Native looper 分析

Looper是android中很重要的概念，它是android application端线程间最主要的通信方式，同时它也是线程内部序列化处理的主要方式，Looper的核心其实是一个消息队列，通过不停的处理Looper消息队列中的消息来完成线程间的通信和线程内部序列化操作。任何线程想要使用消息机制特定的操作，那么必须在线程中创建一个Looper，java端的Looper如何使用不介绍了，所有有过android开发经验的人都知道怎么用，这篇文章主要介绍一下Native Looper，看它如何和JAVA层的Looper相互配合完成android中最主要的线程通信机制的。同时写这篇的目的是为了解释文章中事件传递过程中，native Looper是如何被复用实现管道通信的。

    上面说到JAVA Looper的核心其实是一个消息队列，并且我们分析一下Looper.java的代码，并没有任何和Native有关联的数据结构和操作，那么唯一能和Native Looper发生联系的就剩下这个JAVA的消息队列类型MessageQueue了，也果不其然，在MessageQueue中定义了一个成员    

 private int mPtr; // used by native code

它保存着对应的Native的消息队列实例的地址，用一个int类型的成员保存native实例，这是jni开发中常用到的方式。因此MessageQueue同样使用mPtr来表示native的消息队列，NativeMessageQueue@android_os_MessageQueue.cpp，看一下NativeMessageQueue的构造函数，其中定义了一个Native的Looper，

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

    因此整个的结构很简单，JAVA Looper包含一个MessageQueue，MessageQueue对应的Native 实例是一个NativeMessageQueue实例，NativeMessageQueue在创建的时候生成一个Native Looper。

    其实Native Looper存在的意义就是作为JAVA Looper机制的开关器，

    1. 当消息队列中有消息存入时，唤醒Natvice Looper，至于如何发送向线程消息，这就用到了Handler，google的文档中说明的很详细，不介绍了；

    2. 当消息队列中没有消息时或者消息尚未到处理时间时，Natvice Looper block住整个线程。

    上述功能其实一句话就可以总结：创建了JAVA Looper的线程只有在有消息待处理时才处于活跃状态，无消息时block在等待消息写入的状态。
    下面我们就来分析Natvice Looper它是如何实现这个功能的，先从Natvice Looper入手，看它能干什么。

   1. Native Looper初始化

    我们看一下Natvice Looper的初始化过程都作了那些工作

    1. 创建一个pipe管道mWakeReadPipeFd和mWakeWritePipeFd，这个管道的作用就是为了将block住的线程唤醒。

    2. 创建一个epoll实例mEpollFd，用它来监听event触发，event有mWakeReadPipeFd上的 wake event；还有上一篇文章当中讲到的NativeInputQueue和InputDispatcher模块注册在各自Looper中，需要监听的的硬件设备的事件发生时的通知event以及事件消化完的通知event。

   在构造函数中只向mEpollFd添加对mWakeReadPipeFd的监听，NativeInputQueue和InputDispatcher模块注册的监听需要通过addFd()方法在各自的模块中注册，目前来看只有NativeInputQueue真正使用到当前线程的Native Looper，而InputDispatcher是自定义了一个Native Looper，参考上一篇文章。

 Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) :
         mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks),
         mResponseIndex(0) {
     int wakeFds[2];
     int result = pipe(wakeFds);
     LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not create wake pipe.  errno=%d", errno);

     mWakeReadPipeFd = wakeFds[0];
     mWakeWritePipeFd = wakeFds[1];

     result = fcntl(mWakeReadPipeFd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
     LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not make wake read pipe non-blocking.  errno=%d",
             errno);

     result = fcntl(mWakeWritePipeFd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
     LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not make wake write pipe non-blocking.  errno=%d",
             errno);

 #ifdef LOOPER_USES_EPOLL
     // 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);
     LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not add wake read pipe to epoll instance.  errno=%d",
             errno);
 #else
     ...........................................
 }

 2. Native Looper的业务逻辑

    这一部分我们深入分析一下Native Looper作为JAVA Looper机制的开关控制器的。

    JAVA Looper通过调用loop()不断的去检测消息队列中是否有消息需要处理，调用的是MessageQueue的next()方法，这个方法返回的是MessageQueue的存储的消息。

    loop()@Looper.java

 Message msg = queue.next(); // might block

 final Message next() {
     int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
     int nextPollTimeoutMillis = 0;

     for (;;) {
         if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
             Binder.flushPendingCommands();
         }
         nativePollOnce(mPtr, nextPollTimeoutMillis);

         synchronized (this) {
             // Try to retrieve the next message.  Return if found.
             final long now = SystemClock.uptimeMillis();
             final Message msg = mMessages;
             if (msg != null) {
                 final long when = msg.when;
                 if (now >= when) {
                     mBlocked = false;
                     mMessages = msg.next;
                     msg.next = null;
                     if (Config.LOGV) Log.v("MessageQueue", "Returning message: " + msg);
                     return msg;
                 } else {
                     nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(when - now, Integer.MAX_VALUE);
                 }
             } else {
                 nextPollTimeoutMillis = -1;
             }

             // If first time, then get the number of idlers to run.
             if (pendingIdleHandlerCount < 0) {
                 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);
         }

         // 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 {
                 keep = idler.queueIdle();
             } catch (Throwable t) {
                 Log.wtf("MessageQueue", "IdleHandler threw exception", t);
             }

             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;
     }
 }

    在获取MessageQueue中消息过程中，我们发现next()是一个循环，除了获取消息队列之外，最重要的一点就是去监听Natvie Looper的event触发，调用nativePollOnce(mPtr, nextPollTimeoutMillis); 它最终会调用到pollInner()@Looper.cpp。我们来看看pollInner都干了些什么？

    1. 等待mEpollFd的事件触发，我们前面说过，这个事件触发有两种，第一个就是唤醒Native Looper的wake消息，另外一个就是复用Native Looper的其他消息，如NativeInputQueue和InputDispatcher的管道检测(目前android也就这两个模块使用到了)。

当epoll_wait()的等待时间不为0时，即JAVA Looper传递下来的nextPollTimeoutMillis值，那么整个线程就被block在这儿了。

    pollInner()@Looper.cpp

 struct epoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS];
 int eventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);
 bool acquiredLock = false;

   2. 如果有事件触发发生，wake或者其他复用Looper的event，处理event，这样整个Native Looper就从block状态中解脱出来了，整个线程也就解脱出来了，JAVA Looper则会执行nativePollOnce(mPtr, nextPollTimeoutMillis);下面的语句，next()@MessageQueue.java后面的语句就不解释了。

    我们只需要注意nextPollTimeoutMillis值的设置，如果消息尚未到达处理时间，则nextPollTimeoutMillis值则为距离该消息处理时间的总时长，表明Native Looper只需要block到消息需要处理的时间就行了。如果没有消息待处理，那么将一直Native Looper将一直block住，等待wake event。

    那么什么时候会有wake event发生呢？只有在有新的消息被存储到MessageQueue时，会向Native Looper发起wake event。

    enqueueMessage()@MessageQueue.java

 if (needWake) {
     nativeWake(mPtr);
 }

     整个Native Looper的基本机制就是这样的，保证在线程无消息可处理时，能够尽可能的减少CPU的利用，将宝贵的CPU资源交给其他线程或者进程处理，这一点在移动设备中是很重要的。

 3. Native Looper扩展应用

    Native Looper尽管通常情况下是和JAVA 层的Looper和MessageQueue配合使用的，作为JAVA Looper的开关控制器存在的，但是鉴于上面我们对Native Looper的分析，我们发现在native code开发时，我们完全也可以单独使用Native Looper，比如说在开发的native code中如果使用到了pipe或者socket通信的话，Native Looper将会是把利器，我们通过它能够很好的管理pipe或者socket等的通信。正如InputDispatcher所做的一样。