深入源码分析Handler 消息机制 、Looper、MessageQueue 消息同步屏障、IdleHandler、Message 复用

Handler 线程通信 基本使用

在Android 中Handler大多数都是在子线程中发送消息,到主线程中更新UI,下面是基本使用

        // 步骤1:在主线程中 通过匿名内部类 创建Handler类对象
        mHandler = new Handler(){
            // 通过复写handlerMessage(),处理其他线程发来的消息
            @Override
            public void handleMessage(Message msg) {
                // 处理消息
            }
        };
        // 采用继承Thread类实现多线程
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                 // 步骤3:创建所需的消息对象
                 Message msg = Message.obtain();
                 msg.what = 1; // 消息标识
                 msg.obj = "A"; // 消息内存存放

                 // 步骤4:在工作线程中 通过Handler发送消息到消息队列中
                 mHandler.sendMessage(msg);
            }
        }.start();

源码分析

再开始流程分析前,先来介绍一下,比较关键的几个类:

  • Handler 用于给开发者,实现消息跨线程的发送和处理
  • Message 发送的消息
  • MessageQueue 消息队列,Handler 发送的消息都会进入这个队列
  • Looper 消息处理循环器

Handler的创建

    public Handler(Callback callback, boolean async) {
        //检测当前创建的handler是否可能引起内存泄漏
        if (FIND_POTENTIAL_LEAKS) {
            final Class<? extends Handler> klass = getClass();
            //handler 是匿名类或成员类或本地类 并且不是静态的,就可能出现内存泄漏
            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());
            }
        }
		//获取当前的线程的looper
        mLooper = Looper.myLooper();
        if (mLooper == null) {
            throw new RuntimeException(
                "Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
                        + " that has not called Looper.prepare()");
        }
        //获取looper的队列
        mQueue = mLooper.mQueue;
        //设置消息的回调,发送消息后,如果设置callback,就会触发回调
        mCallback = callback;
        //true:发送的是异步消息
        mAsynchronous = async;
    }

Java 内部类、成员类、局部类、匿名类等

Looper 的创建

看到上面mLooper = Looper.myLooper(); 里面都干了什么呢

    static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
    public static @Nullable Looper myLooper() {
        return sThreadLocal.get();
    }

看到是从ThreadLocal类型的变量中,获取一个Looper。因此不同的线程中会创建不同的Looper实例。

Looper 创建是这样的

    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();
    }

也就是说,在使用Handler的时候,要先调用静态函数Looper.prepare()创建属于当前线程的Looper,在调用Looper.loop()来开启消息循环,这个循环是个死循环,等待Handler发送过来的消息。

小伙伴可能有疑问为什么,我平时更新UI的时候,没有调用这个,直接创建Handler实例,发送消息就可以了呢?
是因为Android的入口mani()函数中,已经调用过了。而你创建Handler实例是在主线程,也就不能也不需要再创建Looper,否则会报错。

Message 相关

先来看几个重要的成员变量:

  • what 消息标识
  • arg1,arg2 传递的int参数
  • data 可以传送Bundle 数据
  • target 发送这个消息的Handler
  • next 下一个Message
  • flags 是否在使用

Message.obtain() 来获得一个Message的实例,源码写的很高效,这里对消息进行了复用。

    public static Message obtain() {
       //同步操作,避免多个线程,同时对消息池进行操作
       //sPool 存放的是,Message 消息队列的队首消息
        synchronized (sPoolSync) {
            if (sPool != null) {
               //获得队首的Message 
                Message m = sPool;
                //更新sPool 为下一个Message 
                sPool = m.next;
                //当前的Message next置空
                m.next = null;
                //被使用标志置0
                m.flags = 0; // clear in-use flag
                sPoolSize--;
                return m;
            }
        }
        //如果sPool 为空,创建一个实例
        return new Message();
    }

那么sPool 的队列信息,是在Message 被回收的加入的,具体有两种情况

  1. 在Looper 中消息被处理后,会调用msg.recycleUnchecked();回收Message
  2. 在把消息添加到MessageQueue时enqueueMessage,如果是正在退出,会调用msg.recycle();也会回收Message

下面看一下回收的过程

    public void recycle() {
        //检查是否正在使用
        if (isInUse()) {
            if (gCheckRecycle) {
                throw new IllegalStateException("This message cannot be recycled because it "
                        + "is still in use.");
            }
            return;
        }
        recycleUnchecked();
    }


    void recycleUnchecked() {
        // Mark the message as in use while it remains in the recycled object pool.
        // Clear out all other details.
        //Message的成员变量全部情况
        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) {
             //如果消息队列数量小于MAX_POOL_SIZE,就继续添加到队列中
            if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {    
                //当前消息(即将被回收)的next指向当前队首
                next = sPool;
                //把sPool指向当前消息,就把消息回收到队列中了
                sPool = this;
                sPoolSize++;
            }
        }
    }

消息流程

我们从发送消息mHandler.sendMessage(msg);来看,最终是怎么消息的线程通信,以及内部的一些原理

除了postAtFrontOfQueue发送消息外,其他的消息发送postAtTimepostDelayedsendMessageDelayedsendMessage最终会把消息发送的时间确定下来,调用 sendMessageAtTime来处理消息。

Handler类
    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);
    }
Handler类
    private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
        msg.target = this;
        if (mAsynchronous) {
            msg.setAsynchronous(true);
        }
        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
    }

上面两个函数,很简单,最终去调用queue.enqueueMessage 去把消息插入队列中

MessageQueue类
    boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
        if (msg.target == null) {
            throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
        }
        //消息是否在使用
        if (msg.isInUse()) {
            throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
        }

        synchronized (this) {
            if (mQuitting) {
               //Loop.quit() 调用了 MessageQueue quit(),会设置mQuitting = true,表示正在退出
                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;
            }
			//设置消息正在使用
            msg.markInUse();
            msg.when = when;
            //下一个要处理的消息
            Message p = mMessages;
            boolean needWake;
            if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
                // New head, wake up the event queue if blocked.
                //p 为空,队列中没有消息,或者延迟时间为0,或者延迟时间小于p的延迟时间(也就是需要在p之前执行)
                //就把这个消息放在p前面,也就是队首(因为p为下一个要处理的消息)    
                msg.next = p;
                //更新mMessages (下一个要处理的消息)
                mMessages = msg;
                //是否需要唤醒,因为可能在MessageQueue 中获取message的时候,可能被阻塞
                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.
                // mBlocked  为阻塞。在取消息函数next()可知,当没有消息的时候,这个参数会置位true
                // p.target == null 下一个消息是同步屏障 ,就是优先处理异步消息,这个后面会详细分析
                // msg 是异步消息。
                //这三个消息同时为true ,才去唤醒线程
                needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
                Message prev;
                for (;;) {
                  
                    prev = p;
                    p = p.next;
                    //prev 表示队列第N个消息,p 表示队列第N+1个消息
                    if (p == null || when < p.when) {
                       //p为空,说明已经是最后一个消息了
                       //when < p.when,说明需要在p之前执行
                        break;
                    }
                    if (needWake && p.isAsynchronous()) {
                       //在msg插入到队列中,已有消息是异步的,那就遵从前面的线程状态,不进行唤醒
                        needWake = false;
                    }
                }
                //下面两行代码后,prev 表示队列第N个消息,msg表示队列第N+1个消息,p表示队列第N+2个消息
                msg.next = p; // invariant: p == prev.next
                prev.next = msg;
            }

            // We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
            if (needWake) {
                // 唤醒线程
                nativeWake(mPtr);
            }
        }
        return true;
    }

之前的Loop.loop() 一直在循环,从MessageQueue中获取消息,下面省略的代码,是计算消息执行时间,和预期时间是否有差异,打印log,这里不进行分析。主要就是三个步骤:

Loop类
    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;

         ... 省略代码 ...
        for (;;) {
           //1、取出MessageQueue 中的下一个消息
            Message msg = queue.next(); // might block
            if (msg == null) {
                // No message indicates that the message queue is quitting.
                return;
            }

            ... 省略代码 ...
            try {
                //2、处理消息
                msg.target.dispatchMessage(msg);
                ... 省略代码 ...
            } finally {
                ... 省略代码 ...
            }
            ... 省略代码 ...
			//3、回收消息
            msg.recycleUnchecked();
        }
    }

接下来,先分析 Message msg = queue.next(); // might block看它是如何取出消息的,以及如何实现同步屏障(优先处理异步消息),以及IdleHandler的作用·

    Message next() {
        // Return here if the message loop has already quit and been disposed.
        // This can happen if the application tries to restart a looper after quit
        // which is not supported.
        final long ptr = mPtr;
        if (ptr == 0) {
            return null;
        }
		//第一次进来才会设置为-1
        int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
        int nextPollTimeoutMillis = 0;
        for (;;) {
            if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
                Binder.flushPendingCommands();
            }
			//会阻塞线程 时间为nextPollTimeoutMillis 
            nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

            synchronized (this) {
                // Try to retrieve the next message.  Return if found.
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                Message prevMsg = null;
                //mMessages 是队列的头
                Message msg = mMessages;
                if (msg != null && msg.target == null) {
                    // Stalled by a barrier.  Find the next asynchronous message in the queue.
                    //找出下一个异步消息 ,也就是说屏蔽了同步消息。所以 msg.target == null 这样的消息在江湖上叫做 同步屏障的消息。可调用postSyncBarrier()来发出
                    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.
                        //获取到一个新消息,才把阻塞标志设为false
                        mBlocked = false;
                        if (prevMsg != null) {
                            //如果是同步屏障了,那么prevMsg !=null, 这里把msg 取出,调整链表指向
                            //队列的头 mMessages  没有变化
                            prevMsg.next = msg.next;
                        } else {
                           // 从队列的头取出消息 msg,所以需要更新mMessages 
                            mMessages = msg.next;
                        }
                        msg.next = null;
                        if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
                        msg.markInUse();
                        return msg;
                    }
                } else {
                    // No more messages.
                    nextPollTimeoutMillis = -1;
                }

                // Process the quit message now that all pending messages have been handled.
                if (mQuitting) {
                    dispose();
                    return null;
                }

                // If first time idle, then get the number of idlers to run.
                // Idle handles only run if the queue is empty or if the first message
                // in the queue (possibly a barrier) is due to be handled in the future.
                if (pendingIdleHandlerCount < 0
                        && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
                    //其实官方已经注释的很清楚,我再啰嗦一下
                    //第一次进来pendingIdleHandlerCount = -1 
                    //没有需要处理的消息,或者消息要过一会再处理。
                    //这两个条件同时满足,会进入下面的for循环,也就是IdleHandler的调用
                    pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
                }
                //如果后续的循环不会再执行IdleHandlers,因为下面最后代码会把pendingIdleHandlerCount 设置为0
                if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
                    // No idle handlers to run.  Loop and wait some more.
                    //如果没有要执行的IdleHandler或者是第二次循环,则设置为阻塞中,开始下一次循环
                    mBlocked = true;
                    continue;
                }
				//创建mPendingIdleHandlers 数组,用来存放设置的IdleHandler
                if (mPendingIdleHandlers == null) {
                    mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
                }
                mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
            }

            // Run the idle handlers.
            // We only ever reach this code block during the first iteration.
            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 {
                    //返回值,true = 下次循环需要继续执行 (也就是keep的意思)
                    keep = idler.queueIdle();
                } catch (Throwable t) {
                    Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
                }
				//下次不需要执行,则删除这个IdleHandler
                if (!keep) {
                    synchronized (this) {
                        mIdleHandlers.remove(idler);
                    }
                }
            }

            // Reset the idle handler count to 0 so we do not run them again.
            pendingIdleHandlerCount = 0;

            // While calling an idle handler, a new message could have been delivered
            // so go back and look again for a pending message without waiting.
            nextPollTimeoutMillis = 0;
        }
    }
  • 从开始获取消息到获取到一个可用的消息,这之间都是处于阻塞状态。
  • 开启同步屏障后,会屏蔽同步消息,执行下一个异步消息。记得需要取消同步屏障,否则会阻塞在nativePollOnce()
  • 如果消息队列为空,就会去执行所有IdleHandlers,只执行一次

那么我们先回到loop循环中,看下获取到消息后, msg.target.dispatchMessage(msg);的处理

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

可以看到回调处理的优先级,Message 的回调 > Handler 的回调 > handleMessage

这里的handleMessage 就是基本使用种,重写的方法。

到这里流程就算走完了,再来看一下
1、同步屏障如何使用,源代码是什么样的,msg.target == null的消息,要怎么发送呢?
2、IdleHandler 有什么用途呢?

同步屏障消息

开启同步屏障:

  public int postSyncBarrier() {
        return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
    }

    private int postSyncBarrier(long when) {
        // Enqueue a new sync barrier token.
        // We don't need to wake the queue because the purpose of a barrier is to stall it.
        synchronized (this) {
            final int token = mNextBarrierToken++;
            final Message msg = Message.obtain();
            msg.markInUse();
            msg.when = when;
            msg.arg1 = token;

            Message prev = null;
            Message p = mMessages;
            if (when != 0) {
                while (p != null && p.when <= when) {
                    //选择合适的位置,准备插入msg
                    prev = p;
                    p = p.next;
                }
            }
            if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
               //队列插在prev 和 p 中间
               //这里没有设置mMessages ,是因为在消息处理中,会不断把下一个消息设置到mMessages 
                msg.next = p;
                prev.next = msg;
            } else {
                //msg 插在队列头部
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
            }
            //清除同步屏障,参数要指定token
            return token;
        }
    }

一定要在不需要的时候,调用否则线程会被挂起

    public void removeSyncBarrier(int token) {
        // Remove a sync barrier token from the queue.
        // If the queue is no longer stalled by a barrier then wake it.
        synchronized (this) {
            Message prev = null;
            //这里的mMessages,不一定就是屏障的消息(即使屏障的消息,是无法消耗的。比如刚发送,还在处理其他消息的时候,就取消)
            Message p = mMessages; 
            while (p != null && (p.target != null || p.arg1 != token)) {
               // 找到指定token的同步屏障消息
                prev = p;
                p = p.next;
            }
            if (p == null) {
                throw new IllegalStateException("The specified message queue synchronization "
                        + " barrier token has not been posted or has already been removed.");
            }
            final boolean needWake;
            if (prev != null) {
                //下面语句,把p移除队列
                prev.next = p.next;
                needWake = false;
            } else {
               //p 是队首
                mMessages = p.next;
                //已经是队尾或者下一个消息用户消息,就需要唤醒线程
                needWake = mMessages == null || mMessages.target != null;
            }
            //回收消息
            p.recycleUnchecked();

            // If the loop is quitting then it is already awake.
            // We can assume mPtr != 0 when mQuitting is false.
            if (needWake && !mQuitting) {
                nativeWake(mPtr);
            }
        }
    }

IdleHandler

参考:你知道android的MessageQueue.IdleHandler吗?

它的用途可以查看上面这篇文章,大概意思就是:

想在界面绘制出来后做点什么,在onResume 执行是不可以的,可以 使用IdleHandler ,这个时候IdleHandler就发挥作用了,它是在looper里面message暂时执行完毕了就会回调,顾名思义嘛,Idle就是队列为空的意思,那么我们的onResume和measure, layout, draw都是一个个message的话,这个IdleHandler就提供了一个它们都执行完毕的回调了

至此就全部结束了,如果有哪里 写的不清楚的 ,可以交流交流

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