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换个姿势,带着问题看Handler

Handler,老生常谈,网上关于它的文章可谓是 "泛滥成灾",而实际开发中,我们却很少手写Handler,毕竟 RxAndroid链式调用Kotlin协程同步方式写异步代码 还是挺香的。

不过,面试时,面试官都喜欢章口就来一句:

应对之法也简单:

找一篇《Handler详解》类的文章,通读全文并背诵即可。

但对于我这种好刨根问底之人来说,得自己过一遍源码才踏实,而且我发现 带着问题 看源码,思考理解本质,印象更深,收获更多,遂有此文。

罗列下本文提及的知识点,按需阅读即可:

  • 1、Handler问题三连:是什么?有什么用?为什么要用,不用行不行?
  • 2、Android UI更新机制(GUI) 为何设计成了单线程的?
  • 3、真的只能在主(UI)线程中更新UI吗?
  • 4、真的不能在主(UI)线程中执行网络操作吗?
  • 5、Handler怎么用?
  • 6、为什么建议使用Message.obtain()来创建Message实例?
  • 7、为什么子线程中不可以直接new Handler()而主线程中可以?
  • 8、主线程给子线程的Handler发送消息怎么写?
  • 9、HandlerThread实现的核心原理?
  • 10、当你用Handler发送一个Message,发生了什么?
  • 11、Looper是怎么拣队列里的消息的?
  • 12、分发给Handler的消息是怎么处理的?
  • 13、IdleHandler是什么?
  • 14、Looper在主线程中死循环,为啥不会ANR?
  • 15、Handler泄露的原因及正确写法
  • 16、Handler中的同步屏障机制
  • 17、Android 11 Handler相关变更

0x1、Handler问题三连

1.Handler是什么

答:Android Framework 架构中的一个 基础组件,用于 子线程与主线程间的通讯,实现了一种 非堵塞的消息传递机制

2.Handler有什么用

答:把子线程中的 UI更新信息传递 给主线程(UI线程),以此完成UI更新操作。

3.为什么要用Handler,不用行不行

答:不行,Handler是android在设计之初就封装的 一套消息创建、传递、处理机制。

Android要求:在主线程(UI线程)中更新UI,注意,是要求,并不是规定,你不听,硬是要:在子线程中更新UI,也是可以的,比如在子线程中创建Dialog:

运行后:

没有报错,对话框正常弹出,而我们平时在 子线程中更新UI 的报错信息是这样的:

  • 异常翻译:只有创建视图层次结构的原始线程才能触摸其视图
  • 引起原因:在子线程中直接更新主线程创建的UI;
  • 也就是说:子线程更新UI也行,但是只能更新子线程创建的View;
  • 换句话说:Android的UI更新(GUI)被设计成了单线程

你可能会问,为啥不设计成多线程?

答:多个线程同时对同一个UI控件进行更新,容易发生不可控的错误!

那么怎么解决这种线程安全问题?

答:最简单的处理方式——加锁,不是加一个,是每层都要加锁(用户代码→GUI顶层→GUI底层...)但这样也意味着更多的 耗时,从而导致UI更新效率降低,界面卡顿等。

而如果每一层共用一把锁的话,其实就是 单线程,所以,最后的结论是:

Android没有采用「线程锁」,而是采用「单线程消息队列机制」,实现了一个「伪锁

这个疑问解决了,再说一个网上很常见的主线程更新UI的例子:

上面这段代码 直接在子线程中更新了UI,却没有报错:

打脸?莫慌,在子线程代码块中加一句休眠模拟耗时操作:

程序就崩溃了,报错日志如下:

前面说了 Android的UI更新被设计成单线程,但为何在添加休眠后才报错,限于篇幅,不跟源码,直接说原因:

  • ViewRootImponCreate() 调用时还没创建;
  • onResume() 时,即 **ActivityThread.handleResumeActivity()**执行后才创建;
  • 调用 View.requestLayout(),最终调到 ViewRootImpl.requestLayout(),走到**checkThread()**报错;

可以打个日志简单的验证下:

加上休眠

行吧,以后去面试别人问「子线程是不是一定不可以更新UI」别傻乎乎地点头说是了。

4.引生的另一个问题

说到「只能在主线程中更新UI」我又想到另一个问题「不能在主线程中进行网络操作

上述代码运行直接闪退,日志如下:

NetworkOnMainThreadException:网络请求在主线程进行异常。

em... 真的不能在主线程中做网络操作吗?

onCreate() 的 setContentView() 后插入下面两句代码:

运行下看看:

这...又打脸?先说下 StrictMode(严苟模式)

Android 2.3 引入,用于检测两大问题:ThreadPolicy(线程策略) 和 VmPolicy(VM策略)

相关方法如下

把严苟模式的网络检测关了,就可以 在主线程中执行网络操作了,不过一般是不建议这样做的:

在主线程中进行耗时操作,可能会导致程序无响应,即 ANR (Application Not Responding)。

至于常见的ANR时间,可以在对应的源码中找到:

// ActiveServices.java → Service服务
static final int SERVICE_TIMEOUT = 20*1000;     // 前台
static final int SERVICE_BACKGROUND_TIMEOUT = SERVICE_TIMEOUT * 10;     // 后台

// ActivityManagerService.java → Broadcast广播、InputDispatching、ContentProvider
static final int BROADCAST_FG_TIMEOUT = 10*1000;    // 前台
static final int BROADCAST_BG_TIMEOUT = 60*1000;    // 后台
static final int KEY_DISPATCHING_TIMEOUT = 5*1000;  // 关键调度
static final int CONTENT_PROVIDER_PUBLISH_TIMEOUT = 10*1000;    // 内容提供者
复制代码

时间统计区间:

  • 起点System_Server 进程调用 startProcessLocked() 后调用 AMS.attachApplicationLocked()
  • 终点Provider 进程的 **installProvider()**及 publishContentProviders() 调用到 AMS.publishContentProviders()

超过这个时间,系统就会杀掉 Provider 进程。

0x2、Handler怎么用

1.sendMessage() + handleMessage()

代码示例如下

黄色部分会有如下警告

Handler不是静态类可能引起**内存泄露**,原因以及正确写法等下再讲。

另外,建议调用 Message.obtain() 函数来获取一个Message实例,为啥?点进源码:

从源码,可以看到obtain()的逻辑:加锁判断Message池是否为空

  • ① 不为空,取一枚Message对象,正在使用标记置为0,池容量-1,返回此对象;
  • ② 为空,新建一个Message对象返回;

此处复用Message,可避免**避免重复创建实例对象,达到节约内存的目的,而且不难看出Message实际上是无头结点的单链表**。

上述获取消息池的逻辑:

定位到下述代码,还可以知道:池的容量为50

然后问题来了,Message信息什么时候加到池中?

答:当Message 被Looper分发完后,会调用 recycleUnchecked()函数,回收没有在使用的Message对象。

标志设置为**FLAG_IN_USE**,表示正在使用,相关属性重置,加锁,判断消息池是否满,未满,单链表头插法 将消息插入到表头。

2.post(runnable)

代码示例如下

跟下post():

实际上调用了 sendMessageDelayed() 发送消息,只不过延迟秒数为0,那Runnable是怎么变成Message的呢?跟下getPostMessage()

噢,获取一个新的Message示例后,把 Runnable 变量的值赋值给 callback属性

3.附:其他两个种在子线程中更新UI的方法

activity.runOnUiThread()

view.post() 与 view.postDelay()

0x3、Handler底层原理解析

终于来到稍微有点技术含量的环节,在观摩源码了解原理前,先说下几个涉及到的类。

1.涉及到的几个类

2.前戏

在我们使用Handler前,Android系统已为我们做了一系列的工作,其中就包括了

创建「Looper」和「MessageQueue」对象

上图中有写:ActivityThreadmain函数是APP进程的入口,定位到 ActivityThread → main函数

定位到:Looper → prepareMainLooper函数

定位到:Looper → prepare函数

定位到:Looper → Looper构造函数

另外这里的 mQuitAllowed 变量,直译「退出允许」,具体作用是?跟下 MessageQueue

em...用来 防止开发者手动终止消息队列,停止Looper循环

3.消息队列的运行

前戏过后,创建了Looper与MessageQueue对象,接着调用Looper.loop()开启轮询。 定位到:Looper → loop函数

接着有几个问题,先是这个 myLooper() 函数:

这里的 ThreadLocal线程局部变量JDK提供的用于解决线程安全的工具类作用为每个线程提供一个独立的变量副本以解决并发访问的冲突问题本质

每个Thread内部都维护了一个ThreadLocalMap,这个map的key是ThreadLocal,

value是set的那个值。get的时候,线程都是从自己的变量中取值,所以不存在线程安全问题。

主线程和子线程的Looper对象实例相互隔离的!!!

另外,线程为key也保证了每个线程只有一个Looper,而创建Looper对象时又会创建MessageQueue对象,所以间接保证每个线程最多只能有一个MessageQueue。

知道这个以后,有个问题就解惑了:

为什么子线程中不能直接 new Handler(),而主线程可以?

答:主线程与子线程不共享同一个Looper实例,主线程的Looper在启动时就通过 prepareMainLooper() 完成了初始化,而子线程还需要调用 Looper.prepare() 和 Looper.loop()开启轮询,否则会报错,不信,可以试试:

直接就奔溃了~

加上试试?

可以,没有报错,程序正常运行。

对了,既然说Handler用于子线程和主线程通信,试试在主线程中给子线程的Handler发送信息,修改一波代码:

运行,直接报错:

原因:多线程并发的问题,当主线程执行到sendEnptyMessage时,子线程的Handler还没有创建。 一个简单的解决方法是:主线程延时给子线程发消息,修改后的代码示例如下:

运行结果如下:

可以,不过其实Android已经给我们封装好了一个轻量级的异步类 HandlerThread

4.HandlerThread

HandlerThread = 继承Thread + 封装Looper

使用方法很简单,改造下我们上面的代码:

用法挺简单的,源码其实也很简单,跟一跟:

剩下一个quit()和quitSafely()停止线程,就不用说了,所以HandlerThread的核心原理就是:

  • 继承Thread,getLooper()加锁死循环wait()堵塞线程;
  • run()加锁等待Looper对象创建成功,notifyAll()唤醒线程
  • 唤醒后,getLooper返回由run()中生成的Looper对象

是吧,HandlerThread的实现原理竟简单如斯,另外,顺带提个醒!!!

Java中所有类的父类是 Object 类,里面提供了wait、notify、notifyAll三个方法; Kotlin 中所有类的父类是 Any 类,里面可没有上述三个方法!!! 所以你不能在kotlin类中直接调用,但你可以创建一个java.lang.Object的实例作为lock, 去调用相关的方法。

代码示例如下

private val lock = java.lang.Object()

fun produce() = synchronized(lock) {
    while(items>=maxItems) { 
        lock.wait()
    }
    Thread.sleep(rand.nextInt(100).toLong())
    items++
    println("Produced, count is$items:${Thread.currentThread()}")
    lock.notifyAll()
}

fun consume() = synchronized(lock) {
    while(items<=0) {
        lock.wait()
    }
    Thread.sleep(rand.nextInt(100).toLong())
    items--
    println("Consumed, count is$items:${Thread.currentThread()}")
    lock.notifyAll()
}
复制代码

5.当我们用Handler发送一个消息发生了什么?

扯得有点远了,拉回来,刚讲到 ActivityThreadmain函数中调用 Looper.prepareMainLooper 完成主线程 Looper初始化,然后调用 Looper.loop() 开启消息循环 等待接收消息

嗯,接着说下 发送消息,上面说了,Handler可以通过sendMessage()和 post() 发送消息,上面也说了,源码中,这两个最后调用的其实都是 sendMessageDelayed()完成的:

第二个参数:当前系统时间+延时时间,这个会影响「调度顺序」,跟 sendMessageAtTime()

获取当前线程Looper中的MessageQueue队列,判空,空打印异常,否则返回 enqueueMessage(),跟:

这里的 mAsynchronous异步消息的标志,如果Handler构造方法不传入这个参数,默认false: 这里涉及到了一个「同步屏障」的东西,等等再讲,跟:MessageQueue -> enqueueMessage

如果你了解数据结构中的单链表的话,这些都很简单。 不了解的可以移步至【面试】数据结构与算法(二) 学习一波~

6.Looper是怎么拣队列的消息的?

MessageQueue里有Message了,接着就该由Looper分拣了,定位到:Looper → loop函数

// Looper.loop()
final Looper me = myLooper();           // 获得当前线程的Looper实例
final MessageQueue queue = me.mQueue;   // 获取消息队列
for (;;) {                              // 死循环
        Message msg = queue.next();     // 取出队列中的消息
        msg.target.dispatchMessage(msg); // 将消息分发给Handler
}
复制代码

queue.next() 从队列拿出消息,定位到:MessageQueue -> next函数

这里的关键其实就是:nextPollTimeoutMillis,决定了堵塞与否,以及堵塞的时间,三种情况:

等于0时,不堵塞,立即返回,Looper第一次处理消息,有一个消息处理完 ; 大于0时,最长堵塞等待时间,期间有新消息进来,可能会了立即返回(立即执行); 等于-1时,无消息时,会一直堵塞;

此处没有用java中的wait/notify堵塞,而是通过Linux的**epoll机制**来堵塞,原因是需要处理 native侧 的事件。

没有消息时堵塞并进入休眠释放CPU资源,有消息时再唤醒线程。

对epoll机制感兴趣的可移步至下述网站查阅:

Linux IO模式及 select、poll、epoll详解

7.分发给Handler的消息是怎么处理的?

通过MessageQueuequeue.next()拣出消息后,调用msg.target.dispatchMessage(msg) 把消息分发给对应的Handler,跟到:Handler -> dispatchMessage

到此,关于Handler的基本原理也说的七七八八了~

8.IdleHandler是什么?

评论区有小伙子说:把idleHandler加上就完整了,那就安排下吧~

MessageQueue 类中有一个 static 的接口 IdleHanlder

翻译下注释:当线程将要进入堵塞,以等待更多消息时,会回调这个接口; 简单点说:当MessageQueue中无可处理的Message时回调; 作用:UI线程处理完所有View事务后,回调一些额外的操作,且不会堵塞主进程;

接口中只有一个 queueIdle() 函数,线程进入堵塞时执行的额外操作可以写这里, 返回值是true的话,执行完此方法后还会保留这个IdleHandler,否则删除。

使用方法也很简单,代码示例如下:

输出结果如下

看下源码,了解下具体的原理:MessageQueue,定义了一个IdleHandler的列表和数组

定义了添加和删除IdleHandler的函数:

next() 函数中用到了 mIdleHandlers 列表:

原理就这样,一般使用场景:绘制完成回调,例子可参见: 《你知道 android 的 MessageQueue.IdleHandler 吗?》 也可以在一些开源项目上看到IdleHandler的应用: useof.org/java-open-s…

0x4、一些其他问题

1.Looper在主线程中死循环,为啥不会ANR?

答:上面说了,Looper通过**queue.next()**获取消息队列消息,当队列为空,会堵塞,

此时主线程也堵塞在这里,好处是:main函数无法退出,APP不会一启动就结束!

你可能会问:主线程都堵住了,怎么响应用户操作和回调Activity生命周期相关的方法?

答:application启动时,可不止一个main线程,还有其他两个Binder线程ApplicationThreadActivityManagerProxy,用来和系统进程进行通信操作,接收系统进程发送的通知。

  • 当系统受到因用户操作产生的通知时,会通过 Binder 方式跨进程通知 ApplicationThread;
  • 它通过Handler机制,往 ActivityThreadMessageQueue 中插入消息,唤醒了主线程;
  • queue.next() 能拿到消息了,然后 dispatchMessage 完成事件分发;

Tips:ActivityThread 中的内部类H中有具体实现

死循环不会ANR,但是 dispatchMessage 中又可能会ANR哦!如果你在此执行一些耗时操作,导致这个消息一直没处理完,后面又接收到了很多消息,堆积太多,就会引起ANR异常!!!

2.Handler泄露的原因及正确写法

上面说了,如果直接在Activity中初始化一个Handler对象,会报如下错误:

原因是

在Java中,非静态内部类会持有一个外部类的隐式引用,可能会造成外部类无法被GC; 比如这里的Handler,就是非静态内部类,它会持有Activity的引用从而导致Activity无法正常释放。

而单单使用静态内部类,Handler就不能调用Activity里的非静态方法了,所以加上「弱引用」持有外部Activity。

代码示例如下

private static class MyHandler extends Handler {
    //创建一个弱引用持有外部类的对象
    private final WeakReference<MainActivity> content;

    private MyHandler(MainActivity content) {
        this.content = new WeakReference<MainActivity>(content);
    }

    @Override
    public void handleMessage(Message msg) {
        super.handleMessage(msg);
        MainActivity activity= content.get();
        if (activity != null) {
            switch (msg.what) {
                case 0: {
                    activity.notifyUI();
                }
            }
        }
    }
}
复制代码

转换成Kotlin:(Tips:Kotlin 中的内部类,默认是静态内部类,使用inner修饰才为非静态~)

private class MyHandler(content: MainActivity) : Handler() {
    //创建一个弱引用持有外部类的对象
    private val content: WeakReference<MainActivity> = WeakReference(content)

    override fun handleMessage(msg: Message) {
        super.handleMessage(msg)
        val activity = content.get()
        if (activity != null) {
            when (msg.what) {
                0 -> {
                    activity.notifyUI()
                }
            }
        }
    }
}
复制代码

另外,还有一种情况可能会引起内存泄漏:延时消息,Activity关闭消息还没处理完,可以在Activity的onDestroy()中调用:handler.removeCallbacksAndMessages(null) 移除Message/Runnable。

3.同步屏障机制

通过上面的学习,我们知道用Handler发送的Message后,MessageQueueenqueueMessage()按照 时间戳升序 将消息插入到队列中,而Looper则按照顺序,每次取出一枚Message进行分发,一个处理完到下一个。

这时候,问题来了:有一个紧急的Message需要优先处理怎么破?你可能或说**直接sendMessage()**不就可以了,不用等待立马执行,看上去说得过去,不过可能有这样一个情况:

一个Message分发给Handler后,执行了耗时操作,后面一堆本该到点执行的Message在那里等着,这个时候你sendMessage(),还是得排在这堆Message后,等他们执行完,再到你!

对吧?Handler中加入了「同步屏障」这种机制,来实现「异步消息优先执行」的功能。

添加一个异步消息的方法很简单:

  • 1、Handler构造方法中传入async参数,设置为true,使用此Handler添加的Message都是异步的;
  • 2、创建Message对象时,直接调用setAsynchronous(true)

一般情况下:同步消息和异步消息没太大差别,但仅限于开启同步屏障之前。可以通过 MessageQueuepostSyncBarrier 函数来开启同步屏障:

行吧,这一步简单的说就是:往消息队列合适的位置插入了同步屏障类型的Message (target属性为null) 接着,在 MessageQueue 执行到 next() 函数时:

遇到target为null的Message,说明是同步屏障,循环遍历找出一条异步消息,然后处理。在同步屏障没移除前,只会处理异步消息,处理完所有的异步消息后,就会处于堵塞。如果想恢复处理同步消息,需要调用 removeSyncBarrier() 移除同步屏障:

在API 28的版本中,postSyncBarrier()已被标注hide,但依旧可在系统源码中找到相关应用,比如: 为了更快地响应UI刷新事件,在ViewRootImplscheduleTraversals函数中就用到了同步屏障:

4.Android 11 R Handler 变更

官方文档developer.android.google.cn/reference/a…

构造函数

  • Handler() 废弃 → Handler(Looper.myLooper())
  • Handler(Handler.Callback callback) 废弃 → Handler(Looper.myLooper(), callback)

Looper.prepareMainLooper () 废弃 原因:主线程的Looper是由系统自动创建的,无需用户自行调用。

参考文献

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Android
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