本篇文章主要介绍以下几个知识点：
- Android 的消息机制概述
- Android 的消息机制分析
- 主线程的消息循环
Android 的消息机制主要是指 Handler 的运行机制，Handler 的运行需要底层的 MessageQueue 和 Looper 的支撑。
MessageQueue是消息队列，其内部存储了一组消息，以队列的形式对外提供插入和删除的工作。（采用单链表的数据结构来存储消息列表）
Looper是消息循环，以无限循环的形式去查找是否有消息，若有消息就处理，否则一直等待。
10.1 Android 的消息机制概述
Handler 的主要作用是将一个任务切换到某个指定的线程中去执行，Android 提供这个功能主要是为了解决在子线程中无法访问 UI 的矛盾。
问题 1：Android 为什么要提供 Handler 这个功能？
答：Android 规定访问 UI 只能在主线程中进行，若在子线程中会抛出异常：
void checkThread(){
if(mThread != Thread.currentThread()){
throw new CalledFromWrongThreadException("Only the original thread that created a view hierarchy can touch its views.");
}
}
但 Android 又不建议在主线程中进行耗时操作（会导致ANR)，从而提供 Handler 解决上面的矛盾。
问题 2：不允许在子线程中访问 UI ?
答：Android 的 UI 控件不是线程安全的。
Handler 的工作原理：
1. Handler 创建时会采用当前线程的 Looper 来构建内部的消息循环系统。
2. 通过Handler 的 post 方法将一个 Runnable 投递到 Handler 内部的 Looper 中去处理，或通过 Handler 的 send 方法发消息到 Looper 中去处理（post 方法最终也是通过 send 方法来完成）。
3. Handler 的 send 方法被调用时，它会调用 MessageQueue 的 enqueueMessage 方法将消息放入消息队列中，Looper 发现新消息时会处理，最终消息中的 Runnable 或 Handler 的 handleMessage 就会被调用。
10.2 Android 的消息机制分析
10.2.1 ThreadLocal 的工作原理
ThreadLocal 是一个线程内部的数据存储类，通过它可在指定的线程中存储数据，数据存储后，只能在指定线程中可获取存储的数据。
ThreadLocal 的使用场景：当某些数据是以线程为作用域并且不同线程具有不同的数据副本时；复杂逻辑下的对象传递。
下面举个例子来演示 ThreadLocal 的含义。
首先定义一个 Boolean 类型的 ThreadLocal 对象如下：
private ThreadLocal mBooleanThreadLocal = new ThreadLocal<>();
然后分别在主线程、子线程1、子线程2 中设置和访问它的值：
// 在主线程中设为 true
mBooleanThreadLocal.set(true);
LogUtils.e(TAG, "[Thread#main]mBooleanThreadLocal = " + mBooleanThreadLocal.get());
new Thread("Thread#1"){
@Override
public void run() {
// 在子线程1中设为 false
mBooleanThreadLocal.set(false);
LogUtils.e(TAG, "[Thread#1]mBooleanThreadLocal = " + mBooleanThreadLocal.get());
}
}.start();
new Thread("Thread#2"){
@Override
public void run() {
// 在子线程2中不设置
LogUtils.e(TAG, "[Thread#2]mBooleanThreadLocal = " + mBooleanThreadLocal.get());
}
}.start();
运行效果如下：
从上面的日志可看出，虽然在不同线程访问的是同一个 ThreadLocal 对象，但获取到的值却是不一样的，这就是它的奇妙之处。
上面效果，是因为不同线程访问同一个 ThreadLocal 的 get 方法，ThreadLocal 内部会从各自的线程中取出一个数组，再从数组中去查找出对应的 value 值。
下面分析 ThreadLocal 的内部实现。
ThreadLocal 是一个泛型类，其定义为public class ThreadLocal，只要清楚它的 get 和 set 方法就可明白其工作原理。
有兴趣的可以去看看其源码。。。
结论：在不同线程中访问同一个 ThreadLocal 的 get 和 set 方法，其所做的读写操作仅限于各自线程的内部，从而使 ThreadLocal 可在多个线程中互不干扰的存储和修改数据。
10.2.2 消息队列的工作原理
MessageQueue 含两个操作：插入 enqueueMessage 和读取 next （读取操作本身伴随着删除操作）。
首先看其 enqueueMessage 实现：
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
. . .
synchronized (this) {
. . .
msg.markInUse();
msg.when = when;
Message p = mMessages;
boolean needWake;
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;
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;
}
// We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
从 enqueueMessage 实现来看，其主要操作是单链表的插入操作，下面看 next 的实现：
Message next() {
. . .
int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
int nextPollTimeoutMillis = 0;
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
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 {
// 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;
}
. . .
}
. . .
}
}
可以发现 next 是一个无限循环的方法，若消息队列中无消息， next 方法会一直阻塞在这里。当有新消息时，next 方法会返回这条消息并将其从单链表中移除。
10.2.3 Looper 的工作原理
Looper 扮演着消息循环的角色，会不停地从 MessageQueue 中查看是否有新消息，若有会立刻处理，否则一直阻塞在那里。
首先看一下其构造方法：
private Looper(boolean quitAllowed) {
// 创建一个消息队列 MessageQueue
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
// 将当前线程的对象保存起来
mThread = Thread.currentThread();
}
接着看一下其最重要的一个方法 loop，只有调用了 loop 后消息循环系统才会起作用：
public static void loop() {
final Looper me = myLooper();
if (me == null) {
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
final MessageQueue queue = me.mQueue;
// Make sure the identity of this thread is that of the local process,
// and keep track of what that identity token actually is.
Binder.clearCallingIdentity();
final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
for (;;) {
Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
// This must be in a local variable, in case a UI event sets the logger
final Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
final long traceTag = me.mTraceTag;
if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
}
try {
msg.target.dispatchMessage(msg);
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
if (logging != null) {
logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
}
// Make sure that during the course of dispatching the
// identity of the thread wasn't corrupted.
final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity();
if (ident != newIdent) {
Log.wtf(TAG, "Thread identity changed from 0x"
+ Long.toHexString(ident) + " to 0x"
+ Long.toHexString(newIdent) + " while dispatching to "
+ msg.target.getClass().getName() + " "
+ msg.callback + " what=" + msg.what);
}
msg.recycleUnchecked();
}
}
loop 方法是一个死循环，唯一跳出循环的方式是 MessageQueue 的 next 方法返回了 null。
若 MessageQueue 返回了新消息，Looper 就会处理这条消息：
msg.target.dispatchMessage(msg)
这样 Handler 发送的消息最终又交给它的 dispatchMessage 方法来处理了。
Handler 的工作需要 Looper，没有 Looper 的线程就会报错，那如何为一个线程创建 Looper 呢？
其实很简单，如下：
new Thread(){
@Ovrttide
public void run(){
// 为当前线程创建一个 Looper
Looper.prepare();
Handler handler = new Handler();
// 开启消息循环
Looper.loop();
}
}.start();
Looper 除了 prepare 外，还提供了 prepareMainLooper 方法给主线程创建 Looper，其本质也是通过 prepare 实现的。
Looper 提供了 getMainLooper，可以在任何地方获取到主线程的 Looper。
Looper 提供两种方式退出：quit（直接退出）、quitSafely（设定一个退出标记，消息处理完毕后才安全退出）。
建议：不需要的时候终止 Looper。
10.2.4 Handler 的工作原理
Handler 的工作主要包含消息的发送和接收过程。
消息发送可通过 post(最终也是通过 send 完成) 及 send 方法来实现。其过程如下：
public final boolean sendMessage(Message msg) {
return sendMessageDelayed(msg, 0);
}
public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis) {
if (delayMillis < 0) {
delayMillis = 0;
}
return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}
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);
}
可以发现，Handler 发消息时向消息队列中插入一条消息，MessageQueue 的 next 方法返回这条消息给 Looper，Looper 收到消息并处理再交由 Handler 的 dispatchMessage 方法进入处理消息阶段：
public void dispatchMessage(Message msg) {
// 1. 检查 Message 的 callback 是否为 null
// 不为 null 就通过 handleCallback 来处理消息
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
// 2. 检查 mCallback 是否为 null
// 不为 null 就调用其 handleMessage 来处理消息
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
// 3. 调用 Handler 的 handleMessage 来处理消息
handleMessage(msg);
}
}
其中 handleCallback 逻辑如下：
private static void handleCallback(Message message){
message.callback.run();
}
其中 mCallback 是个接口，定义如下：
/**
* 可以用来创建一个 Handler 实例但不需要派生其子类
*/
public interface Callback{
public boolean handleMessage(Message msg);
}
综上，Handler 处理消息过程可归纳成如下：
Handler 的构造方法很多，它的一个默认构造方法 public Handler() 会调用下面的构造方法：
public Handler(Callback callback, boolean async) {
. . .
mLooper = Looper.myLooper();
if (mLooper == null) {
// 若当前线程无 Looper 的话就会抛出异常
throw new RuntimeException(
"Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
}
mQueue = mLooper.mQueue;
mCallback = callback;
mAsynchronous = async;
}
上面解释了在没有 Looper 的子线程中创建 Handler 会报错的原因。
10.3 主线程的消息循环
Android 的主线程就是 ActivityThread，其入口是在 main 方法中通过 Looper.prepareMainLooper() 来创建主线程的 Looper 以及 MessageQueue，并通过 Looper.loop() 来开启主线程的消息循环，如下：
public static void main(String[] args) {
. . .
Process.setArgV0("");
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();
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
主线程的消息循环开始后，ActivityThread 还需要一个 ActivityThread.H (内部定义了一组消息类型) 来和消息队列进行交互。
ActivityThread 通过 ApplicationThread 和 AMS 进行线程间通信的方式完成 ActivityThread 的请求后会回调 ApplicationThread 中的 Binder 方法，然后ApplicationThread 会向 H 发送消息，H 收到消息后将 ApplicationThread 中的逻辑切换到 ActivityThread （主线程）中去执行。
以上便是主线程的消息循环模型。
本篇文章就介绍到这。