Android Handler与Looper原理简析

转自 https://juejin.im/post/59083d7fda2f60005d14efdb

本文分析下Android的消息处理机制，主要是针对Handler、Looper、MessageQueue组成的异步消息处理模型，先主观想一下这个模型需要的材料：

• 消息队列：通过Handler发送的消息并是即刻执行的，因此需要一个队列来维护
• 工作线程：需要一个线程不断摘取消息，并执行回调，这种线程就是Looper线程
• 互斥机制，会有不同的线程向同一个消息队列插入消息，这个时候就需要同步机制进行保证
• 空消息队列时候的同步机制，生产者消费者模型

上面的三个部分可以简单的归结为如下图：

image.png

APP端UI线程都是Looper线程，每个Looper线程中维护一个消息队列，其他线程比如Binder线程或者自定义线程，都能通过Handler对象向Handler所依附消息队列线程发送消息，比如点击事件，都是通过InputManagerService处理后，通过binder通信，发送到App端Binder线程，再由Binder线程向UI线程发送送Message，其实就是通过Handler向UI的MessageQueue插入消息，与此同时，其他线程也能通过Handler向UI线程发送消息，显然这里就需要同步，以上就是Android消息处理模型的简单描述，之后跟踪源码，浅析一下具体的实现，以及里面的一些小手段，首先，从Handler的常见用法入手，分析其实现原理，

Handler的一种基本用法--消息Message的插入

      <关键点1>
    Handler hanlder=new Handler();
    <关键点2>
    hanlder.post(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            //TODO 
        }
    });

这里有两个点需要注意，先看关键点1，Handler对象的创建，直观来看可能感觉不到有什么注意的地方，但是如果你在普通线程创建Handler，就会遇到异常，因为普通线程是不能创建Handler对象的，必须是Looper线程才能创建，才有意义，可以看下其构造函数：

public Handler(Callback callback, boolean async) {

    mLooper = Looper.myLooper();
    if (mLooper == null) {
        throw new RuntimeException(
            "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
    }
    mQueue = mLooper.mQueue;
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;
}

从上面的代码可以看出，Looper.myLooper()必须非空，否则就会抛出 RuntimeException异常，Looper.myLooper()什么时候才会非空？

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

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));
}

上面的两个函数牵扯到稍微拧巴的数据存储模型，不分析，只要记住只有调用过Looper.prepare的线程，才会生成一个线程单利的Looper对象，Looper.prepare只能调用一次，再次调用会抛出异常。其实prepare的作用就是新建一个Looper对象，而在new Looper对象的时候，会创建关键的消息队列对象：

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

之后，一个线程就有了MessageQueue，虽然还没有调用Loop.loop()将线程变成loop线程，但是new Handler已经没问题。接着看hanlder.post函数，它将会创建一个Message(如果需要)，并将Message插入到MessageQueue，供loop线程摘取并执行。

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

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

// 静态方法，同步
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();
}

上面的Message新建流程，其实主要是涉及了一个Message线程池，默认线程池大小50，当然，不采用线程池，全部新建Message也是可以的，采用线程池主要是为了提高效率，避免重复创建对象，因为Handler与Message的时候实在是太频繁了，Message线程池消息池常用的方法有两个：obtain()和recycle()，前者是用于从线程池取出一个干净的Message，而后者是用于将使用完的Message清理干净，并放回线程池，当然以上方法都是需要同步的。之后，通过Looper对象将Message插入到MessageQueue，Handler发消息最终都会调用sendMessageAtTime函数

 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);
}

mAsynchronous可以先不关心，我们使用的一般是mAsynchronous=false的，可以看到，Handler最后通过MessageQueue的enqueueMessage函数来进行插入，

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.");
        }
      // 需要同步
    synchronized (this) {
        msg.markInUse();
        msg.when = when;
        Message p = mMessages;
        boolean needWake;
        if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
        
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
            needWake = mBlocked;
        } else {
        
            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;
        }
        
        if (needWake) {
            nativeWake(mPtr);
        } }
    return true; }

很明显enqueueMessage需要同步,因为存在多个线程往一个Loop线程的MessageQueue中插入消息的场景。 这里其实是将Message根据延时插入到特定的地方，先看下关键点1，mMessages其实代表消息队列的头部，如果mMessages为空，说明还没有消息，如果当前插入的消息不需要延时，或者说延时比mMessages头消息的延时要小，那么当前要插入的消息就需要放在头部，至于是否需要唤醒队列，则需要根据当前的Loop线程的状态来判断，后面讲Loop线程的时候再回过头说；再来看下关键点2，这个时候需要将消息插入到队列中间，其实就是找到第一个Delay事件小于当前Message的非空Message，并插入到它的前面，往队列中插入消息时，如果Loop线程在睡眠，是不应该唤醒的，异步消息的处理会更加特殊一些，先不讨论。最后看关键点3，如果需要唤醒Loop线程，通过nativeWake唤醒，以上，普通消息的插入算结束了，接下来看一下消息的执行。

MessageQueue中Message消息的执行

在消息的发送部分已经消息模型的两个必要条件：消息队里+互斥机制，接下来看一下其他两个条件，Loop线程+消费者模型的同步机制。MessageQueue只有同Loop线程（死循环线程）配合起来才有意义，普通线程必须可以通过Looper的loop函数变成Loop线程，loop函数除了是个死循环，还包含了从MessageQueue摘取消息并执行的逻辑。看一下这个函数：

public static void loop() {
  `
    final Looper me = myLooper();
    if (me == null) {
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
    }
    ...
    
    for (;;) {
    
        Message msg = queue.next(); // might block
        if (msg == null) {
          // No message indicates that the message queue is quitting.
            return;
        }
    
        msg.target.dispatchMessage(msg);
    ...
    
        msg.recycleUnchecked();
    }
}

先看下关键点1，它要确保当前线程已经调用过Looper.prepare函数，并且准备好了MessageQueue消息队列；再看关键点2，其实就是将线程化身成Looper线程，变成死循环，不断的读取执行消息；关键点3，就是从MessageQueue摘取消息的函数，如果当前消息队列上没有消息，Loop线程就会进入阻塞，直到其他线程插入消息，唤醒当前线程。如果消息读取成功，就走到关键点4，执行target对象的回调函数，执行完毕，进入关键点5，回收清理Message对象，放入Message缓存池。直接看关键点3，消息的摘取与阻塞：

   Message next() {

        int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
        int nextPollTimeoutMillis = 0;
        for (;;) {
           
            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) {
                        // 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;
                        msg.markInUse();
                        return msg;
                    }
                } else {
           
                    nextPollTimeoutMillis = -1;
                }         
          
                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);
            }
            
            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);
                    }
                }
            }
           
            pendingIdleHandlerCount = 0;
            nextPollTimeoutMillis = 0;
        }
    }

先看下关键点1 nativePollOnce，这是个native函数，其主要作用是设置一个定时的睡眠，其参数timeoutMillis，不同的值意义不同

• timeoutMillis =0 ：无需睡眠，直接返回
• timeoutMillis >0 ：睡眠如果超过timeoutMillis，就返回
• timeoutMillis =-1：一直睡眠，知道其他线程唤醒它

next函数中，nextPollTimeoutMillis初始值=0 ，所以for循环第一次是一定不会阻塞的，如果能找到一个Delay倒计时结束的消息，就返回该消息，否则，执行第二次循环，睡眠等待，直到头部第一个消息Delay时间结束，所以next函数一定会返回一个Message对象。再看MessageQueue的nativePollOnce函数之前，先走通整个流程，接着看关键点2，这里其实是牵扯到一个互斥的问题，防止多个线程同时从消息队列取消息，关键点3主要是看看是否需要处理异步消息，关键点4，是常用的入口，看取到的消息是不是需要立即执行，需要立即执行的就返回当前消息，如果需要等待，计算出等待时间。最后，如果需要等待，还要查看，IdleHandler列表是否为空，不为空的话，需要处理IdleHandler列表，最后，重新计算一遍。

接着分析nativePollOnce函数，该函数可以看做睡眠阻塞的入口，该函数是一个native函数，牵扯到native层的Looper与MessageQueue，因为java层的MessageQueue只是一个简单的类，没有处理睡眠与唤醒的机制，首先看一下Java层MessageQueue构造函数，这里牵扯到后面的线程阻塞原理：

MessageQueue(boolean quitAllowed) {
    mQuitAllowed = quitAllowed;
    mPtr = nativeInit();
}

MessageQueue的nativeInit函数在Native层创建了NativeMessageQueue与Looper，不过对于Java层来说，Native层的NativeMessageQueue只用来处理线程的睡眠与唤醒，Java层发送的消息还是在Java层被处理：

static jlong android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = new NativeMessageQueue();
    if (!nativeMessageQueue) {
        jniThrowRuntimeException(env, "Unable to allocate native queue");
        return 0;
    }

    nativeMessageQueue->incStrong(env);
    return reinterpret_cast(nativeMessageQueue);
}

NativeMessageQueue::NativeMessageQueue() :
        mPollEnv(NULL), mPollObj(NULL), mExceptionObj(NULL) {
    mLooper = Looper::getForThread();
    if (mLooper == NULL) {
        mLooper = new Looper(false);
        Looper::setForThread(mLooper);
    }
}

Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) :
        mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks), mSendingMessage(false),
        mPolling(false), mEpollFd(-1), mEpollRebuildRequired(false),
        mNextRequestSeq(0), mResponseIndex(0), mNextMessageUptime(LLONG_MAX) {
    
    
    mWakeEventFd = eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC);

    AutoMutex _l(mLock);
    rebuildEpollLocked();
}

void Looper::rebuildEpollLocked() {
if (mEpollFd >= 0) {
    close(mEpollFd);
}
mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);

struct epoll_event eventItem;
memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event)); // zero out unused members of data field union
eventItem.events = EPOLLIN;
eventItem.data.fd = mWakeEventFd;
int result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeEventFd, & eventItem);

for (size_t i = 0; i < mRequests.size(); i++) {
    const Request& request = mRequests.valueAt(i);
    struct epoll_event eventItem;
    request.initEventItem(&eventItem);
    int epollResult = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, request.fd, & eventItem);
    if (epollResult < 0) {
        ALOGE("Error adding epoll events for fd %d while rebuilding epoll set: %s",
              request.fd, strerror(errno));
    }
}

}

看一下关键点1，这里其实是采用了Linux的新API，这里用的是7.0的源码，eventfd函数会创建一个eventfd，这是一个计数器相关的fd，计数器不为零是有可读事件发生，read以后计数器清零，write递增计数器；返回的fd可以进行如下操作：read、write、select(poll、epoll)、close，现在我们知道了，Native层有也有一套MessageQueue与Looper，简单看一下Java层如何使用Native层对象的，接着走nativePollOnce

static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env, jobject obj,
        jlong ptr, jint timeoutMillis) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast(ptr);
    nativeMessageQueue->pollOnce(env, obj, timeoutMillis);
}

void NativeMessageQueue::pollOnce(JNIEnv* env, jobject pollObj, int timeoutMillis) {
    mPollEnv = env;
    mPollObj = pollObj;
    mLooper->pollOnce(timeoutMillis);
    mPollObj = NULL;
    mPollEnv = NULL;

}

所以最终调用Looper::pollOnce，Java层有自己的消息队列，pollOnce也没有更新Java层对象，那么Native层的消息队里对于Java层有什么用呢，其实只有睡眠与唤醒的作用，比如2.3之前的版本，Native层的MessageQueue都不具备发送消息的能力。不过后来Native添加了发送消息的功能，但是日常开发我们用不到，不过如果native层如果有消息，一定会优先执行native层的消息

int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData) {
    int result = 0;
            ...
        result = pollInner(timeoutMillis);
    }
}

pollInner 函数比较长，主要是通过利用epoll_wait监听上面的管道或者eventfd，等待超时或者其他线程的唤醒，不过多分析

     int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {

       mPolling = true;
        
        struct epoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS];
        int eventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);
         
        mPolling = false;
        mLock.lock();
                           for (int i = 0; i < eventCount; i++) {
            int fd = eventItems[i].data.fd;
            uint32_t epollEvents = eventItems[i].events;
            
            if (fd == mWakeEventFd) {
                if (epollEvents & EPOLLIN) {
                    awoken();
                } else { } } 
                else {
                  
                } }

以上牵扯到Linux中的epoll机制：epoll_create、epoll_ctl、epoll_wait、close等， 用一句话概括：线程阻塞监听多个fd句柄，其中一个fd有写入操作，当前线程就被唤醒。这里不用太过于纠结，只要理解，这是线程间通信的一种方式，为了处理多线程间生产者与消费者通信模型用的，看下7.0源码中native层实现的同步逻辑：

image.png

在更早的Android版本中，同步逻辑是利用管道通信实现的,不过思想是一致的，看一下4.3的代码

Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) :
        mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks), mSendingMessage(false),
        mResponseIndex(0), mNextMessageUptime(LLONG_MAX) {
    int wakeFds[2];
    int result = pipe(wakeFds);
    mWakeReadPipeFd = wakeFds[0];
    mWakeWritePipeFd = wakeFds[1];
    result = fcntl(mWakeReadPipeFd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
    result = fcntl(mWakeWritePipeFd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
    // Allocate the epoll instance and register the wake pipe.
    mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mEpollFd < 0, "Could not create epoll instance.  errno=%d", errno);

    struct epoll_event eventItem;
    memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event)); // zero out unused members of data field union
    eventItem.events = EPOLLIN;
    eventItem.data.fd = mWakeReadPipeFd;
    result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeReadPipeFd, & eventItem);
}

image.png

小结

• loop线程睡眠的原理 ：在MessageQueue中找到下一个需要执行的消息，没有消息的话，需要无限睡眠等待其他线程插入消息唤醒，如果有消息，计算出执行下一个消息需要等待的时间，阻塞等待，直到超时。
• Java层与Native层两份消息队列：Java层的主要是为了业务逻辑，native层，主要为了睡眠与唤醒
• 睡眠与唤醒的实现手段：早期版本通过管道，后来如6.0、7.0的版本，是通过eventfd来实现，思想一致。