Android通信方式篇（一）-消息机制（Java层）

Android从某种意义上看是一个以消息驱动的系统，内部含有大量以消息驱动的当时进行的交互，比如四大组件的启动、又比如常见的将子线程的任务切换到Handler所在的主线程中执行等等，它属于进程内部的一种通信方式。这篇文章就对android的消息机制做一个简单的梳理。

一、关键类简介

消息机制主要涉及Looper/MessageQueue/Message/Handler/ThreadLocal这几个类。

• Looper：消息泵。一个死循环，有消息来就处理，没有消息就等待。一个线程最多只能有一个Looper对象，一个Looper对应管理此线程的MessageQueue，两者一一对应。

• MessageQueue：消息队列。内部存储了一组消息，以队列的形式对外提供向消息池投递消息(MessageQueue.enqueueMessage)和取走消息(MessageQueue.next)的工作，内部采用单链表的数据结构来存储消息列表。

• Message：消息。分为硬件产生的消息(如按钮、触摸)和软件生成的消息。

• Handler：消息处理者。主要向消息池发送各种消息事件(Handler.sendMessage)和处理相应消息事件(Handler.handleMessage)；

• ThreadLocal：一个线程内部的数据存储类。保证线程内部数据在各线程间相互独立。

先看看消息机制整体流程：

from gityuan

二、源码分析

2.1 Looper

Looper的字面意思是“循环者”，它被设计用来使一个普通线程变成Looper线程。所谓Looper线程就是循环工作的线程。

主要方法有两个：

1) prepare() : 使Thread变成looper线程，具备循环的能力

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));
}

看这个方法，就是创建一个Looper放到当前Thread对应的sThreadLocal里去。ThreadLocal前面讲过，它主要作用就是让线程间存储数据相互独立，显然这里它保证的是线程对应的 Looper一一对应且相互独立。

我们再看看Looper的构造方法：

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

Looper内包含了一个初始化的MessageQueue，也关联了当前的Thread。
那么总结下关系就是：一个Thread对应的ThreadLocal保持了对应的Looper，而Looper关联了MessageQueue与当前Thread。

2) loop():

public static void loop() {
    final Looper me = myLooper();//获取当前线程本地存储区存储的 Looper对象
    if (me == null) {
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
    }
    final MessageQueue queue = me.mQueue;//获取Looper对象对应的消息队列
    Binder.clearCallingIdentity();
    final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
    for (;;) {//looper主循环方法，是个死循环
        Message msg = queue.next(); // 取走消息池的消息去处理，可能会阻塞
        ...
        try {
            msg.target.dispatchMessage(msg);//分发Message
        } 
         ...
        msg.recycleUnchecked();//将消息放入消息池
    }
}

loop()进入循环模式，不断重复下面的操作，直到没有消息时退出循环

• 读取MessageQueue的下一条Message； Message msg = queue.next();
• 把Message分发给相应的target；msg.target.dispatchMessage(msg)；
• 再把分发后的Message回收到消息池，以便重复利用。msg.recycleUnchecked()；

总结： Looper主要就是让线程具备消息泵的循环能力，仅此而已。

from Jeanboydev

2.2MessageQueue

MessageQueue看名字像是一个队列, 其实是以链表的形式保存message。其次，MessageQueue是消息机制的Java层和C++层的连接纽带，大部分核心方法都交给native层来处理。

例如消息的阻塞处理：

private native void nativePollOnce(long ptr, int timeoutMillis); /*non-static for callbacks*/

在此我先只关心几个方法：

1) next():

之前在Looper 的loop()死循环中见过此方法，作用是取出消息进行处理，而且有可能会阻塞。
下面我们来看看源码，方法稍微有点长：

Message next() {
    final long ptr = mPtr;
    if (ptr == 0) {//当消息循环已经退出，直接返回
        return null;
    }
    int pendingIdleHandlerCount = -1; // 循环迭代的首次为-1
    int nextPollTimeoutMillis = 0;
    for (;;) {
        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
            Binder.flushPendingCommands();
        }
       //阻塞操作，当等待nextPollTimeoutMillis时长，或者消息队列被唤醒，都会返回
        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
        synchronized (this) {
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages;
            if (msg != null && msg.target == null) {
                do {
                    prevMsg = msg;
                    msg = msg.next;
                } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
            }
            if (msg != null) {
                if (now < msg.when) {
                    //当异步消息触发的时间大于当前时间，则设置下一次轮询的超时时长
                    nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                } else {
                    //获取一条消息
                    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，当nextPollTimeoutMillis = -1时，表示消息队列中无消息，会一直等待下去
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }
            // 消息正在退出,返回null
            if (mQuitting) {
                dispose();
                return null;
            }
            //当消息队列为空，或者是消息队列的第一个消息时
            if (pendingIdleHandlerCount < 0
                    && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
                pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
            }
            if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
               //没有idle handlers 需要运行，则循环并等待。
                mBlocked = true;
                continue;
            }
            if (mPendingIdleHandlers == null) {
                mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
            }
            mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
        }
        //只有第一次循环时，会运行idle handlers，执行完成后，重置pendingIdleHandlerCount为0.
        for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
            final IdleHandler idler = mPendingIdleHandlers[i];
            mPendingIdleHandlers[i] = null; //去掉handler的引用
            boolean keep = false;
            try {
                keep = idler.queueIdle();//idle时执行的方法
            } catch (Throwable t) {
                Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
            }
            if (!keep) {
                synchronized (this) {
                    mIdleHandlers.remove(idler);
                }
            }
        }
       //重置idle handler个数为0，以保证不会再次重复运行
        pendingIdleHandlerCount = 0;
       //当调用一个空闲handler时，一个新message能够被分发，因此无需等待可以直接查询pending message.
        nextPollTimeoutMillis = 0;
    }
}

nativePollOnce是阻塞操作，其中nextPollTimeoutMillis代表下一个消息到来前，还需要等待的时长；当nextPollTimeoutMillis = -1时，表示消息队列中无消息，会一直等待下去。

当处于空闲时，往往会执行IdleHandler中的方法。当nativePollOnce()返回后，next()从mMessages中提取一个消息。
nativePollOnce()在native做了大量的工作。

2) enqueueMessage:

该方法是添加一条消息到消息队列，下面具体来看看实现：

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
    // 每一个普通Message必须有一个target
    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) {//正在退出时，回收msg，加入到消息池
            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) {
           //p==null代表MessageQueue没消息，或者msg的触发时间是队列中最早的，则进入该分支
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
            needWake = mBlocked;//当阻塞时需要唤醒
        } else {
      //将消息按时间顺序插入到MessageQueue。一般地，不需要唤醒事件队列，除非   
     //消息队头存在barrier，并且同时Message是队列中最早的异步消息。
            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;
        }
        // 消息没有退出，我们认为此时mPtr != 0
        if (needWake) {
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
    return true;
}

MessageQueue是按照Message触发时间的先后顺序排列的，队头的消息是将要最早触发的消息。当有消息需要加入消息队列时，会从队列头开始遍历，直到找到消息应该插入的合适位置，以保证所有消息的时间顺序。

3) removeMessage:

方法顾名思义，从MessageQueue中移除消息：

void removeMessages(Handler h, int what, Object object) {
    if (h == null) {
        return;
    }
    synchronized (this) {
        Message p = mMessages;
       //从消息队列头部开始，移除所有符合条件的消息
        while (p != null && p.target == h && p.what == what
               && (object == null || p.obj == object)) {
            Message n = p.next;
            mMessages = n;
            p.recycleUnchecked();
            p = n;
        }
       //移除剩余的符合要求的消息
        while (p != null) {
            Message n = p.next;
            if (n != null) {
                if (n.target == h && n.what == what
                    && (object == null || n.obj == object)) {
                    Message nn = n.next;
                    n.recycleUnchecked();
                    p.next = nn;
                    continue;
                }
            }
            p = n;
        }
    }
}

这个移除消息的方法，采用了两个while循环，第一个循环是从队头开始，移除符合条件的消息，第二个循环是从头部移除完连续的满足条件的消息之后，再从队列后面继续查询是否有满足条件的消息需要被移除。

4) postSyncBarrier和removeSyncBarrier

拦截同步消息和取消拦截，可以自行研究。

总结：MessageQueue就是一个链表结构的消息池，内部按照Message触发时间的先后顺序排列，提供基本的投递、获取、删除消息的功能。

from Jeanboydev

2.3 Message

message 其实就是对消息封装的对象。针对它，主要了解的是消息池的概念，以及获取消息和回收消息的两个方法。

1. 消息池：

message引入了消息池，这样的好处是，当消息池不为空时，可以直接从消息池中获取Message对象，而不是直接创建，提高效率。类似于设计模式中享元模式这么一个概念。

静态变量sPool的数据类型为Message，通过next成员变量，维护一个消息池；静态变量MAX_POOL_SIZE代表消息池的可用大小；消息池的默认大小为50。

2. 消息池的主要操作obtain()和recycle()。

• obtain方法：从消息池中获取消息

public static Message obtain() {
    synchronized (sPoolSync) {
        if (sPool != null) {
            Message m = sPool;
            sPool = m.next;
            m.next = null;//从sPool中取出一个Message对象，并让消息链断开
            m.flags = 0; // 清除in-use flag
            sPoolSize—;//消息池的可用大小进行-1操作
            return m;
        }
    }
    return new Message();  //当消息池为空，则直接创建Message对象
}

obtain(): 从消息池取Message，都是把消息池表头的Message取走，再把表头指向next;

• recycle方法：把不再使用的消息加入消息池

public void recycle() {
    if (isInUse()) {//判断消息是否正在使用
        if (gCheckRecycle) {// 版本>Android5.0 = true  版本<=Android5.0 = false
            throw new IllegalStateException("This message cannot be recycled because it "
                    + "is still in use.");
        }
        return;
    }
    recycleUnchecked();
}
//对于不再使用的消息，加入消息池
void recycleUnchecked() {
//将消息标志位设为IN_USE,并清空消息所有参数
    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) {//当消息池没有满时，将Message对象加入消息池
        if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
            next = sPool;
            sPool = this;
            sPoolSize++;//消息池可用大小+1
        }
    }
}

recycle(): 将Message加入到消息池的过程，都是把Message加到链表的表头；

总结: Message 就是消息对象本身，内部有对象池，能一定程度优化频繁创建和销毁消息带来的性能问题。

2.4 Handler

Handler是消息处理者，由它发起消息操作。主要扮演了往MessageQueue上添加消息和处理消息的角色。

首先看看Handler的构造方法：

public class Handler {
final Looper mLooper;
final MessageQueue mQueue;
final Callback mCallback;
public Handler(Callback callback, boolean async) {
    if (FIND_POTENTIAL_LEAKS) {
        final Class 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(); //默认关联当前线程的Looper
    if (mLooper == null) {
        throw new RuntimeException(
            "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
    }
    mQueue = mLooper.mQueue;//关联当前线程Looper对应的MessageQueue
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;
   }
}

那么我们知道了，Handler在哪个线程被创建就属于哪个线程，就为哪个线程服务，因为关联的是当前线程的Looper，操作的也就是当前线程的MessageQueue

Handler发送和处理消息：

Handler最核心的功能就两个，一个是向MessageQueue发送消息，一个是处理MessageQueue分发出来的消息。

1) 发送消息：

handler有许多发送消息的方法：

post(Runnable)
postAtTime(Runnable, long)
postDelayed(Runnable, long)
sendEmptyMessage(int)
sendMessage(Message)
sendMessageAtTime(Message, long)
sendMessageDelayed(Message, long)

光看这些方法参数你可能会觉得handler能发两种消息，一种是Runnable对象，一种是message对象，这是直观的理解，但其实post发出的Runnable对象最后都被封装成message对象了。

以post（）方法为例：

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

最终还是封装成了Message,而且还是从Message的消息池里取的。

另外，这些发送消息的方法最终都会走到如下方法：

private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
    msg.target = this;//把当前msg的target与当前Handler一一对应
    if (mAsynchronous) {//这个值是在Handler的构造方法中设置是否异步
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);//最终发送消息
}

2) 处理消息

消息的处理是通过核心方法dispatchMessage与钩子方法handleMessage完成的

在Looper的 loop() 方法中：
msg.target.dispatchMessage(msg); 也就是执行当前Hanlder的dispatchMessage(msg)方法：

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

都是回调方法的处理，逻辑很明显，不赘述了。

最后一张图看整个Java层面消息处理流程：

from Jeanboydev