Android消息机制（三）Handler、Looper、MessageQueue原理探索

开中断
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结合此前的内容，我们知道，ActivityThread的main函数中，实际上是做了几件事情：

  1. 初始化Looper
  2. Looper开始循环
  3. messageQueue.next()返回或者阻塞
  4. 处理消息

流程图.jpg

3 ~ 4之间是一个循环，一旦退出这个Looper的循环，那么意味着App也就退出了。

其中messageQueue.next()阻塞，阻塞的正是线程，准确的说应该是用户线程。当ActivityThread对应的主线程执行到这一行时，如果消息队列中没有消息，主线程就会被阻塞在此处，后续如果有新的消息到来了，就会唤醒，继续走4的处理消息的步骤，然后又进入3开始阻塞或者处理下一个消息。

显然，messageQueue.next()是IO，并且是阻塞式IO，它会卡住我们程序的执行。

我们知道，线程是处理机调度的基本单位，而可持续交互程序的本质，是利用一个循环不断地去读取消息，然后处理消息，换句话说，是一个线程在不断地去执行一个循环，读取消息，处理消息，

Looper也很纯粹，它主要的职责就是实现这么个循环，然后不断地去取消息，执行消息，但是它却是我们主线程的核心。我们的App的运行时，无论是从系统还是App里面，都会有源源不断的消息流入。

今天的内容，则主要聚焦于一次Looper将会发生什么：

image.png

1. Message: 消息和行为

我们知道，Looper会不断地进行循环，有则处理，无则阻塞在MessageQueue.next处。而Looper不断等待的内容，正是Message。

我们可以设置一个日志监听，最直观地感受一下不断地被Looper取出处理的Message:

Looper.getMainLooper().setMessageLogging { 
    println(it)
}

而Message包括下面的主要内容：

val message = Message.obtain()
    message.what
    message.arg1
    message.arg2
    message.obj
    message.callback

大致上能够分为两类首先是callback，即Message可以携带一个Runnable，一个可执行的单元，这也是runOnUiThread函数的实现方式。第二类则是使用一系列的标识：what、arg1、arg2等等来发送一些预定的行为。

什么是预定的行为？

例如你可以在ActivityThread.java中，看到class H，中的handleMessage就根据what字段的不同，有着各种各样的回调处理：

public void handleMessage(Message msg) {
  
    switch (msg.what) {
        case BIND_APPLICATION:
            // ......
            break;
        case EXIT_APPLICATION:
            // ......
            break;
        case RECEIVER:
            // ......
}

说白了，就是写死在ActivityThread.java中的回调，这些内容都是系统预置的，如果你通过绑定在主线程Looper上的Handler发送一个what = EXIT_APPLICATION的Message，程序是会被直接退出的，当然，你需要用一点手段才能拿到这样的Handler或者调用对应的方法。

比较早的版本是可以直接通过反射拿到Activity基类的mHandler变量的，但是比较新的版本已经被打上了@UnsupportedAppUsage标记，通过反射一般是拿不到该对象的。

总而言之，Message可以传递两种内容，消息（what/arg1/arg2/obj），也可以利用callback变量传递一段代码Runnable。虽然不存在二者都有的情况，但是逻辑上是Runnable会优先被执行的。

此外Message通过target属性来标记目标Handler。

并不是所有Message都会被压在队列中执行，也不会所有的Message都会切线程，具体的细节取决于你对Handler的使用，详见#5。

2.MessageQueue.next()是如何取消息的

上面我们提到了，程序可能会阻塞在messageQueue.next()处，那么Looper是如何阻塞并且获取Message的呢？

Message next() {
    // ……
    for (;;) {
        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
            Binder.flushPendingCommands();
        }

        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

        synchronized (this) {
           // ……
        }

        // run idlehandler
    }
}

大家对上述的代码应该比较熟悉，又是一个循环，然后调用nativePollOnce(ptr,nextPollTimeoutMillis()，我们可以猜测阻塞和它相关，而上面的Binder.flushPendingCommands()，我们可以看看它的注释：

将当前线程中挂起的任何Binder命令刷新到内核驱动程序。这对于在执行可能会阻塞很长时间的操作之前进行调用非常有用，以确保已释放任何挂起的对象引用，以防止进程对对象的占用时间超过所需的时间。

关键在于，在这之后的代码可能会发生长时间的阻塞。 总之，想要知其所以然，我们需要看看nativePollOnce的源码究竟做了些什么，我们快速定位到源码的位置：

android_os_MessageQueue.cpp - OpenGrok cross reference for /frameworks/…

static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env, jobject obj,189          jlong ptr, jint timeoutMillis) 
{
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    nativeMessageQueue->pollOnce(env, obj, timeoutMillis);
}

然后是pollOnce

void NativeMessageQueue::pollOnce(JNIEnv* env, jobject pollObj, int timeoutMillis) {108      mPollEnv = env;
      mPollObj = pollObj;
 mLooper->pollOnce(timeoutMillis); 
      mPollObj = NULL;
      mPollEnv = NULL;
      if (mExceptionObj) {
          env->Throw(mExceptionObj);
          env->DeleteLocalRef(mExceptionObj);
          mExceptionObj = NULL;
      }
}

然后又落到Looper的pollOnce之上，但是区别在于此时的mLooper不再是Java对象了，而是C++对象：

int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData) {174      int result = 0;
    for (;;) {
        // 省略号
        result = pollInner(timeoutMillis); 
    }
}

你会发现， 底层的代码，也是循环：

Looper.cpp - OpenGrok cross reference for /system/core…

int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {
    // ……
    int eventCount = epoll_wait(mEpollFd.get(), eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);
    // ……
}

所以，native层的Handler机制，实际上是使用epoll来进行驱动的。

你并不必非常详细地知道epoll的细节，你暂时只需要知道epoll能够阻塞IO，并且实现唤醒即可，正如手册中说的那样：event notification facility，即事件通知设施。

epoll有一个参数是timeoutMillis，如果有数据则返回；没有数据则sleep，如果超过这个时间没有消息，此时也会返回，所以在倒数第二层的Looper::pollOnece中，仍然是使用了一个循环，用于轮询，也就是：

for(;;){
  // 有消息->返回；
  // 没有消息 -> 睡眠一段时间，继续循环
}

所以，你会发现只要和IO相关的地方，基本上都离不开循环。如果循环是在用户空间，例如ActivityThread中的代码，通常是通过系统调用，陷入内核；内核也是利用循环来读取消息，但是内核代码通常有更高的权限，它可以去请求调度的执行，让当前等待IO的程序让出CPU，在IO完成之后，再去响应等等，此前用户空间的代码在内核空间完成处理之后就会完成阻塞。

3.MessageQueue的next()和enqueue()

如果你仔细看了前面的内容，你会发现，MessageQueue.next的阻塞是调用native，利用epoll机制实现的消息获取。但是如果你简单地看一看MessageQueue的enqueueMessage，即添加消息的代码，你会发现，添加事件的代码几乎全部都发生在Java层，但是添加完了之后，根据needWake标记位去调用nativeWake。也就是说，消息是在Java层存储的，但是阻塞 + 唤醒的机制是利用Native层的。 之前我们已经看过了enqueue，现在来看看nativeWake做了什么:

void Looper::wake() {
    ALOGD("%p ~ wake", this);
    uint64_t inc = 1;
    ssize_t nWrite = TEMP_FAILURE_RETRY(write(mWakeEventFd. get (), &inc, sizeof(uint64_t)) );
    if (nWrite != sizeof(uint64_t)) {
        if (errno != EAGAIN) {
            LOG_ALWAYS_FATAL("Could not write wake signal to fd %d (returned %zd): %s",
                 mWakeEventFd.get(), nWrite, strerror(errno));
        }
    }
}

就是往需要wake的fd中写入内容，然后唤醒对应的next，而在enqueue中会等待epoll_wait，epoll_wait返回时，阻塞完成，则继续向下执行，也就是说在IO完成之后，最终会根据不同的eventCount和eventItem去调用awoken方法，

int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {#if DEBUG_POLL_AND_WAKEALOGD("%p ~ pollOnce - waiting: timeoutMillis=%d", this, timeoutMillis);
    // ……
    int eventCount = epoll_wait(mEpollFd.get(), eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);
    
    // ……
    for (int i = 0; i < eventCount; i++) {
        int fd = eventItems[i].data.fd;
        uint32_t epollEvents = eventItems[i].events;
        if (fd == mWakeEventFd.get()) {
            if (epollEvents & EPOLLIN) {
                awoken(); 
            } else {
                ALOGW("Ignoring unexpected epoll events 0x%x on wake event fd.", epollEvents);
            }
        } else {
            // …… 
        }
    // ……
    return result;
}

而awoken的实现：

void Looper::awoken() {
    uint64_t counter;
    TEMP_FAILURE_RETRY(read(mWakeEventFd.get(), &counter, sizeof(uint64_t)));
}

显然，MessageQueue的休眠 + 唤醒就是一组搭配上epoll机制进行唤醒的，读空阻塞 + 写后唤醒，真正的事件是从上层Java代码里下发的，在Java中的MessageQueue里面进行enqueue，写完后调用native进行唤醒正在休眠的线程。

当然，当Looper对应的MessageQueue中没有消息导致阻塞了才需要唤醒，如果此刻的MessageQueue特别忙压根没时间休息也没必要去唤醒。

读到这里，你应该对MessageQueue和Looper有了新的的认识，无论是取消息时会在epoll机制的作用下阻塞，但是一旦有生产者向消息队列中发送消息，就会通过native层，唤醒被阻塞的线程。

流程图 (2).jpg

4. 发送消息的句柄：Handler

所谓的句柄，就是一个引用，更通俗地来说，就是一个“抓手”，让我们随时能够拿到发送消息的这么一个结构。

Handler的使用无非就是以下几个步骤：

  1. 声明Handler，最重要的是设置目标Looper，也就是确定目标循环，最终的目的是确定通过本Handler发送的消息所有执行的目标线程。

  2. 传递Handler引用。

  3. 使用Handler引用，调用post方法发送消息。

代码中，散落在各处的Handler绝大部分都指向主线程，比如Activity基类是自带一个Handler的，如果Handler的构造参数传空，会默认调用线程的静态方法Looper.myLoop获取Looper实例，最终就是一个指向Main线程Looper的Handler:

@UnsupportedAppUsage
final Handler mHandler = new Handler();

Activity中的runOnUiThread便借助了这个Handler：

public final void runOnUiThread(Runnable action) {
    if (Thread.currentThread() != mUiThread) {
        mHandler.post(action);
    } else {
        action.run();
    }
}

它帮我们将一个Handler抛向UI线程（主线程）执行，实质是抛向主线程的Looper，最终会在Looper循环中不断地将消息取出，之后执行或者压入队列。

对于线程来说，Looper也只能有一个，MessageQueue和线程是锁死的，只能一对一，而Looper和线程也是锁死的，所以Looper在初始化的时候就生成了自己的MessageQueue，MessageQueue实际上是Looper实例的一个变量。

具体是如何做到和线程绑定的，可以看看ThreadLocal相关的内容。在这里你只需要知道，通过Looper.myLooper()取出的一定是调用Looper.myLooper()对应的当前线程的Looper即可。

显然，我们通过Handler可以发送Message，但是Handler不光要管发送，还要管处理。前面提到了，Message的分类大致上可以分为两类：1是数据类，2是Runnable类。

  • 数据类主要传递一些数据，交给Handler的handleMessage回调方法去处理；

  • Runnable则主要能够传递一些动态的代码，让其在Handler指定的线程处理；

4.1 dispatchMessage方法：立即执行（同步执行）

二者使用的方法也不同，如果你使用Handler.dispatchMessage来派发一个方法，那么处理的先后顺序就是：

  1. msg的回调，即立即执行Runnable。
  2. 立即执行通过代码动态设置Handler的Callback。UnsupportedAppUsage
  3. 立即执行handleMessage的处理方案；

注意，通过dispatchMessage传递的消息是顺序执行的，将不会被压入MessageQueue队列中执行，不经过MessageQueue、Looper这一套流程就意味着不会被目标线程「捞起来」执行，所以dispatchMessage方法都是在调用线程中执行的，并不会切换线程。真正切换线程的时机在于消息进入队列之后，被目标线程的Looper取出这个动作，以实现工作线程的切换。换言之，如果希望切线程你必须使用post方法来发送Message。

4.2 post方法：压入队列执行（异步执行）

只有post系列的方法才会压入队列执行，但是最终Looper从队列取出消息之后，仍然调用的是dispatchMessage()方法去立即执行，post系列的方法自带一定的延迟（不多，几毫秒到几百毫秒都有可能，视主线程的任务数量、处理时长而定）。

  1. 既然直接调用dispatchMessage()是同步的，没有延迟，那么如果子线程调用主线程的Handler.dispatchMessage的时候，主线程已经有一个Message在执行了怎么办？

上面提到了，dispatchMessage并不会切线程，子线程调用dispatchMessage，那么无论是Message.callback还是Handler的handleMessage方法，都仍是在子线程执行的，并不会影响主线程的执行。

  1. **为什么Handler不直接去处理，而是要压到一个队列里面？

Handler有多个，但是线程只有一个。

以主线程为例，对应到主线程的Handler实例也是非常多的，但是一个线程同一时间只能处理一段代码，如果多个Message发出的Runnable发生并发请求执行，一个线程是无法同时处理的，必然要这么个结构来做消息的存储，按顺序执行。所以Handler的发送消息（postMessage）和执行消息（callback）是分开的。

而线程对应的Looper、MessageQueue也只有一个。

这就会出现MessageQueue中有非常多Message，但是可能各个MessageQueue对应的Handler都不一样，但是他们之间通常绝大多数时候都是有序的，对应的主线程就在不断地执行Handler的回调方法，无一例外的，所有的代码最终都是在主线程上执行的。

image.png 如果你熟悉一些基于事件队列的单线程编程语言，比如大家熟悉的Flutter、JavaScript等等。它们正是这样实现所谓的异步操作的，也被叫做伪异步，例如Flutter，它异步的本质上是往事件队列的末端加入一个新的Future，虽然JavaScript、Flutter这类的语言只提供了一个线程（Flutter中对应的ISolate）给我们操作，但是又不能影响绘制，依赖的就是这样的伪异步操作。两个伪异步操作之间仍然有先后顺序，并不是完全并行的。

5.实践：利用ActivityThread下的Handler退出我们的App

首先，我们需要切到较低的Android版本，这里选择的是API23，即6.0，这样我们可以通过反射拿到被@UnsupportedAppUsage注解标记的变量，但是高版本上是行不通的，所以这并不能当成一种常规的手段在开发中使用。

  • 需要拿到ActivityThread下的Handler对象

但是ActivityThread的引用并不好获取，但是我们查找ActivityThread对象的创建时，我们可以看到：

ActivityThread thread = new ActivityThread();
thread.attach(false, startSeq);

if (sMainThreadHandler == null) {
    sMainThreadHandler = thread.getHandler();
}

@UnsupportedAppUsage
public Handler getHandler() {
    return mH;
}

即系统预置的这个Handler被挂在sMainThreadHandler之下，而thread.getHandler()中，对应的正是在ActivityThread对象中创建的主线程Handler对象：final H mH = new H();

  • 获取对应的MessageQueue

第一步中获取Handler的目的是此前提到的，使用Handler的第二步：获取Handler引用，通过引用发送Message，然后在Handler实现handleMessage的地方处理回调。

其实按理说我们只需要这样就可以完成这个实践了：

val message = Message.obtain()
message.what = 111; // public static final int EXIT_APPLICATION        = 111;
mInnerHandler.dispatchMessage(message)

但是直接跑起来是直接会抛出异常的，因为主线程是不允许被退出的：

Main thread not allowed to quit.

我们跟踪H类中EXIT_APPLICATION的实现，我们可以发现这个限制是被MessageQueue的mQuitAllowed变量控制，所以我们还需要反射修改MessageQueue的mQuitAllowed变量值为true。

因为线程、MessageQueue、Looper的关系是一一对应的，所以我们可以直接使用上面获取到的Handler拿到Looper再拿到MessageQuque，也可以直接使用Looper.getMainLooper()获取主线程的Looper然后再去拿MessageQueue，结果都是同一个MessageQueue对象，然后再反射调用，修改mQuitAllowed的值为true即可：

val mMessageQueue: MessageQueue =
    mInnerHandler.looper.fastGetDeclaredFieldDynamic("mQueue")
        ?: return@setOnClickListener
// 反射设置主线程MessageQueue允许退出
mMessageQueue.fastSetDeclaredFieldsDynamic("mQuitAllowed", true)
        
// 或者
Looper.getMainLooper().fastGetDeclaredFieldDynamic<MessageQueue>("mQueue")
    ?.fastSetDeclaredFieldsDynamic("mQuitAllowed", true)

其中反射相关的代码需要自己去实现，完整代码大概长这样：

// 获取activityThread中，静态的sMainThreadHandler实例
val activityThread = classLoader.loadClass("android.app.ActivityThread")
val mInnerHandler: Handler =
    activityThread.fastGetDeclaredFieldStatic("sMainThreadHandler")
        ?: return@setOnClickListener
// 反射获取InnerHandler对应的Looper的MessageQueue
val mMessageQueue: MessageQueue =
    mInnerHandler.looper.fastGetDeclaredFieldDynamic("mQueue")
        ?: return@setOnClickListener
// 反射设置主线程MessageQueue允许退出
mMessageQueue.fastSetDeclaredFieldsDynamic("mQuitAllowed", true)
val message = Message.obtain()
message.what = 111; // public static final int EXIT_APPLICATION        = 111;
mInnerHandler.dispatchMessage(message)

执行上述代码，实践是成功了，虽然最后程序还是崩溃了，但是是因为主线程循环被退出了，最后抛出了一个异常：

Main thread loop unexpectedly exited

因为ActivityThread.java中main函数就是这样写的，Looper.loop()完成之后自然而然就走到throw new Execption当中。

public static void main(String[] args) {
    // 省略号
    Looper.prepareMainLooper();
    // 省略号
    Looper.loop(); 
    // 省略号
    throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}

如果你在主线程的异常兜底里面将这个异常兜住会发生什么？

Thread.currentThread().setUncaughtExceptionHandler { t, e ->
    e.printStackTrace()
}

这样一来程序不会崩溃退出，但是界面就卡死在那里了，UI虽然还在，但是已经Debug中已经无法找到对应的程序了：

如果此时你再去看函数的堆栈，你会发现此前的两个main函数已经消失了，只剩下catch异常的栈帧了。

发送消息之前的栈帧

发送消息之后的栈帧

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