掌握Android Handler消息机制核心代码
作者：白瑞德
阅读前需要对handler有一些基本的认识。这里先简要概述一下：
一、handler基本认识
1、基本组成
完整的消息处理机制包含四个要素：
Message(消息)：信息的载体MessageQueue(消息队列)：用来存储消息的队列Looper(消息循环)：负责检查消息队列中是否有消息，并负责取出消息Handler(发送和处理消息)：把消息加入消息队列中，并负责分发和处理消息
2、基本使用方法
Handler的简单用法如下：
Handler handler = new Handler(){
@Override
public void handleMessage(@NonNull Message msg) {
super.handleMessage(msg);
}
};
Message message = new Message();
handler.sendMessage(message);
注意在非主线程中的要调用Looper.prepare()和 Looper.loop()方法
3、工作流程
其工作流程如下图所示：
工作流程 从发送消息到接收消息的流程概括如下：
- 发送消息
- 消息进入消息队列
- 从消息队列里取出消息
- 消息的处理
下面就一折四个步骤分析一下相关源码：
二、发送消息
handle有两类发送消息的方法，它们在本质上并没有什么区别：
sendXxxx()
- boolean sendMessage(Message msg)
- boolean sendEmptyMessage(int what)
- boolean sendEmptyMessageDelayed(int what, long delayMillis)
- boolean sendEmptyMessageAtTime(int what, long uptimeMillis)
- boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
- boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis)
- boolean sendMessageAtFrontOfQueue(Message msg)
postXxxx()
- boolean post(Runnable r)
- boolean postAtFrontOfQueue(Runnable r)
- boolean postAtTime(Runnable r, long uptimeMillis)
- boolean postAtTime(Runnable r, Object token, long uptimeMillis)
- boolean postDelayed(Runnable r, long delayMillis)
- boolean postDelayed(Runnable r, Object token, long delayMillis)
这里不分析具体的方法特性，它们最终都是通过调用sendMessageAtTime()或者sendMessageAtFrontOfQueue实现消息入队的操作，唯一的区别就是post系列方法在消息发送前调用了getPostMessage方法：
private static Message getPostMessage(Runnable r) {
Message m = Message.obtain();
m.callback = r;
return m;
}
需要注意的是：sendMessageAtTime()再被其他sendXxx调用时，典型用法为：
sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
若调用者没有指定延迟时间，则消息的执行时间即为当前时间，也就是立即执行。Handler所暴露的方法都遵循这种操作，除非特别指定，msg消息执行时间就为：当前时间加上延迟时间,本质上是个时间戳。当然，你也可以任意指定时间，这个时间稍后的消息插入中会用到。 代码很简单，就是讲调用者传递过来的Runnable回调赋值给message（用处在消息处理中讲）。 sendMessageAtTime()和sendMessageAtFrontOfQueue方法都会通过enqueueMessage方法实现消息的入栈：
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);
}
代码很简单，主要有以下操作：
- 让
message持有发送它的Handler的引用（这也是处理消息时能找到对应handler的关键） - 设置消息是否为异步消息(异步消息无须排队，通过同步屏障，插队执行)
- 调用
MessageQueue的enqueueMessage方法将消息加入队列
三、消息进入消息队列
1、入队前的准备工作
enqueueMessage方法是消息加入到MessageQueue的关键，下面分段来分析一下：
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
if (msg.target == null) {
throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
}
//...省略下文代码
}
这端代码很简单：判断message的target是否为空，为空则抛出异常。其中，target就是上文Handler.enqueueMessage里提到到Handler引用。 接下来下来开始判断和处理消息
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
//...省略上文代码
synchronized (this) {
if (msg.isInUse()) {
throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
}
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;
//...省略下文代码
}
//...省略下文代码
}
首先加一个同步锁，接下来所有的操作都在synchronized代码块里运行 然后两个if语句用来处理两个异常情况：
- 判断当前
msg是否已经被使用，若被使用，则排除异常； - 判断消息队列（
MessageQueue）是否正在关闭，如果是，则回收消息，返回入队失败（false）给调用者，并打印相关日志
若一切正常，通过markInUse标记消息正在使用（对应第一个if的异常），然后设置消息发送的时间（机器系统时间）。 接下来开始执行插入的相关操作
2、将消息加入队列
继续看enqueueMessage的代码实现
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
//...省略上文代码
synchronized (this) {
//...省略上文代码
//步骤1
Message p = mMessages;
boolean needWake;
//步骤2
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
msg.next = p;
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
//步骤3
Message prev;
for (;;) {
prev = p;
p = p.next;
if (p == null || when < p.when) {
break;
}
if (needWake && p.isAsynchronous()) {
needWake = false;
}
}
msg.next = p;
prev.next = msg;
}
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
//步骤4
return true;
}
首先说明MessageQueue使用一个单向链表维持着消息队列的，遵循先进先出的软解。 分析上面这端代码：
第一步：mMessages就是表头，首先取出链表头部。
第二步：一个判断语句，满足三种条件则直接将msg作为表头：
- 若表头为空，说明队列内没有任何消息，msg直接作为链表头部；
- when == 0 说明消息要立即执行（例如
sendMessageAtFrontOfQueue方法，但一般的发送的消息除非特别指定都是发送时的时间加上延迟时间），msg插入作为链表头部； when < p.when，说明要插入的消息执行时间早于表头，msg插入作为链表头部。
第三步：通过循环不断的比对队列中消息的执行时间和插入消息的执行时间，遵循时间戳小的在前原则，将消息插入和合适的位置。
第四步：返回给调用者消息插入完成。
需要注意代码中的needWake和nativeWake，它们是用来唤醒当前线程的。因为在消息取出端，当前线程会根据消息队列的状态进入阻塞状态，在插入时也要根据情况判断是否需要唤醒。
接下来就是从消息队列中取出消息了
四、从消息队列里取出消息
依旧是先看看准备准备工作
1、准备工作
在非主线程中使用Handler，必须要做两件事
Looper.prepare()：创建一个LoopLooper.loop()：开启循环
我们先不管它的创建，直接分段看啊循环开始的代码：首先是一些检查和判断工作，具体细节在代码中已注释
public static void loop() {
//获取loop对象
final Looper me = myLooper();
if (me == null) {
//若loop为空，则抛出异常终止操作
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
if (me.mInLoop) {
//loop循环重复开启
Slog.w(TAG, "Loop again would have the queued messages be executed"
+ " before this one completed.");
}
//标记当前loop已经开启
me.mInLoop = true;
//获取消息队列
final MessageQueue queue = me.mQueue;
//确保权限检查基于本地进程,
Binder.clearCallingIdentity();
final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
final int thresholdOverride =
SystemProperties.getInt("log.looper."
+ Process.myUid() + "."
+ Thread.currentThread().getName()
+ ".slow", 0);
boolean slowDeliveryDetected = false;
//...省略下文代码
}
2、loop中的操作
接下来就是循环的正式开启，精简关键代码：
public static void loop() {
//...省略上文代码
for (;;) {
//步骤一
Message msg = queue.next();
if (msg == null) {
//步骤二
return;
}
//...省略非核心代码
try {
//步骤三
msg.target.dispatchMessage(msg);
//...
} catch (Exception exception) {
//...省略非核心代码
} finally {
//...省略非核心代码
}
//步骤四
msg.recycleUnchecked();
}
}
分步骤分析上述代码：
步骤一：从消息队列MessageQueue中取出消息（queue.next()可能会造成阻塞，下文会讲到）
步骤二：如果消息为null，则结束循环（消息队列中没有消息并不会返回null，而是在队列关闭才会返回null，下文会讲到）
步骤三：拿到消息后开始消息的分发
步骤四：回收已经分发了的消息，然后开始新一轮的循环取数据
2.1 MessageQueue的next方法
我们先只看第一步消息的取出，其他的在稍后小节再看，queue.next()代码较多，依旧分段来看
Message next() {
//步骤一
final long ptr = mPtr;
if (ptr == 0) {
return null;
}
//步骤二
int pendingIdleHandlerCount = -1;
//步骤三
int nextPollTimeoutMillis = 0;
//...省略下文代码
}
第一步：如果消息循环已经退出并且已经disposed之后，直接返回null，对应上文中Loop通过queue.next()取消息拿到null后退出循环
第二部：初始化IdleHandler计数器
第三部：初始化native需要用的判断条件，初始值为0，大于0表示还有消息等待处理（延时消息未到执行时间），-1则表示没有消息了。
继续分析代码：
Message next() {
//...省略上文代码
for(;;){
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
//...省略下文代码
}
}
这一段比较简单：
开启一个无限循环
nextPollTimeoutMillis != 0表示消息队列里没有消息或者所有消息都没到执行时间，调用nativeBinder.flushPendingCommands()方法，在进入阻塞之前跟内核线程发送消息，以便内核合理调度分配资源
再次调用native方法，根据nextPollTimeoutMillis判断，当为-1时，阻塞当前线程(在新消息入队时会重新进入可运行状态)，当大于0时，说明有延时消息，nextPollTimeoutMillis会作为一个阻塞时间，也就是消息在多就后要执行。
继续看代码：
Message next() {
//...省略上文代码
for(;;){
//...省略上文代码
//开启同步锁
synchronized (this) {
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
//步骤一
Message prevMsg = null;
Message msg = mMessages;
//步骤二
if (msg != null && msg.target == null) {
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
//步骤三
if (msg != null) {
//步骤四
if (now < msg.when) {
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
//步骤五
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 {
//步骤六
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
}
//...省略下文IdleHandler相关代码
}
}
分析一下代码：
第一步：获取到队列头部
第二步：判断当前消息是否为同步消息（异步消息的target为null），开启循环直到发现同步消息为止
第三步：判断消息是否为null，不为空执行第四步，为空执行第六步；
第四步：判断消息执行的时间，如果大于当前时间，给前文提到的nextPollTimeoutMillis赋新值（当前时间和消息执行时间的时间差），在这一步基本完成了本次循环所有的取消息操作，如果当前消息没有到达执行时间，本次循环结束，新循环开始，就会使用上文中提到的nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis) ;方法进入阻塞状态
第五步：从消息队列中取出需要立即执行的消息，结束整个循环并返回。
第六部：消息队列中没有消息，标记nextPollTimeoutMillis，以便下一循环进入阻塞状态
剩下的代码就基本上是IdleHandler的处理和执行了，在IdleHandler小节里进行讲解，这里就不展开说明了。
五、消息的处理
还记得上文中loop方法中的msg.target.dispatchMessage(msg) ;吗？ 消息就是通过dispatchMessage方法进行分发的。其中target是msg所持有的发送它的handler的引用，它在发送消息时被赋值。 dispatchMessage的源码如下：
public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
代码很简单，通过判断Message是否有Runable来决定是调用callback还是调用handleMessage方法，交给你定义的Handler去处理。需要注意的是，callback虽然是一个Runable，但是它并没有调用run方法，而是直接执行。这说明它并没有开启新的线程，就是作为一个方法使用（如果一开始Handler使用kotlin写的话，此处或许就是一个高阶函数了）。
六、其他关键点
上面讲完了消息处理的主流程，接下来讲一下主流程之外的关键点源码
1、 Loop的创建
还记得上文中的说到的在非主线程中的要调用Looper.prepare()和 Looper.loop()方法吗？这两个方法可以理解为初始化Loop和开启loop循环，而主线程中无需这么做是因为在app启动的main方法中，framework层已经帮我们做了。我们分别来看这两个方法：
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
public static void prepare() {
prepare(true);
}
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
if (sThreadLocal.get() != null) {
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
这里首先使用了一个静态的ThreadLocal确保Loop的唯一性，同时做到线程隔离，使得一个线程有且只有一个Loop实例。接着初始化Loop，同时创建MessageQueue （quitAllowed设置是否允许退出）。在这一步实现了Loop和消息队列的关联。
需要注意的是，Loop的构造方式是私有的，我们只能通过prepare 区创建，然后通过myLooper方法去获取。
public static @Nullable Looper myLooper() {
return sThreadLocal.get();
}
ThreadLocal.get源码：
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;
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
可以看到，每个Thread都持有一个ThreadLocalMap ，它和HashMap使用相同的数据结构，使用ThreadLocal作为key值，value就是Loop实例。不难发现：我们只能获取到当前线程的Loop实例。
Loop也提供了主线程中初始化的办法prepareMainLooper ，但是这个方法明确说明不允许调用，只能由系统自己调用。 这基本上就是Loop创建的关键了，也是在这里完成了Loop和消息队列以及线成之间的关联。
2、Handler的创建
Handler的构造函数有以下几个：
- public Handler()
- public Handler(Callback callback)
- public Handler(Looper looper)
- public Handler(Looper looper, Callback callback)
- public Handler(boolean async)
- public Handler(Callback callback, boolean async)
- public Handler(Looper looper, Callback callback, boolean async)
其中第一个和第二个已经被废弃了，实际上第1~5个构造方法都是通过调用public Handler(Callback callback, boolean async)或public Handler(Looper looper, Callback callback, boolean async)实现的，它们的源码如下：
public Handler(@NonNull Looper looper, @Nullable Callback callback, boolean async) {
mLooper = looper;
mQueue = looper.mQueue;
mCallback = callback;
mAsynchronous = async;
}
public Handler(@Nullable Callback callback, boolean async) {
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());
}
}
mLooper = Looper.myLooper();
if (mLooper == null) {
//注意这个异常，loop不能为空的，首先要Looper.prepare()；
throw new RuntimeException(
"Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
+ " that has not called Looper.prepare()");
}
mQueue = mLooper.mQueue;
mCallback = callback;
mAsynchronous = async;
}
两个方法最大的区别就是一个使用传递过来的loop，一个直接使用当前线程的loop，然后就是相同的一些初始化操作了。这里就出现了一个关键点handler处理消息所处的线程和创建它的线程无关，而是和创建它时loop的线程有关的。
这也是Handler能实现线程切换的原因所在： handler的执行跟创建handler的线程无关，跟创建looper的线程相关，假如在子线程中创建一个Handler，但是Handler相关的Looper是主线程的，那么如果handler执行post一个runnable，或者sendMessage，最终的handle Message都是在主线程中执行的。
3、Message的创建、回收和复用机制
我们可以直接使用new关键字去创建一个Message：
Message message = new Message(); 但是这种做法并不被推荐，官方提供了以下几个方法供用户创建message：
这些方法除了形参有些区别，用来给message不同的成员变量赋值之外，本质上都是通过 obtain()来创建Message：
public static final Object sPoolSync = new Object();
Message next;
private static Message sPool;
public static Message obtain() {
synchronized (sPoolSync) {
if (sPool != null) {
Message m = sPool;
sPool = m.next;
m.next = null;
m.flags = 0; // clear in-use flag
sPoolSize--;
return m;
}
}
return new Message();
}
这端代码很简单，Message内部维持了一个单线链表，使用sPool作为头部，用来存储Message实体。可以发现，每次调用者需要一个新的消息的时候，都会先从链表的头部去取，有消息就直接返回。没有消息才会创建一个新的消息。
那么这个链表是在何时插入消息的呢？接下来看Message的回收：
public static final Object sPoolSync = new Object();
private static final int MAX_POOL_SIZE = 50;
void recycleUnchecked() {
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++;
}
}
}
该方法在每次消息从MessageQueue 队列取出分发时都会被调用，就是在上文提到的Loop.loop()方法里。 代码也很简单，首先将Message的成员变量还原到初始状态，然后采用头插法将回收后的消息插入到链表之中（限制了最大容量为50）。而且插入和取出的操作，都是使用的同一把锁，保证了安全性。
注意插入和取出都是对链表的头部操作，这里和消息队列里就不太一样了。虽然都是使用单向链表，回收时使用头插和头取，先进后出，是个栈。而在MessageQueue里是个队列，遵循先进先出的原则，而且插入的时候是根据消息的状态确定位置，并没有固定的插入节点。
这是一个典型的享元模式，最大的特点就是复用对象，避免重复创建导致的内存浪费。这也是为什么android官方推荐使用这种方式创建消息的原因：就是为了提高效率减少性能开销。
4、 IdleHandler
IdleHandler 的定义很简单，就是一个定义在MessageQueue里的接口：
public static interface IdleHandler {
boolean queueIdle();
}
根据官方的解释，在 Looper循环的过程中，每当消息队列出现空闲：没有消息或者没到任何消息的执行时间需要滞后执行的时候，queueIdle 方法就会被执行，而其返回的布尔值标识IdleHandler 是永久的还是一次性的：
ture：永久的，一旦空闲，就会执行false：一次性的，只有第一次空闲时会执行
它的使用方法如下：
Looper.getMainLooper().getQueue().addIdleHandler(new MessageQueue.IdleHandler() {
@Override
public boolean queueIdle() {
return true;
}
});
看一下addIdleHandler 的实现
private final ArrayList<IdleHandler> mIdleHandlers = new ArrayList<IdleHandler>();
public void addIdleHandler(@NonNull IdleHandler handler) {
if (handler == null) {
throw new NullPointerException("Can't add a null IdleHandler");
}
synchronized (this) {
mIdleHandlers.add(handler);
}
}
代码很简单，就是一个List来保存接口的实现。那么它是怎么实现在出现空闲时调用呢？
还记得在上文MessageQueue的next方法中省略的代码吗？
Message next() {
//...省略不相关代码
//步骤一
int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 只存在第一次迭代中
for (;;) {
//...省略不相关代码
//步骤二
if (pendingIdleHandlerCount < 0
&& (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
}
//步骤三
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
// No idle handlers to run. Loop and wait some more.
mBlocked = true;
continue;
}
//步骤四
if (mPendingIdleHandlers == null) {
mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
}
mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
}
//步骤五
for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
final IdleHandler idler = mPendingIdleHandlers[i];
mPendingIdleHandlers[i] = null; // release the reference to the handler
boolean keep = false;
//步骤六
try {
keep = idler.queueIdle();
} catch (Throwable t) {
Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
}
//步骤七
if (!keep) {
synchronized (this) {
mIdleHandlers.remove(idler);
}
}
}
//步骤八
pendingIdleHandlerCount = 0;
}
}
接下来分步骤分析一下代码：
第一步：在取消息的循环开始前创建局部变量pendingIdleHandlerCount用来记录IdleHandler的数量，只在循环开始时为-1；
第二步：当没有取到Message消息（没有消息或者没有可立即执行的消息，也没有进去阻塞状态）或者消息需要延后执行，为pendingIdleHandlerCount 赋值记录IdleHandler的数量；
第三步：判断IdleHandler的数量，如果没有IdleHandler，则直接结束当前循环，并标记循环可进入挂起状态。
第四步：判断是否是第一次，初始化IdleHandler 的List
第五步：开始遍历所有的IdleHandler
第六步：依次执行IdleHandler 的queueIdle方法
第七部：根据各IdleHandler 的queueIdle的返回值判断IdleHandler 是永久的还是一次性的，将非永久的从数组里移除；
第八步：修改IdleHandler 的数量信息pendingIdleHandlerCount ，避免IdleHandler 重复执行。
这就是IdleHandler 的核心原理，它只在消息队列为空时，或者消息队列的头部消息为延时消息时才会被触发。当消息队列头部为延时消息时，它只会触发一次哦。在前文中取消息的小节中我们讲过：延时消息在结束当前循环后进入下一路循环会触发阻塞。
5、Handler在Framework层的应用
不知道你有没有想过为什么Android在主线程里直接帮你调用了Looper.prepare()和 Looper.loop()方法，难道只是为了你使用方便吗？这岂不是有点杀鸡用牛刀的感觉？
事实上远没有这么简单，如果你看一下framework的源码你就会发现，整个android app的运转都是基于Handler进行的。四大组件的运行，它们生命周期也是基于Handler事件模型进行的，以及点击事件等。这一切均是由Android系统框架层产生相应的message再交由一个Handler进行处理的。这个Handler就是ActivityThread内部类H，贴一段它的代码截图
可以看到，四大组件的生命周期甚至内存不足，都有handler在参与。
这也解释了为什么在主线程执行耗时任务会导致UI卡顿或者ANR：因为所有主线程也就是UI线程的逻辑代码都是在组件的生命周期里执行的，而生命周期又受到Handler的事件体系的控制，当在任意生命周期做中执行耗时操作，这会导致消息队列MessageQueue中后面的消息无法得到及时的处理，就会造成延迟，直至视觉上的卡顿，严重的则会进一步触发ANR的发生。
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