Android - 消息机制流程

概述

Android系统某种意义上也可以说成是一个以消息驱动的系统。消息机制涉及/Looper/Handler/MessageQueue/Message这4个类。

模型

消息机制主要包含：

• Message：消息分为硬件产生的消息(如按钮、触摸)和软件生成的消息；
• MessageQueue：消息队列的主要功能向消息池投递消息(MessageQueue.enqueueMessage)和取走消息池的消息(MessageQueue.next)；
• Handler：消息辅助类，主要功能向消息池发送各种消息事件(Handler.sendMessage)和处理相应消息事件(Handler.handleMessage)；
• Looper：不断循环执行(Looper.loop)，按分发机制将消息分发给目标处理者。

大致流程

• Handler通过sendMessage()发送Message到MessageQueue队列；
• Looper通过loop()，不断提取出达到触发条件的Message，并将Message交给target来处理；
• 经过dispatchMessage()后，交回给Handler的handleMessage()来进行相应地处理。
• 将Message加入MessageQueue时，处往管道写入字符，可以会唤醒loop线程；如果MessageQueue中没有Message，并处于Idle状态，则会执行IdelHandler接口中的方法，往往用于做一些清理性地工作。

简单demo

public class Demo extends Thread{

    private Handler mHandler;
    
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        Looper.prepare();
        mHandler = new Handler(){
            @Override
            public void handleMessage(@NonNull Message msg) {
                super.handleMessage(msg);
                //消息处理
            }
        };
        Looper.loop();
    }
}

Looper类的分析

Looper.prepare()

public static void prepare() {
    prepare(true);
}
//quitAllowed true表示可以退出 false表示不可以退出
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
    if (sThreadLocal.get() != null) {
        throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
    }
    //创建Looper对象，并保存到当前线程的TLS区域
    sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}

sThreadLocal 是ThreadLocal

static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();

ThreadLocal

ThreadLocal是线程本地存储区（TLS），每个线程都有自己私有的本地存储区域，不同的线程之间是不能相互访问的。

ThreadLocal中常用的方法

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();//获取当前线程
    ThreadLocalMap map = getMap(t);//查找当前线程的存储区域
    if (map != null)
        map.set(this, value);//保存数据到当前线程中
    else
        createMap(t, value);
}

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            //返回当前线程存储区域中的数据
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

sThreadLocal的get和set方法其实操作的是Looper

ThreadLocal就大致介绍到这里。

Looper.prepare()

Looper.prepare()在每个线程只允许执行一次，该方法会创建Looper对象，Looper的构造方法中会创建一个MessageQueue对象，再将Looper对象保存到当前线程TLS。

private Looper(boolean quitAllowed) {
    mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);//创建MQ对象
    mThread = Thread.currentThread();//记录当前线程
}

在ActivityThread类中有一个prepareMainLooper方法与prepare功能类似

@Deprecated
public static void prepareMainLooper() {
    prepare(false);//设置不可以退出
    synchronized (Looper.class) {
        if (sMainLooper != null) {
            throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
        }
        sMainLooper = myLooper();
    }
}

Looper.loop()

public static void loop() {
    final Looper me = myLooper();//获取looper对象
    
    final MessageQueue queue = me.mQueue; //获取Looper对象中的MQ

    Binder.clearCallingIdentity();
    //确保在权限检查时是基于本地进程，而不是调用进程
    final long ident = Binder.clearCallingIdentity();

    for (;;) { //进入loop的循环方法
        Message msg = queue.next(); // might block
        if (msg == null) { //没有消息的话退出循环
            return;
        }

        final Printer logging = me.mLogging;
        if (logging != null) {
            logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
                    msg.callback + ": " + msg.what);
        }
        ...
        try {
            msg.target.dispatchMessage(msg);//用于分发消息
            if (observer != null) {
                observer.messageDispatched(token, msg);
            }
            dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
        } catch (Exception exception) {
            if (observer != null) {
                observer.dispatchingThrewException(token, msg, exception);
            }
            throw exception;
        } finally {
            ThreadLocalWorkSource.restore(origWorkSource);
            if (traceTag != 0) {
                Trace.traceEnd(traceTag);
            }
        }
        ...
        //恢复调用者信息
        final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity();
        msg.recycleUnchecked();//将message放入消息池
    }
}

loop()进入循环模式，不断重复下面的操作，知道没有消息退出循环

• 读取MQ的下一条message
• 把message分发给相应的target
• 把分发后的message放回到消息池，以便重复利用

Looper.quit()

public void quit() {
    mQueue.quit(false);//消息移除
}

public void quitSafely() {
    mQueue.quit(true);//安全移除消息
}

MessageQueue.quit()

void quit(boolean safe) {
// 当mQuitAllowed为false，表示不运行退出，强行调用quit()会抛出异常
    if (!mQuitAllowed) {
        throw new IllegalStateException("Main thread not allowed to quit.");
    }
    synchronized (this) {
        if (mQuitting) { //防止多次执行退出操作
            return;
        }
        mQuitting = true;
        if (safe) {
            removeAllFutureMessagesLocked();//移除尚未触发的所有消息
        } else {
            removeAllMessagesLocked();//移除所有消息
        }
        // We can assume mPtr != 0 because mQuitting was previously false.
        nativeWake(mPtr);
    }
}

消息退出的方式：

• 当safe==true ，只移除尚未触发的所有消息，对正在触发的消息不移除
• 当safe==flase，移除所有消息

Looper.myLooper()

//获取looper对象
public static @Nullable Looper myLooper() {
    return sThreadLocal.get();
}

Handler类的分析

无参构造

public Handler() {
    this(null, false);
}

public Handler(@Nullable Callback callback, boolean async) {
//匿名类、内部类或本地类都必须申明为static，否则会警告可能出现内存泄露
if (FIND_POTENTIAL_LEAKS) {
        final Class<? extends Handler> klass = getClass();
        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());
        }
    }
    //必须先执行Looper.prepare()，才能获取Looper对象，否则为null.
    mLooper = Looper.myLooper();
    if (mLooper == null) {
        throw new RuntimeException(
            "Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
                    + " that has not called Looper.prepare()");
    }
    mQueue = mLooper.mQueue;//消息队列
    mCallback = callback;//回掉
    mAsynchronous = async;//设置消息是否异步处理
}

对于handler的无参数的构造方法，默认是用当前线程中的looper对象，并且callback为bull，且消息时同步处理的。

有参构造

public Handler(@NonNull Looper looper) {
    this(looper, null, false);
}
public Handler(@NonNull Looper looper, @Nullable Callback callback, boolean async) {
    mLooper = looper;
    mQueue = looper.mQueue;
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;
}

有参数构造可以指定looper，callback和消息处理方式，而无参的只能使用当前线程的looper对象。

消息分发

在looper.loop() 中，当发现有消息时，会调用消息目标的dispatchMessage() 方法来分发消息

public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
    if (msg.callback != null) {
        //当callback不为空，回掉callback的run方法
        handleCallback(msg);
    } else {
        if (mCallback != null) {
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        //调用自身的handleMessage方法
        handleMessage(msg);
    }
}

消息分发的流程：

1. 当message的回掉方法不为空时，调用callback.run()。其中callback类型时runnable。
2. 当Handler的mCallback成员变量不为空时，回掉mCallback.handleMessage(msg)
3. 调用Handler自身的回调方法handleMessage()，该方法默认为空，Handler子类通过覆写该方法来完成具体的逻辑

实际中一般都是第三种，覆写handleMessage()实现自己的业务逻辑。

消息发送

消息发送涉及的方法比较多，但是最终都是调用MessageQueue.enqueueMessage()

private boolean enqueueMessage(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
        long uptimeMillis) {
    msg.target = this;
    msg.workSourceUid = ThreadLocalWorkSource.getUid();

    if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}

MessageQueue.enqueueMessage()

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
     //消息必须有一个target
    if (msg.target == null) {
        throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
    }
    synchronized (this) {
        if (msg.isInUse()) {removeMessages
            throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
        }
        if (mQuitting) {//正在退出时，回收message，加入消息池
            msg.recycle();
            return false;
        }
        msg.markInUse();
        msg.when = when;
        Message p = mMessages;
        boolean needWake;
        if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
        //p为null(代表MessageQueue没有消息） 或者msg的触发时间是队列中最早的， 则进入该该分支
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
            needWake = mBlocked; //阻塞时需要唤醒
        } else {
        //将消息按时间顺序插入到MessageQueue。一般地，不需要唤醒事件队列，除非 //消息队头存在barrier，并且同时Message是队列中最早的异步消息。
            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;
        }
        if (needWake) {
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
    return true;
}

MessageQueue是按照Message触发时间的顺序排列的，队头的消息是最早触发的消息。当有消息需要加入消息队列时，会从队列头开始遍历，直到找到消息应该插入的合适位置，以保证所有消息是按照时间排序的。

其他常用方法

public final Message obtainMessage()
{
    return Message.obtain(this);
}

public final void removeMessages(int what) {
    mQueue.removeMessages(this, what, null);
}

handler是消息机制中非常重要的辅助类，更多的实现是MessageQueue和message中的方法。

MeaagesQueue类的分析

构造方法

MessageQueue(boolean quitAllowed) {
    mQuitAllowed = quitAllowed;
    //通过native方法初始化消息队列，mPtr是给native代码使用的
    mPtr = nativeInit();
}

next() 取消息

Message next() {
    final long ptr = mPtr;
    if (ptr == 0) {//消息循环结束，直接返回
        return null;
    }

    int pendingIdleHandlerCount = -1; // 循环迭代的第一次设置为-1
    int nextPollTimeoutMillis = 0;
    for (;;) {
        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
            Binder.flushPendingCommands();
        }
       //阻塞操作
        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
        synchronized (this) {
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages;
            //当消息的handler为空则查询异步消息
            if (msg != null && msg.target == null) {
                do {
                    prevMsg = msg;
                    msg = msg.next;
                } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
            }
            if (msg != null) {
                if (now < msg.when) {
                   //当异步消息触发时间大于当前时间，则设置下一次轮询的超时时长
                    nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                } else {
                    // 获取消息并返回
                    mBlocked = false;
                    if (prevMsg != null) {
                        prevMsg.next = msg.next;
                    } else {
                        mMessages = msg.next;
                    }
                    msg.next = null;
                    if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
                    //设置消息的使用状态
                    msg.markInUse();
                    return msg;
                }
            } else {
                //没有消息
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }
            //消息正在退出，返回null
            if (mQuitting) {
                dispose();
                return null;
            }

            if (pendingIdleHandlerCount < 0
                    && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
                pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
            }
            if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
                mBlocked = true;
                continue;
            }

            if (mPendingIdleHandlers == null) {
                mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
            }
            mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
        }
        //只有第一次循环时，会运行idle handlers，执行完成后，重置pendingIdleHandlerCount为0.
        for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
            final IdleHandler idler = mPendingIdleHandlers[i];
            mPendingIdleHandlers[i] = null; // 去掉handler的引用
            boolean keep = false;
            try {
                keep = idler.queueIdle();
            } catch (Throwable t) {
                Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
            }

            if (!keep) {
                synchronized (this) {
                    mIdleHandlers.remove(idler);
                }
            }
        }
        //重置IdleHandler
        pendingIdleHandlerCount = 0;
        nextPollTimeoutMillis = 0;
    }
}

nativePollOnce是阻塞操作，其中nextPollTimeoutMillis代表下一个消息到来前，还需要等待的时长；当nextPollTimeoutMillis = -1时，表示消息队列中无消息，会一直等待下去。

当处于空闲时，往往会执行IdleHandler中的方法。当nativePollOnce()返回后，next()从mMessages中提取一个消息。

enqueueMessage()

在handler中已经介绍了，这里就不在重复。

其他常用的方法

void removeMessages(Handler h, int what, Object object) {
    if (h == null) {
        return;
    }
    synchronized (this) {
        Message p = mMessages;

        // Remove all messages at front.
        while (p != null && p.target == h && p.what == what
               && (object == null || p.obj == object)) {
            Message n = p.next;
            mMessages = n;
            p.recycleUnchecked();
            p = n;
        }

        // Remove all messages after front.
        while (p != null) {
            Message n = p.next;
            if (n != null) {
                if (n.target == h && n.what == what
                    && (object == null || n.obj == object)) {
                    Message nn = n.next;
                    n.recycleUnchecked();
                    p.next = nn;
                    continue;
                }
            }
            p = n;
        }
    }
}

这个移除消息的方法，采用了两个while循环，第一个循环是从队头开始，移除符合条件的消息，第二个循环是从头部移除完连续的满足条件的消息之后，再从队列后面继续查询是否有满足条件的消息需要被移除

小结

MessageQueue是消息机制的Java层和C++层的连接纽带，大部分核心方法都交给native层来处理

Meaages类的分析

消息对象包含的内容

变量	解释
what	消息类别
when	消息发送的时间
arg1	参数1
arg2	参数2
obj	消息内容
target	消息的接收方
callback	回掉方法

消息池

public static final Object sPoolSync = new Object();

把消息加入到消息池的作用。这样的好处是，当消息池不为空时，可以直接从消息池中获取Message对象，而不是直接创建，提高效率。

静态变量sPoolSync的数据类型为Message，通过next成员变量，维护一个消息池；静态变量MAX_POOL_SIZE代表消息池的可用大小；消息池的默认大小为50。

消息池常用的操作方法是obtain()和recycle()。

obtain()

public static Message obtain() {
    synchronized (sPoolSync) {
        if (sPool != null) {
            Message m = sPool;
            sPool = m.next;
            m.next = null;//从sPool中取出一个Message对象，并消息链表断开
            m.flags = 0; // clear in-use flag
            sPoolSize--;//消息池的可用大小进行减1操作
            return m;
        }
    }
    return new Message();//当消息池为空时，直接创建Message对象
}

从消息池取Message，再把表头指向next;

recycle()

public void recycle() {
    if (isInUse()) {//是否在使用
        if (gCheckRecycle) {
            throw new IllegalStateException("This message cannot be recycled because it "
                    + "is still in use.");
        }
        return;
    }
    recycleUnchecked();
}
//将不再使用的message加入到消息池
void recycleUnchecked() {
    // Mark the message as in use while it remains in the recycled object pool.
    // Clear out all other details.
    flags = FLAG_IN_USE;
    what = 0;
    arg1 = 0;
    arg2 = 0;
    obj = null;
    replyTo = null;
    sendingUid = UID_NONE;
    workSourceUid = UID_NONE;
    when = 0;
    target = null;
    callback = null;
    data = null;

    synchronized (sPoolSync) {
        if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
            next = sPool;
            sPool = this;
            sPoolSize++;
        }
    }
}

将Message加入到消息池的过程，都是把Message加到链表的表头