Android开发进阶—Android的消息机制

1.什么是Android的消息机制

       提到Android的消息机制大家应该都不会陌生，在日常的开发中不可避免的要涉及到这方面的内容。在开发的角度上来看，Android的消息机制主要是指Handler的运行机制，Handler在运行的过程中需要底层的MessageQueue和Looper的支持，MessageQueue为消息队列，但是它的内部储存结构并不是队列而是链表的结构，毕竟对于MessageQueue这种要频繁的进行插入和删除操作的结构来说，使用链表会有一定的优势，而Looper中文翻译为循环，在这里可以理解为消息的循环。由于MessageQueue只是一个消息的储存单元，而不能去处理消息，Looper的出现就正好填补了这个空缺，在消息机制的工作过程中Looper会以无限循环的形式去在MessageQueue中查找是否有新的消息，如果有新的消息就把它交给Handler去处理，如果没有新的消息就阻塞。总之Handler、MessageQueue和Looper的三者关系可以概括为，Looper中维护着一个MessageQueue， Handler发送的消息会进入到MessageQueue也就是消息队列中，同时Looper会不断的轮询MessageQueue中是否有消息，如果存在消息，Looper将消息从MessageQueue中取出，交给Handler处理。

       以上就是Android消息机制的原理图

2.MessageQueue的工作原理

       在MessageQueue中最重要的两个操作就是插入和读取，这两个操作分别对应的方法为enqueueMessage和next，其中enqueueMessage的作用就是往消息队列中插入一条消息，而next的作用则是从消息队列中读取出一条消息并将其从消息队列中移除。

       enqueueMessage的源码如下

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;            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 {                // Inserted within the middle of the queue.  Usually we don't have to wake                // up the event queue unless there is a barrier at the head of the queue                // and the message is the earliest asynchronous message in the queue.                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;            }            // We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.            if (needWake) {                nativeWake(mPtr);            }        }        return true;    }

       从enqueueMessage的源代码中可以看出，首先会检查msg的合法性，如果不合法则抛出异常，其次可以看出enqueueMessage中通过链表的数据结构来维护消息列表，把从外部传递进来的消息(参数msg)插入到消息列表中。

       next的源码如下

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;        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) {                    // Stalled by a barrier.  Find the next asynchronous message in the queue.                    do {                        prevMsg = msg;                        msg = msg.next;                    } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());                }                if (msg != null) {                    if (now < msg.when) {                        // Next message is not ready.  Set a timeout to wake up when it is ready.                        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;        }    }

       从next的源代码中可以看出，在next()方法中启动一个无限循环，如果消息队列中有消息时，next()方法会返回这条消息并且将这条消息从MessageQueue中删除，如果消息队列中没有消息，那么next()方法将会一直阻塞在这里。

3.Looper的工作原理

      Looper在Android的消息机制中扮演着消息循环的角色，具体来说它会不停的从MessageQueue中查看是否有新的消息，如果有新的消息就传递给Handler进行处理，否则就会一直阻塞在那里。我们都知道Handler的工作需要Looper，在没有Looper的线程中使用Handler就会报错，其实可以通过Looper.prepare()为当前线程创建一个Looper，紧接着通过Looper.loop()方法来开启消息队列的循环。

       Looper.prepare()的源码如下

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));    }

       通过源代码可以看出，prepare()方法会先通过Looper的构造方法创建Looper的一个对象，并把这个对象保存在ThreadLocal中，那么ThreadLocal又是什么呢？我们只需要知道ThreadLocal是一个线程内部的数据存储类，通过它可以在指定的线程中存储数据，在数据存储以后只有在指定的线程中可以获取到存储的数据，而在其它的线程中无法获取。

      Looper构造方法的源码如下

private Looper(boolean quitAllowed){        mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);        mThread = Thread.currentThread();}

       通过源代码可以看出，在Looper创建对象的同时会创建一个MessageQueue的对象mQueue。

       Looper.loop()的源码如下

public static void loop() {        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 (;;) {            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            Printer logging = me.mLogging;            if (logging != null) {                logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +                        msg.callback + ": " + msg.what);            }            msg.target.dispatchMessage(msg);            if (logging != null) {                logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);            }            // Make sure that during the course of dispatching the            // identity of the thread wasn't corrupted.            final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity();            if (ident != newIdent) {                Log.wtf(TAG, "Thread identity changed from 0x"                        + Long.toHexString(ident) + " to 0x"                        + Long.toHexString(newIdent) + " while dispatching to "                        + msg.target.getClass().getName() + " "                        + msg.callback + " what=" + msg.what);            }            msg.recycleUnchecked();        }    }

       loop()是Looper中最重要的一个方法，因为只有调用了loop以后，消息循环才会正在的启用。通过源代码可以看出，loop()方法是一个死循环，唯一跳出循环的方式是MessageQueue的next()方法返回了null。在这个死循环中会不断的通过MessageQueue的next()方法取出消息，当取出的消息不为空时则执行msg.target.dispatchMessage(msg)触发Handler处理消息，这样就成功的将代码逻辑切换到指定的线程中去执行了。

       由上文对MessageQueue的介绍中可以知道，如果消息列表中没有消息，next()方法则会阻塞，因此loop()方法当消息列表中没有消息时是处于阻塞状态。当Looper的quit方法被调用时，Looper就会调用MessageQueue的quit或者quitSafely方法来通知消息队列的退出，当消息队列被标记为退出状态时，它的next()方法就会返回null。

4.Handler的工作原理

       Handler的工作主要包含消息的发送和接收过程，消息的发送主要是通过post的一系列方法和send一系列方法来实现，而post的一系列方法最终也是通过send的一系列方法来实现的，消息的接收是通过在主线程中创建Handler对象并重写handleMessage()方法，在该方法中接收并处理消息。

       创建Handler对象并重写handleMessage()方法

Handler mHandler = new Handler(){            @Override            public void handleMessage(Message msg) {                // TODO Auto-generated method stub                super.handleMessage(msg);            }        };

       在子线程通过mHandler发送消息

mHandler.sendMessage(msg)；

       Handler的构造方法的源码如下

public Handler() {        this(null, false);    } public Handler(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) {            throw new RuntimeException(                "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");        }        mQueue = mLooper.mQueue;        mCallback = callback;        mAsynchronous = async;    }

       通过代码可以看出，在创建Handler对象的时候我们使用的是无参数的构造方法，在无参的构造方法中最终调用的是Handler(Callback callback, boolean async)，在Handler(Callback callback, boolean async)中会通过Looper.myLooper()获取当前线程的Looper。

       Looper.myLooper()的源码如下

public static @Nullable Looper myLooper() {        return sThreadLocal.get();    }

       在myLooper()方法中会通过sThreadLocal来获取的，sThreadLocal中的Looper对象通过上文对Looper的介绍可以知道是在线程调用Looper.prepare()时存放到ThreadLocal中的。

       sendMessage()的源码如下

public final boolean sendMessage(Message msg)    {        return sendMessageDelayed(msg, 0);    }public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)    {        if (delayMillis < 0) {            delayMillis = 0;        }        return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);    }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);    }private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {        msg.target = this;        if (mAsynchronous) {            msg.setAsynchronous(true);        }        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);    }

       通过代码可以看出，在外部调用了sendMessage(Message msg)之后最终执行的是enqueueMessage方法(send与post的一系列方法最终调用的都是enqueueMessage)，所以我们主要关注enqueueMessage方法，在该方法中让要发送的Message对象持有当前Handler的引用(msg.target = this)，最后将Message对象插入消息列表(queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis))，Looper在发现消息列表中有数据就会将消息取出并且交由Handler进行处理，即Handler的dispatchMessage方法会被调用，这时Handler就进入了处理消息的阶段。

       dispatchMessage()的源码如下

public void dispatchMessage(Message msg) {        if (msg.callback != null) {            handleCallback(msg);        } else {            if (mCallback != null) {                if (mCallback.handleMessage(msg)) {                    return;                }            }            handleMessage(msg);        }    }private static void handleCallback(Message message) {        message.callback.run();    }public void handleMessage(Message msg) {    }

       通过代码可以看出，在dispatchMessage中优先处理Message中的callback，这个callback其实就是在post一系列方法中传递过来的Runnable，mCallback 是一个接口，是在Handler的构造方法中传递进来的，可以看到当mCallback 中的handleMessage方法返回值为true时Handler将不会执行Handler中handleMessage方法。

5.总结

       Handler会通过以下三步实现跨线程通信

1. 系统在主线程ActivityThread中已经调用Looper.prepareMainLooper()创建主线程的Looper，并调用Looper.loop()启动轮询，不断地通过MessageQueue的next()方法从消息列表中取出消息，当没有消息是，next()处于阻塞状态，Looper.loop()也处于阻塞状态
2. 当我们在Activity等运行在主线程的组件中创建Handler时，Handler通过Looper.myLooper()获取与当前线程也就是主线程关联的Looper对象，同时Handler也持有了Looper中的MessageQueue
3. 子线程持有主线程创建的Handler对象，在子线程中通过Handler的send()或post()的系列方法发送消息，send()与post()的系列方法最终都是通过Handler持有的MessageQueue对象调用enqueueMessage方法将消息插入队列,触发在主线程主线程中轮询的Looper用过loop()取出消息，并在loop()中调用Handler的dispatchMessage()方法，将消息交由Handler处理，最终达到了子线程进行IO操作后发送消息，主线程做相应的消息处理