

缓冲区的引入是为了减少频繁I/O操作而引起频繁的系统调用（你知道它很慢的），当你操作一个流时，更多的是以缓冲区为单位进行操作，这是相对于用户空间而言。对于内核来说，也需要缓冲区。

假设有一个管道，进程A为管道的写入方，Ｂ为管道的读出方。

 

1. 假设一开始内核缓冲区是空的，B作为读出方，被阻塞着。然后首先A往管道写入，这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态，内核就会产生一个事件告诉Ｂ该醒来了，这个事件姑且称之为" 缓冲区非空"。

 

1. 但是" 缓冲区非空"事件通知B后，B却还没有读出数据；且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候，Ａ写入的数据会滞留在内核缓冲区中，如果内核也缓冲区满了，B仍未开始读数据，最终内核缓冲区会被填满，这个时候会产生一个I/O事件，告诉进程A，你该等等（阻塞）了，我们把这个事件定义为" 缓冲区满"。

 

1. 假设后来Ｂ终于开始读数据了，于是内核的缓冲区空了出来，这时候内核会告诉A，内核缓冲区有空位了，你可以从长眠中醒来了，继续写数据了，我们把这个事件Y1叫做" 缓冲区非满"。

 

1. 也许事件Y1已经通知了A，但是A也没有数据写入了，而Ｂ继续读出数据，直到内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉B，你需要阻塞了！，我们把这个时间定为" 缓冲区空"。

 

这四个情形涵盖了四个I/O事件，缓冲区满，缓冲区空，缓冲区非空，缓冲区非满（注：都是说的内核缓冲区，且这四个术语都是我生造的，仅为解释其原理而造）。这四个I/O事件是进行阻塞同步的根本。

 

select/poll

然后我们来说说阻塞I/O的缺点。阻塞I/O模式下，一个线程只能处理一个流的I/O事件。如果想要同时处理多个流，要么多进程(fork)，要么多线程(pthread_create)，很不幸这两种方法效率都不高。

 

    于是再来考虑非阻塞忙轮询的I/O方式，我们发现我们可以同时处理多个流了（把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论）：

while true {
    for i in stream[]; {
        if i has data
            read until unavailable
    }
}

 

我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍，又从头开始。这样就可以处理多个流了，但这样的做法显然不好，因为如果所有的流都没有数据，那么只会白白浪费CPU。这里要补充一点，阻塞模式下，内核对于I/O事件的处理是阻塞或者唤醒，而非阻塞模式下则把I/O事件交给其他对象（后文介绍的select以及epoll）处理甚至直接忽略。

 

    为了避免CPU空转，可以引进了一个代理（一开始有一位叫做select的代理，后来又有一位叫做poll的代理，不过两者的本质是一样的）。这个代理比较厉害，可以同时观察许多流的I/O事件，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中醒来，于是我们的程序就会轮询一遍所有的流（于是我们可以把"忙"字去掉了）。代码长这样:

while true {
    select(streams[])
    for i in streams[] {
        if i has data
            read until unavailable
    }
}

 

于是，如果没有I/O事件产生，我们的程序就会阻塞在select处。但是依然有个问题，我们从select那里仅仅知道了，有I/O事件发生了，但却并不知道是那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。

 

但是使用select，我们有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，每一次无差别轮询时间就越长。再次说了这么多，终于能好好解释epoll了。

epoll

epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(1)）

 

epoll支持四类事件，分别是EPOLLIN(句柄可读)、EPOLLOUT(句柄可写),EPOLLERR(句柄错误)、EPOLLHUP(句柄断)。

 

在讨论epoll的实现细节之前，先把epoll的相关操作列出：

• epoll_create 创建一个epoll对象，一般epollfd = epoll_create()
• epoll_ctl （epoll_add/epoll_del的合体），往epoll对象中增加/删除某一个流的某一个事件
  • epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//注册缓冲区非空事件，即有数据流入
  • epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//注册缓冲区非满事件，即流可以被写入
• epoll_wait(epollfd,...)等待直到注册的事件发生

（注：当对一个非阻塞流的读写发生缓冲区满或缓冲区空，write/read会返回-1，并设置errno=EAGAIN。而epoll只关心缓冲区非满和缓冲区非空事件）。

 

一个epoll模式的代码大概的样子是：

while true {
    active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
    for i in active_stream[] {
        read or write till
    }
}

 

    限于篇幅，我只说这么多，以揭示原理性的东西，至于epoll的使用细节，请参考man和google，实现细节，请参阅linux kernel source。

 

1.Android中为什么主线程不会因为Looper.loop()里的死循环卡死？

这里涉及线程，先说说说进程/线程，进程：每个app运行时前首先创建一个进程，该进程是由Zygote fork出来的，用于承载App上运行的各种Activity/Service等组件。进程对于上层应用来说是完全透明的，这也是google有意为之，让App程序都是运行在Android Runtime。大多数情况一个App就运行在一个进程中，除非在AndroidManifest.xml中配置Android:process属性，或通过native代码fork进程。

线程：线程对应用来说非常常见，比如每次new Thread().start都会创建一个新的线程。该线程与App所在进程之间资源共享，从Linux角度来说进程与线程除了是否共享资源外，并没有本质的区别，都是一个task_struct结构体，在CPU看来进程或线程无非就是一段可执行的代码，CPU采用CFS调度算法，保证每个task都尽可能公平的享有CPU时间片。

有了这么准备，再说说死循环问题：

对于线程既然是一段可执行的代码，当可执行代码执行完成后，线程生命周期便该终止了，线程退出。而对于主线程，我们是绝不希望会被运行一段时间，自己就退出，那么如何保证能一直存活呢？简单做法就是可执行代码是能一直执行下去的，死循环便能保证不会被退出，例如，binder线程也是采用死循环的方法，通过循环方式与不同Binder驱动进行读写操作，当然并非简单地死循环，无消息时会休眠。但这里可能又引发了另一个问题，既然是死循环又如何去处理其他事务呢？通过创建新线程的方式。

真正会卡死主线程的操作是在回调方法onCreate/onStart/onResume等操作时间过长，会导致掉帧，甚至发生ANR，looper.loop本身不会导致应用卡死。

 

ActivityThread的main源码：

    public static void main(String[] args) {
        ......(省略)

        Looper.prepareMainLooper();

        ActivityThread thread = new ActivityThread();
        thread.attach(false);

        if (sMainThreadHandler == null) {
            sMainThreadHandler = thread.getHandler();
        }

        if (false) {
            Looper.myLooper().setMessageLogging(new
                    LogPrinter(Log.DEBUG, "ActivityThread"));
        }

        // End of event ActivityThreadMain.
        Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
        Looper.loop();// 会死循环，从而使主线程一直运行下去

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

 

 

2.没看见哪里有相关代码为这个死循环准备了一个新线程去运转？

事实上，会在进入死循环之前便创建了新binder线程，在代码ActivityThread.main()中：

public static void main(String[] args) {
        ....

        //创建Looper和MessageQueue对象，用于处理主线程的消息
        Looper.prepareMainLooper();

        //创建ActivityThread对象
        ActivityThread thread = new ActivityThread(); 

        //建立Binder通道 (创建新线程)
        thread.attach(false);

        Looper.loop(); //消息循环运行
        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
    }

 

thread.attach(false)；便会创建一个Binder线程（具体是指ApplicationThread，Binder的服务端，用于接收系统服务AMS发送来的事件），该Binder线程通过Handler将Message发送给主线程，具体过程可查看 startService流程分析，这里不展开说，简单说Binder用于进程间通信，采用C/S架构。关于binder感兴趣的朋友，可查看我回答的另一个知乎问题：
为什么Android要采用Binder作为IPC机制？ - Gityuan的回答

另外，ActivityThread实际上并非线程，不像HandlerThread类，ActivityThread并没有真正继承Thread类，只是往往运行在主线程，给人以线程的感觉，其实承载ActivityThread的主线程就是由Zygote fork而创建的进程。

3.主线程的死循环一直运行是不是特别消耗CPU资源呢？

其实不然，这里就涉及到Linux pipe/epoll机制，简单说就是在主线程的MessageQueue没有消息时，便阻塞在loop的queue.next()中的nativePollOnce()方法里，详情见Android消息机制1-Handler(Java层)，此时主线程会释放CPU资源进入休眠状态，直到下个消息到达或者有事务发生，通过往pipe管道写端写入数据来唤醒主线程工作。这里采用的epoll机制，是一种IO多路复用机制，可以同时监控多个描述符，当某个描述符就绪(读或写就绪)，则立刻通知相应程序进行读或写操作，本质同步I/O，即读写是阻塞的。 所以说，主线程大多数时候都是处于休眠状态，并不会消耗大量CPU资源。

 

4.Activity的生命周期是怎么实现在死循环体外能够执行起来的？

ActivityThread的内部类H继承于Handler，通过handler消息机制，简单说Handler机制用于同一个进程的线程间通信。

Activity的生命周期都是依靠主线程的Looper.loop，当收到不同Message时则采用相应措施：
在H.handleMessage(msg)方法中，根据接收到不同的msg，执行相应的生命周期。

比如收到msg=H.LAUNCH_ACTIVITY，则调用ActivityThread.handleLaunchActivity()方法，最终会通过反射机制，创建Activity实例，然后再执行Activity.onCreate()等方法；
再比如收到msg=H.PAUSE_ACTIVITY，则调用ActivityThread.handlePauseActivity()方法，最终会执行Activity.onPause()等方法。 上述过程，我只挑核心逻辑讲，真正该过程远比这复杂。

主线程的消息又是哪来的呢？

当然是App进程中的其他线程通过Handler发送给主线程，请看接下来的内容：

最后，从进程与线程间通信的角度，通过一张图加深大家对App运行过程的理解：

system_server进程是系统进程，java framework框架的核心载体，里面运行了大量的系统服务，比如这里提供ApplicationThreadProxy（简称ATP），ActivityManagerService（简称AMS），这个两个服务都运行在system_server进程的不同线程中，由于ATP和AMS都是基于IBinder接口，都是binder线程，binder线程的创建与销毁都是由binder驱动来决定的。

App进程则是我们常说的应用程序，主线程主要负责Activity/Service等组件的生命周期以及UI相关操作都运行在这个线程； 另外，每个App进程中至少会有两个binder线程 ApplicationThread(简称AT)和ActivityManagerProxy（简称AMP），除了图中画的线程，其中还有很多线程，比如signal catcher线程等，这里就不一一列举。

Binder用于不同进程之间通信，由一个进程的Binder客户端向另一个进程的服务端发送事务，比如图中线程2向线程4发送事务；而handler用于同一个进程中不同线程的通信，比如图中线程4向主线程发送消息。

结合图说说Activity生命周期，比如暂停Activity，流程如下：

1. 线程1的AMS中调用线程2的ATP；（由于同一个进程的线程间资源共享，可以相互直接调用，但需要注意多线程并发问题）
2. 线程2通过binder传输到App进程的线程4；
3. 线程4通过handler消息机制，将暂停Activity的消息发送给主线程；
4. 主线程在looper.loop()中循环遍历消息，当收到暂停Activity的消息时，便将消息分发给ActivityThread.H.handleMessage()方法，再经过方法的调用，最后便会调用到Activity.onPause()，当onPause()处理完后，继续循环loop下去。