从源码的角度解析Handler、Looper、Message和MessageQueue

导语

虽然很基础的一个东西,然是最近面试中还是常常最被问到,而且都是到源码层,因此决定再造一次轮子!

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作为一名Android程序猿,想必在最开始都碰到这么一个问题,就是在子线程中弹出一个 Toast,会抛出以下的异常:

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java.lang.RuntimeException: Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()
at android.os.Handler.<init>(Handler.java:121)
at android.widget.Toast$TN.<init>(Toast.java:322)
at android.widget.Toast.<init>(Toast.java:91)
at android.widget.Toast.makeText(Toast.java:238)
at com.example.testapp.MyActivity$MyAsyncTask.doInBackground(MyActivity.java:25)
at com.example.testapp.MyActivity$MyAsyncTask.doInBackground(MyActivity.java:21)

按传统的说法就是 Toast 只能在UI线程中显示,实际上不是的,应该是 Toast 只能在带有 Looper 的线程中显示。

另一个常见的场景,就是在子线程创建一个 Handler 也会抛出与上述一样的异常:

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Java.lang.RuntimeException: Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()
at android.os.Handler.<init>(Handler.java:121)

而在主线程为什么不会有该异常呢?这就是源码的东西了,在程序入口方法已经调用过以下代码,来创建一个主线程了:

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Looper.prepareMainLooper();
ActivityThread thread = new ActivityThread();
thread.attach(false);
Looper.loop();

这个时候疑问就来了,什么是 Looper?

先来看一张图,初步了解一下 Handler、Looper、Message、MessageQueue 之间的关系

这里写图片描述

对于一个线程来说,Handler 允许发送和处理与该线程的 MessageQueue 相关联的 Message 或 Runnable 对象。每一个 Handler 实例与单个线程的 MessageQueue 相关联。

当我们创建一个 Handler 实例的时候,它将会绑定到当前所处的线程及其对应的消息队列,然后就是往消息队列里面传递消息或者 Runabble 对象,并在消息队列中取出消息来处理,或者取出 Runnable 对象进行执行!

Handler

Handler 作用

从本质上来讲,Handler 主要有以下两个作用

  • 调度消息和runnable对象去被执行,换句话说,就是在同一个线程中处理一些消息
  • 使得某个消息动作在不同线程中执行,也就是往其他线程的消息队列里插入消息

消息的调度主要有以下几种方式:

  • post(Runnable)
  • postAtTime(Runnable,long)
  • postDelayed(Runnable,long)
  • sendMessage(Message)
  • sendMessageAtTime(Message,long)
  • sendMessageDelayed(Message,long)
  • sendEmptyMessage(int)
  • sendEmptyMessageAtTime(int, long)
  • sendEmptyMessageDelayed(int, long)

最后实际上都是调用 sendEmptyMessageAtTime(Message,long) 方法

从上面的这些方法中可以看出:

  • post开头的几个方法,允许将 Runnable 对象插入到消息队列以便调用。
  • sendMessage 对应的几个方法,可以将 Message 插入到 MessageQueue,然后通过 Handler 的 handleMessage 方法来处理相应的消息。

Message

Message 结构

Message 类主要包含以下几个参数

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public int what; // sendEmptyMessage 里面的 what,在 handleMessage 方法可以对不同的 Message.what 值做相应处理。
public Object obj; // Message 可以携带一个对象
Handler target; // 处理该消息的Handler
Message next;
Runnable callback; // 消息处理动作

1、从next参数可知,消息队列实际上是一个链表结构;

2、来看一下 Handler 的 dispatchMessage 方法:

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/**
* 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);
}
}

从中我们可以知道,如果 Message 有定义 callback,那么消息处理会交由callback 去执行,否则,交由 Handler 的 handleMessage 去执行。

Message 创建及发送

一般发送一条消息,我们会调用一下代码:

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handler.obtainMessage(int what, Object obj).sendToTarget();

那么,我们就简单分析一下消息创建的流程

1、Handler.obtainMessage

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public final Message obtainMessage(int what, Object obj)
{
return Message.obtain(this, what, obj);
}

2、 Message.obtain 创建消息

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public static Message obtain(Handler h, int what, Object obj) {
Message m = obtain();
m.target = h; // 指定了处理消息的Handler
m.what = what;
m.obj = obj;
return m;
}

3、 Message.sendToTarget 发送消息

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public void sendToTarget() {
target.sendMessage(this); // 调用 Handler的sendMessage
}

4、Handler.sendMessage(Message) 发送消息,最后实际上是调用sendMessageAtTime方法,往MessageQueue里面插入一条消息

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public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {
MessageQueue queue = mQueue;
if (queue == null) {
RuntimeException e = new RuntimeException(
this + " sendMessageAtTime() called with no mQueue");
Log.w("Looper", e.getMessage(), e);
return false;
}
return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);
}

至此,消息就发送完毕,也就是插入到了消息队列里面,接下来就是由消息队列处理了。

MessageQueue

MessageQueue 结构

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private final boolean mQuitAllowed; // 是否允许MessageQueue退出;
private long mPtr; // MessageQueue 是通过调用 C++ native MessageQueue 实现的,这个 mPtr 就是指向 native MessageQueue;
Message mMessages; // 表示存储消息链表的 Head
private boolean mQuitting; // 当前MessageQueue是否正在终止;
private boolean mBlocked; // 表示next()方法调用是否被block在timeout不为0的pollOnce上;

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是 enqueueMessage() 和 next()。

插入消息

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boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
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);
msg.recycle();
return false;
}
msg.markInUse();
msg.when = when;
Message p = mMessages;
boolean needWake;
// 插入到链表的头部,条件:链表为null或者当前消息的对应的触发时间比链表头的触发时间小,也就是比链表头早执行
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 {
// 通过触发时间,将消息插入到队列中合适的位置
// 如果需要唤醒线程处理则调用C++中的nativeWake()函数.
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;
}
}
// 执行链表插入
msg.next = p;
prev.next = msg;
}
// We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}

读取消息

消息循环读取,是在 Looper.loop() 方法调用之后,最后来执行 MessageQueue.next() 方法,我们来看一下该方法:

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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;
// 无限循环,往消息队列里面取消息
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) {
// 过滤掉同步消息
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
if (msg != null) {
if (now < msg.when) {
// 还未达到下一条消息的触发时间,为下一条待处理的消息设置就绪时间
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;
}
}

通过上面源码可知:

首先会去判断handler是否为null,是的话就跳过所有的同步消息,查找到需要最先处理的异步消息。如果第一个待处理的消息还没有到要触发时间,则设置激活等待时间;否则这个消息就是需要处理的消息,将该消息设置为 inuse状态,并将队列设置为非 blocked 状态,然后返回该消息。

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,当有新消息到来时,next() 会将这条消息返回同时也将这条消息从链表中移除。

Looper

首先,在理解 Looper 之前,我们需要稍微了解一下 ThreadLocal 这个类。

ThreadLocal 是用于为每个线程创建一个单独的变量副本,提供了保持对象的方法和避免参数传递的复杂性。ThreadLocal 类有一个泛型参数,设置了保存到 ThreadLocal 容器中的数据类型。

实际上在 ThreadLocal 类中有一个静态内部类 ThreadLocalMap (其类似于Map),用键值对的形式存储每一个线程的变量副本,ThreadLocalMap 中元素的key为当前 ThreadLocal 对象,而value对应线程的变量副本,每个线程可能存在多个 ThreadLocal。

那么,在 Looper 中,也存储该着为每个线程单独创建的 ThreadLocal,里面保存着该线程对应的 Looper。

Looper 创建

我们来看一下 Looper.prepare() 方法:

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static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
public static void prepare() {
prepare(true);
}
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
if (sThreadLocal.get() != null) {
// 这也就意味着 prepare 方法,创建了当前线程的一个 Looper,并且每个线程 只能创建一次
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}

Looper 开启循环

来看一下 Looper.loop() 方法:

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/**
* Run the message queue in this thread. Be sure to call
* {@link #quit()} to end the loop.
*/
public static void loop() {
// 进入当前线程的消息循环
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 (;;) {
// 从队列中取出一条消息
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
final Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
final long traceTag = me.mTraceTag;
if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
}
try {
// 分发消息给 Handler 处理
msg.target.dispatchMessage(msg);
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
if (logging != null) {
logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
}
// 回收释放
msg.recycleUnchecked();
}
}

线程阻塞问题

细心的童鞋就会有个疑问,主线程对应的这个 Looper,在调用 Looper.loop() 方法之后,开启了无限死循环,那么为什么不会造成线程阻塞,导致 UI 动不了?

这个问题实际上就需要了解一下 Activity 的启动过程了。这里就不细说了,主要先了解一下 ActivityThread.H 这个类,它是继承于 Handler,我们可以看一下他的消息处理:

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private final class H extends Handler {
public void handleMessage(Message msg) {
if (DEBUG_MESSAGES) Slog.v(TAG, ">>> handling: " + msg.what);
switch (msg.what) {
case LAUNCH_ACTIVITY: {
ActivityClientRecord r = (ActivityClientRecord)msg.obj;
r.packageInfo = getPackageInfoNoCheck(
r.activityInfo.applicationInfo);
handleLaunchActivity(r, null);
} break;
case RELAUNCH_ACTIVITY: {
ActivityClientRecord r = (ActivityClientRecord)msg.obj;
handleRelaunchActivity(r, msg.arg1);
} break;
case PAUSE_ACTIVITY:
handlePauseActivity((IBinder)msg.obj, false, msg.arg1 != 0, msg.arg2);
maybeSnapshot();
break;
case PAUSE_ACTIVITY_FINISHING:
handlePauseActivity((IBinder)msg.obj, true, msg.arg1 != 0, msg.arg2);
break;
case STOP_ACTIVITY_SHOW:
handleStopActivity((IBinder)msg.obj, true, msg.arg2);
break;
case STOP_ACTIVITY_HIDE:
handleStopActivity((IBinder)msg.obj, false, msg.arg2);
break;
case SHOW_WINDOW:
handleWindowVisibility((IBinder)msg.obj, true);
break;
case HIDE_WINDOW:
handleWindowVisibility((IBinder)msg.obj, false);
break;
case RESUME_ACTIVITY:
handleResumeActivity((IBinder)msg.obj, true,
msg.arg1 != 0);
break;
case SEND_RESULT:
handleSendResult((ResultData)msg.obj);
break;
case DESTROY_ACTIVITY:
handleDestroyActivity((IBinder)msg.obj, msg.arg1 != 0,
msg.arg2, false);
break;
case BIND_APPLICATION:
AppBindData data = (AppBindData)msg.obj;
handleBindApplication(data);
break;
case EXIT_APPLICATION:
if (mInitialApplication != null) {
mInitialApplication.onTerminate();
}
Looper.myLooper().quit();
break;
case NEW_INTENT:
handleNewIntent((NewIntentData)msg.obj);
break;
case RECEIVER:
handleReceiver((ReceiverData)msg.obj);
maybeSnapshot();
break;
case CREATE_SERVICE:
handleCreateService((CreateServiceData)msg.obj);
break;
case BIND_SERVICE:
handleBindService((BindServiceData)msg.obj);
break;
case UNBIND_SERVICE:
handleUnbindService((BindServiceData)msg.obj);
break;
case SERVICE_ARGS:
handleServiceArgs((ServiceArgsData)msg.obj);
break;
case STOP_SERVICE:
handleStopService((IBinder)msg.obj);
maybeSnapshot();
break;
case REQUEST_THUMBNAIL:
handleRequestThumbnail((IBinder)msg.obj);
break;
case CONFIGURATION_CHANGED:
handleConfigurationChanged((Configuration)msg.obj);
break;
case CLEAN_UP_CONTEXT:
ContextCleanupInfo cci = (ContextCleanupInfo)msg.obj;
cci.context.performFinalCleanup(cci.who, cci.what);
break;
case GC_WHEN_IDLE:
scheduleGcIdler();
break;
case DUMP_SERVICE:
handleDumpService((DumpServiceInfo)msg.obj);
break;
case LOW_MEMORY:
handleLowMemory();
break;
case ACTIVITY_CONFIGURATION_CHANGED:
handleActivityConfigurationChanged((IBinder)msg.obj);
break;
case PROFILER_CONTROL:
handleProfilerControl(msg.arg1 != 0, (ProfilerControlData)msg.obj);
break;
case CREATE_BACKUP_AGENT:
handleCreateBackupAgent((CreateBackupAgentData)msg.obj);
break;
case DESTROY_BACKUP_AGENT:
handleDestroyBackupAgent((CreateBackupAgentData)msg.obj);
break;
case SUICIDE:
Process.killProcess(Process.myPid());
break;
case REMOVE_PROVIDER:
completeRemoveProvider((IContentProvider)msg.obj);
break;
case ENABLE_JIT:
ensureJitEnabled();
break;
case DISPATCH_PACKAGE_BROADCAST:
handleDispatchPackageBroadcast(msg.arg1, (String[])msg.obj);
break;
case SCHEDULE_CRASH:
throw new RemoteServiceException((String)msg.obj);
}
if (DEBUG_MESSAGES) Slog.v(TAG, "<<< done: " + msg.what);
}
}

那么,对于创建一个Service来说,我们看一下 ApplicationThread 的调度:

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public final void scheduleCreateService(IBinder token,
ServiceInfo info, CompatibilityInfo compatInfo, int processState) {
updateProcessState(processState, false);
CreateServiceData s = new CreateServiceData();
s.token = token;
s.info = info;
s.compatInfo = compatInfo;
// 发送创建 Service 的消息
sendMessage(H.CREATE_SERVICE, s);
}

不难看出,实际上创建 ```Service、包括执行其生命周期,最后都是交由 ActivityThread.H 处理,包括 Activity 的生命周期,也是一样,所以 Looper 虽然死循环,但是本质上我们UI的展示、更新,也是通过 Handler 来处理了,所以并不会造成真正的UI阻塞。

所以,简单来讲,ActivityThread 实际上就是开启了一个消息循环,来执行 Activity、Service 等等的相关操作,一旦这个消息循环停止了,则意味着App进程也结束了。

但是,如果 handlerMessage 是在主线程执行,其处理尽可能不要执行耗时操作,避免UI卡顿或发生 ANR。

结语

最后,再回过头去看看前文中的那张图,相信你就能基本理解了!

感谢阅读!

~沙漠尽头必是绿洲~