目录
一、相关概念
二、概述
三、工作原理简单描述
四、实现原理分析
1.Handler的工作原理
2.消息队列MessageQueue的工作原理
3.Looper的工作原理
4.ThreadLocal的工作原理
五、延伸学习(Message消息池、Handler延迟消息实现分析、同步屏障)
一、相关概念
学习Android的消息机制，有几个设计概念我们必须了解：
1.消息：Message
消息（Message）代表一个行为（what）或者一串动作（Runnable）,每一个消息在加入消息队列时，都有明确的目标（Handler）。
2.消息队列：MessageQueue
以队列的形式对外提供插入和删除的工作，其内部结构是以链表的形式存储消息的。
3.Looper
Looper是循环的意思，它负责从消息队列中循环的取出消息然后把消息交给目标(Handler)处理。
4.Handler
消息的真正处理者，具备获取消息、发送消息、处理消息、移除消息等功能。
5.线程
线程，CPU调度资源的基本单位。Android中的消息机制也是基于线程中的概念。
6.ThreadLocal
可以理解为ThreadLocalData,ThreadLocal的作用是提供线程内的局部变量（TLS），这种变量在线程的生命周期内起作用，每一个线程有他自己所属的值（线程隔离）。
二、概述
Android的消息处理机制主要是指 Handler 的运行机制以及Handler所附带的MessageQueue 和 Looper 的工作过程。三者实际上是一个整体，只不过我们在开发的时候比较接触多的是Handler而已，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，那么Android为什么要提供这种功能呢？这是因为android的UI规范不允许子线程更新UI，否则会抛出异常，ViewRootImpl对UI的操作做了验证，这个验证工作是由ViewRootImpl的checkThread来完成的。
void checkThread() {
if (mThread != Thread.currentThread()) {
throw new CalledFromWrongThreadException(
"Only the original thread that created a view hierarchy can touch its views.");
}
}
这个异常相信很多人见过，由于这一点，并且Android又不允许在主线程有耗时的操作，所以我们必须要在子线程中完成耗时后转回到主线程更新某些东西，这里就需要用到Handler了，如果没有Handler，我们的确没有办法切换到主线程，所以，系统提供Handler，主要的原因就是解决在子线程中无法访问UI的矛盾。
这里又要说了，系统为什么不允许在子线程访问UI呢？这是因为Android的UI控件不是线程安全的，如果在多线程中并发访问可能会导致UI控件处于不可预期的状态，那为什么系统不对UI控件访问加上锁机制呢？缺点有两个，首先加上锁后会让UI访问的逻辑变得复杂，其次是会降低UI的访问频率，所以最简单搞笑就是采用单线程模型来处理UI操作，对于开发者来说也不算太麻烦，只需要通过Handler切换一下UI访问的执行线程即可。
消息处理机制本质：一个线程开启循环模式持续监听并依次处理其他线程给它发的消息。简单的说：一个线程开启一个无限循环模式，不断遍历自己的消息列表，如果有消息就挨个拿出来做处理，如果列表没消息，自己就堵塞（相当于wait，让出cpu资源给其他线程），其他线程如果想让该线程做什么事，就往该线程的消息队列插入消息，该线程会不断从队列里拿出消息做处理。
三、工作原理简单描述
这里简单描述一下Handler的工作原理。Handler的创建在没有传入Looper的情况下，会采用当前线程的Looper来构建内部的消息循环系统，如果没有，就会报错。
java.lang.RuntimeException: Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare().
在没有调用 Looper.prepare() 的线程里，无法创建 handler。
如何解决这个问题，只需要为当前线程创建一个Looper即可，或者在一个有Looper的线程中创建Handler也行，或者在实例化Handler的时候直接传入一个Looper。
Handler创建完毕后，这个时候内部的Looper以及MeaasgeQueue就可以和Handler一起协同工作。Handler通过内部的Looper获取到MessageQueue,然后把Message插入到MessageQueue中，Looper不断循环地从MessageQueue取出Message交给Handler处理。
四、实现原理分析
1.Handler的工作原理
Handler重点在于发送消息和处理消息。我们先看看Handler的创建过程
创建实例
public Handler(Callback callback, boolean async) {
//如果没有传入指定的Looper对象，就会调用Looper.myLooper()方法来获取当前线程的Looper对象。
mLooper = Looper.myLooper();
//如果Looper为空则标明当前线程没有创建对象的Looper
if (mLooper == null) {
throw new RuntimeException(
"Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
+ " that has not called Looper.prepare()");
}
//Handler需要持有消息队列的对象，才能够把消息插入到队列中，用于发送消息
mQueue = mLooper.mQueue;
//mCallback 用于处理消息，在Handler 的 dispatchMessage方法有用到
mCallback = callback;
//mAsynchronous 不是Handler机制的核心内容，这里先不做分析。
mAsynchronous = async;
}
发送消息
Handler 所有发送消息的方法最终都会走到enqueueMessage方法，传入的queue参数就是一开始初始化时的mQueue对象。
Handler发送Message的代码流程：Handler.sendMessage()->Handler.sendMessageDelayed()->Handler.sendMessageAtTime()->MessageQueue.enqueueMessage()
private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
//在这里把Handler与Message做了绑定，每一条Message都持有Handler的引用。
//只有这样，在Looper循环从消息队列取出Message时，才能交给对应的Handler来处理消息
msg.target = this;
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
//这里就是最终Handler通过持有的消息队列的对象来调用enqueueMessage方法把消息插入到队列中去。
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
处理消息
/**
* Handle system messages here.
*/
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
Handler处理消息的过程如下：
首先，检查Message的callback是否为空（只有在调用Handler的一些列post方法时，这个callback才不为空），不为null就通过handlerCallback来处理消息。Message的callback 是一个Runnable对象，实际上就是Handler的post方法所传递的Runnable参数。handlecallback的逻辑也是很简单，如下所示。
private static void handleCallback(Message message) {
message.callback.run();
}
其次，检查mCallBack是否null,不为null就调用mCallback的handleMessage方法来处理消息。CallBack是一个接口，它的定义如下：
/**
* Callback interface you can use when instantiating a Handler to avoid
* having to implement your own subclass of Handler.
*/
public interface Callback {
/**
* @param msg A {@link android.os.Message Message} object
* @return True if no further handling is desired
*/
public boolean handleMessage(Message msg);
}
通过Callback可以采用如下的方式来创建Handler对象，Handler handler = new Handler(callback),那么callback的含义在什么呢？源码里面的注释已经说明，可以用来创建一个Handler的实例单并不需要派生Handler的子类，在日常开发中，创建handler最常见的方式就是派生一个handler子类并重写handlerMessage来处理具体的消息，而Callback给我们提供了另外一种使用Handler的方式，当我们不想派生子类的时候，就可以通过Callback来实现。
最后通过调用Handler的handlerMessage方法来处理消息，就是派生Handler的子类的handleMessage方法内处理。
从上面的分析也可以看出
Message有两个关键的成员变量：target、callback：
(1) target。就是发送消息的Handler
(2) callback。调用Handler.post(Runnable)时传入的Runnable类型的任务。post事件的本质也是创建了一个Message，将我们传入的这个runnable赋值给创建的Message的callback这个成员变量。
2.消息队列MessageQueue的工作原理
MessageQueue主要包含两个操作，插入和读取，读取操作本身会伴随着删除操作，插入和读取对应的方法分别为enqueueMessage和next，其中enqueueMessage的作用是往消息队列中插入一条消息，而next的作用是从消息队列中取出一条消息并将其从消息队列中一处，尽管MessageQueue叫消息队列，但是他的内部实现并不是用的队列，实际上它是通过一个单链表的数据结构来维护消息队列，单链表的插入和删除上比较有优势，下面主要看一下它的enqueueMessage和next方法的实现：
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
//这里表示如果没有创建Handler的话就会抛出没有目标异常
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) {
IllegalStateException e = new IllegalStateException(
msg.target + " sending message to a Handler on a dead thread");
Log.w(TAG, e.getMessage(), e);
//消息祸回收，放入消息池中
msg.recycle();
return false;
}
msg.markInUse();
msg.when = when;
Message p = mMessages; //消息队列中的消息头
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;
}
往消息队列中插入消息的核心代码就在if else里，if中的逻辑是如果消息队列中的消息头为空也就是还没有消息，或者要送的消息即时发送，或者要发送的消息在消息队列中的消息头前面发送，那么就将新的要发送的消息插入到消息队列头部；else中的逻辑是：从消息头循环往后找，当消息队列中出现的消息的发送时间比将要插入的消息的发送时间靠后时，则将要发送的消息插入在消息队列中该消息的前面。由此可知消息队列消息的排列顺序是按照消息发送时间先后排列的（发送即时消息除外，会直接插入到消息队列头部），这样也就能达到延时发送的目的。
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;
}
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;
}
// 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)) {
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(TAG, "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;
}
}
可以发现next方法是一个无限循环的方法，如果消息队列中没有消息，那么next方法会一直阻塞在这里，当有新消息到来时，next方法会返回这条消息并将其从单链表中移除。
3.Looper的工作原理
Looper在消息机制中扮演着消息循环的角色，具体来说就是她会不停的从MessageQueue中查看是否有新消息，如果有新消息就会立即处理，否则就会一直阻塞在那里，我们先来看下他的构造方法，在构造方法里他会创建一个MessageQueue，然后将当前线程的对象保存起来：
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
我们都知道，Handler的工作需要Looper，没有Looper的线程就会报错，那么如何为一个线程创建Looper，其实很简单，就是通过Looper.prepare()就可以为他创建了，然后通过Looper.loop来开启循环
new Thread("Thread #2") {
@Override
public void run() {
Looper.prepare();
Handler mHandler = new Handler();
Looper.loop();
}
}.start();
static final ThreadLocal sThreadLocal = new ThreadLocal();
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
//每个线程只能有一个Looper，prepare方法只能调用一次。
if (sThreadLocal.get() != null) {
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
//为了能让Handler在创建的时候直接拿到当前线程的Looper对象，所以Looper用到了ThreadLocal
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
Looper除了prepare方法外，还提供了parpareMainLooper方法，这个方法主要是给主线程也就是ActivityThread创建Looper使用的，由于主线程的Looper比较特殊，所以Looper提供了一个getMainLooper方法，通过他可以在任何地方获取到主线程的Looper，Looper也是可以退出的，提供了quir和quitSafely来退出一个Looper，二者的区别是：quit会直接退出，但是quitSafely是退出一个Looper，然后把消息队列中已有消息处理完毕后才安全退出，Looper退出后，通过Handler发送的消息会失败，这个时候Handler的send方法会返回false，在子线程中，如果手动为其创建了Looper，那么所有的事情完成以后应该调用quit方法来终止循环，否则子线程会一直处于等待状态，而如归Looper退出以后，这个线程就会立刻终止，因此建议不需要的时候终止Looper。
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
Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
msg.target.dispatchMessage(msg);
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.recycle();
}
}
Looper的loop方法在工作过程也比较好理解，loop方法是死循环，唯一跳出循环的方法是MessageQueue的next方法返回null,当Looper被quit方法调用时，Looper就会调用MessageQueue的quit和quitSafely方法来通知队列退出，当消息队列被标记为退出状态的时候，他的next方法就会返回null，也就是说，Looper必须退出，否则loop方法就会无限循环下去，loop方法会调用MessageQueue的nect来获取最新消息，而next是一个阻塞操作，当没有消息时，next就会阻塞，这也就导致loop方法一直阻塞在哪里，如果MessageQueue的next返回最新消息，Looper就会处理这条消息：msg.target.dispatchMessage(msg)，这里的msg.target是发送这条消息的Handler对象，这样Handler的dispatchMessage方法是在创建Handler时所使用的Looper执行，这样就成功的将代码逻辑切换到指定的线程中去执行。
4.ThreadLocal的工作原理
当某些数据以线程为作用域，且不同线程具有不同的数据副本时，我们使用ThreadLocal。ThreadLocal和信息机制的关系在于，Looper类中有一个静态变量，这个静态变量的类型就是ThreadLocal类。当我们为线程创建Looper时，其实调用了threadLocal的set方法，可以在Looper的prepare方法中找到。Handler可以通过threadlocal对象找到当前线程与之对应的Looper。
具体参考：
Android的消息机制之ThreadLocal的工作原理
五、延伸学习
Android消息机制Message消息池
深入理解Handler(三) --- Handler发送延时消息实现
Handler，MessageQueue，Looper，你所不知道的Asynchronous
Android-Handler同步屏障
参考：
Android开发艺术探索——第十章：Android的消息机制
Android消息机制使用及原理深度解析