源码分析-Android中的消息机制详解

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1 引言

个人认为，不亲自阅读和熟悉Android的源码，不了解Android源码背后的实现机理，就不能真正成为Android开发的高手。前两天为了了解android的消息处理机制，我阅读和分析了Looper，Handler，MessageQueue，Message这几个类的源码，不得不对Google大牛们膜拜下，现在把学习的笔记拿出来特与大家分享。

2 消息机制的基本原理

从大的方面讲，不光是Android平台，各种平台的消息机制的原理基本上都是相近的，其中用到的主要概念大概有：

1）消息发送者；
2）消息队列；
3）消息处理循环。

示意图如下：

图中表达的基本意思是，消息发送者通过某种方式，将消息发送到某个消息队列里，同时还有一个消息处理循环，不断从消息队列里摘取消息，并进一步解析处理。

在Android平台上，把上图的右边部分包装成了一个Looper类，这个类的内部具有对应的消息队列（MessageQueue mQueue）和loop函数。
但是Looper只是个简单的类而已，它虽然提供了循环处理方面的成员函数loop()，却不能自己凭空地运行起来，而只能寄身于某个真实的线程。而且，每个线程最多只能运作一个Looper对象，这一点应该很容易理解。
Android平台上另一个关键类是Handler。当消息循环在其寄身的线程里正式运作后，外界就是通过Handler向消息循环发出事件的。我们再画一张示意图如下：

在Android应用中为线程创建消息处理程序的常规用法如下示例代码：

class LooperThread extends Thread {      public Handler mHandler;      public void run() {          Looper.prepare();          mHandler = new Handler() {              public void handleMessage(Message msg) {                  // process incoming messages here              }          };          Looper.loop();      }  }

3 Android消息机制相关的核心类

android的消息处理有四个核心类：Looper,Handler和MessageQueue（消息队列），Message。其中MessageQueue被封装到Looper里面了，我们不会直接与MessageQueue打交道。下面一一介绍：

3.1 Looper类

Looper的字面意思是“循环者”，它被设计用来使一个普通线程变成Looper线程。所谓Looper线程就是循环工作的线程。在程序开发中（尤其是GUI开发中），我们经常会需要一个线程不断循环，一旦有新任务则执行，执行完继续等待下一个任务，这就是Looper线程。使用Looper类创建Looper线程很简单：

public class LooperThread extends Thread {    @Override    public void run() {        // 将当前线程初始化为Looper线程        Looper.prepare();        // ...其他处理，如实例化handler        // 开始循环处理消息队列        Looper.loop();    }}

让我们看看与Looper相关的这两行代码各自做了什么。

1)Looper.prepare()的源码：

public class Looper {    // 每个线程中的Looper对象其实是一个ThreadLocal，即线程本地存储(TLS)对象    private static final ThreadLocal sThreadLocal = new ThreadLocal();    // Looper内的消息队列    final MessageQueue mQueue;    // 当前线程    Thread mThread;    // 。。。其他属性    // 每个Looper对象中有它的消息队列，和它所属的线程    private Looper() {        mQueue = new MessageQueue();        mRun = true;        mThread = Thread.currentThread();    }    // 我们调用该方法会在调用线程的TLS中创建Looper对象    public static final void prepare() {        if (sThreadLocal.get() != null) {            // 试图在有Looper的线程中再次创建Looper将抛出异常            throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");        }        sThreadLocal.set(new Looper());    }    // 其他方法}

通过源码，prepare()背后的工作方式一目了然，其核心就是将looper对象保存到ThreadLocal中去。如果你还不清楚什么是ThreadLocal，可以去看看它源码，这里不对它进行细说，我们只需要知道是每一个线程对象都有一个ThreadLocal类型的成员变量，而这段源码里的sThreadLocal就是当前线程的ThreadLocal类型的成员变量的引用。

2)Looper.loop()方法的源码：

当调用loop方法后，Looper线程就开始真正工作了，loop()方法内部的For（；；）死循环不断从自己的MessageQueue中取出队头的消息(也叫任务)执行。其源码分析如下：

/**     * Run the message queue in this thread. Be sure to call     * {@link #quit()} to end the loop.     */    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.recycle();        }    }

除了prepare()和loop()方法，Looper类还提供了一些有用的方法，比如：

prepareMainLooper()，如果是主线程，调用此方法为主线程准备一个looper，主线程的looper有应用程序初始化；
Looper.myLooper()得到当前线程looper对象；
getThread()得到looper对象所属线程；
quit()方法结束looper循环。

到此为止，你应该对Looper有了基本的了解，总结几点：

1.每个线程有且最多只能有一个Looper对象，它被添加到ThreadLocal中去。每个线程都有一个ThreadLocal类型成员变量。

2.Looper内部有一个消息队列，loop()方法调用后线程开始不断从队列中取出消息执行

3.Looper使一个线程变成Looper线程。

3.2 Message类

Message类中含有一个Message类型的成员变量next。学过数据结构就可立刻知道，这是链表节点的结构，因此MessageQueue实际上维护的是一个Message链表。Message部分源码：

public final class Message implements Parcelable {    public int what;    public int arg1;     public int arg2;    public Object obj;    public Messenger replyTo;    /*package*/ static final int FLAG_IN_USE = 1 << 0;    /*package*/ static final int FLAG_ASYNCHRONOUS = 1 << 1;    /** Flags to clear in the copyFrom method */    /*package*/ static final int FLAGS_TO_CLEAR_ON_COPY_FROM = FLAG_IN_USE;    /*package*/ int flags;    /*package*/ long when;        /*package*/ Bundle data;        /*package*/ Handler target;             /*package*/ Runnable callback;       // sometimes we store linked lists of these things    /*package*/ Message next;····································

在整个消息处理机制中，message又叫task，封装了任务携带的信息和处理该任务的handler。message的用法比较简单，这里不做总结了。但是有这么几点做开发时需要注意（有待补充）：

1.尽管Message有public的默认构造方法，但是你应该通过Message.obtain()来从消息池中获得空消息对象，以节省资源。

2.如果你的message只需要携带简单的int信息，请优先使用Message.arg1和Message.arg2来传递信息，这比用Bundle更省内存

3.擅用message.what来标识信息，以便用不同方式处理message。

3.3 Handler类

3.3.1 什么是handler？

handler扮演了往MessageQueue上添加消息和处理消息的角色（只处理由自己发出的消息），即通知MQ它要执行一个任务(sendMessage)，并在loop到自己的时候执行该任务(handleMessage)，整个过程是异步的。handler创建时会关联一个looper，默认的构造方法将关联当前线程的looper，不过这也是可以通过它的几个有参构造方法来指定looper的。

下面我们就可以为之前的LooperThread类加入Handler：

public class LooperThread extends Thread {    private Handler handler1;    private Handler handler2;    @Override    public void run() {        // 将当前线程初始化为Looper线程        Looper.prepare();        // 实例化两个handler        handler1 = new Handler();        handler2 = new Handler();        // 开始循环处理消息队列        Looper.loop();    }}

可以看到，一个线程可以有多个Handler，但是只能有一个Looper！

3.3.2 Handler发送消息

有了handler之后，我们就可以使用
post(Runnable),
postAtTime(Runnable, long),
postDelayed(Runnable, long),
sendEmptyMessage(int),
sendMessage(Message),
sendMessageAtTime(Message, long)
sendMessageDelayed(Message, long)
这些方法向消息队列上发送消息了。光看这些API你可能会觉得handler能发两种消息，一种是Runnable对象，一种是message对象，这是直观的理解，但其实post发出的Runnable对象最后都被封装成message对象了，见源码：

 // 此方法用于向关联的MQ上发送Runnable对象，它的run方法将在handler关联的looper线程中执行    public final boolean post(Runnable r)    {       // 注意getPostMessage(r)将runnable封装成message       return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);    }    private final Message getPostMessage(Runnable r) {        Message m = Message.obtain();  //得到空的message        m.callback = r;  //将runnable设为message的callback，        return m;    }    public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis)    {        boolean sent = false;        MessageQueue queue = mQueue;        if (queue != null) {            msg.target = this;  // message的target必须设为该handler！            sent = queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);        }        else {            RuntimeException e = new RuntimeException(                this + " sendMessageAtTime() called with no mQueue");            Log.w("Looper", e.getMessage(), e);        }        return sent;    }

其他方法就不罗列了，总之通过handler发出的message有如下特点：

1.message.target为该handler对象，这确保了looper执行到该message时能找到处理它的handler，即loop()方法中的关键代码

msg.target.dispatchMessage(msg);

2.post发出的message，其callback为Runnable对象

3.3.3 Handler处理消息

消息的处理是通过核心方法dispatchMessage(Message msg)与钩子方法handleMessage(Message msg)完成的，见源码：

// 处理消息，该方法由looper调用    public void dispatchMessage(Message msg) {        if (msg.callback != null) {            // 如果message设置了callback，即runnable消息，处理callback！            handleCallback(msg);        } else {            // 如果handler本身设置了callback，则执行callback            if (mCallback != null) {                 /* 这种方法允许让activity等来实现Handler.Callback接口，避免了自己编写handler重写handleMessage方法。见http://alex-yang-xiansoftware-com.iteye.com/blog/850865 */                if (mCallback.handleMessage(msg)) {                    return;                }            }            // 如果message没有callback，则调用handler的钩子方法handleMessage            handleMessage(msg);        }    }    // 处理runnable消息    private final void handleCallback(Message message) {        message.callback.run();  //直接调用run方法！    }    // 由子类实现的钩子方法    public void handleMessage(Message msg) {    }

可以看到，除了handleMessage(Message msg)和Runnable对象的run( )方法由开发者实现外（实现具体逻辑），handler的内部工作机制对开发者是透明的。这正是handler API设计的精妙之处！

3.3.4 Handler的作用

1.只要线程A的handler传进另一个线程B中，就可以在线程B中向线程B发送消息，这些消息会被添加到关联的MessageQueue上。

2.handler是在它关联的线程中处理消息的。

handler创建时，成员变量包含了一个looper,而looper关联到一个线程的。因此可以判断handler关联到哪个线程。

这就解决了android不能在其他非主线程中更新UI的问题。

Activity是在主线程运行的，在Activity中创建handler,那么这个handler就属于主线程，我们可以将其引用传递给worker thread，worker thread执行完任务后使用handler发送消息通知Activity更新UI。
过程如下图所示：

下面给出一个在worker thread通过发消息更新UI的例子（代码仅供参考）：

public class TestDriverActivity extends Activity {    private TextView textview;    @Override    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {        super.onCreate(savedInstanceState);        setContentView(R.layout.main);        textview = (TextView) findViewById(R.id.textview);        // 创建并启动工作线程        Thread workerThread = new Thread(new SampleTask(new MyHandler()));        workerThread.start();    }    public void appendText(String msg) {        textview.setText(textview.getText() + "\n" + msg);    }    class MyHandler extends Handler {        @Override        public void handleMessage(Message msg) {            String result = msg.getData().getString("message");            // 更新UI            appendText(result);        }    }}

public class SampleTask implements Runnable {    private static final String TAG = SampleTask.class.getSimpleName();    Handler handler;    public SampleTask(Handler handler) {        super();        this.handler = handler;    }    @Override    public void run() {        try {  // 模拟执行某项任务，下载等            Thread.sleep(5000);            // 任务完成后通知activity更新UI            Message msg = prepareMessage("task completed!");            // message将被添加到主线程的MQ中            handler.sendMessage(msg);        } catch (InterruptedException e) {            Log.d(TAG, "interrupted!");        }    }    private Message prepareMessage(String str) {        Message result = handler.obtainMessage();        Bundle data = new Bundle();        data.putString("message", str);        result.setData(data);        return result;    }}

4 分析源码后对几个疑惑的回答

1. 问：消息机制相关的类几个类？
   答：Thread、 Handler、Looper、MessageQueue、Message
2. 问：Thread如何获得Looper？
   答：对于Main Thread，调用Looper.getMainLooper( ),因为Looper已由应用创建。对于worker Thread，调用Looper.prepare( )创建一个关联的looper。
3. 问：handler如何从消息队列中取消息并处理？
   答：(1)handler持有Looper类型变量mLooper,handler在初始化时，将相关联的线程的Looper赋值给了mLooper。(2)handler持有MessageQueue类型变量mQueue,而mQueue通过赋值语句（mQueue=Looper.mQueue；）实例化。
4. 问：Message怎样被传递给Handler.handleMessage(msg)方法的？
   答：在Looper.loop()方法中，for死循环中调用了Handler.dispatchMessage(msg)方法（该方法中调用了handleMessage(msg)钩子方法）直到消息队列为空退出循环。
5. 问：一个线程的handler怎么知道另外的线程发送了msg消息并从消息队列取消息处理呢？
   答：在调用handler.sendMessage(msg)发送了msg消息时，sendMessage(msg)方法内部调用了enqueueMessage()方法，enqueueMessage()内部则调用了C/C++代码接口方法nativeWake( ),在这里我们不在向下研究C++层的代码。通过查资料得知：我们在构造Looper对象时，其内部创建了一个监听机制来监听消息入队，一旦有消息入消息队列进进行消息处理。