Android消息机制

一、消息机制概述

1.消息机制的简介

在Android中使用消息机制,我们首先想到的就是Handler。没错,Handler是Android消息机制的上层接口。Handler的使用过程很简单,通过它可以轻松地将一个任务切换到Handler所在的线程中去执行。通常情况下,Handler的使用场景就是更新UI。
如下就是使用消息机制的一个简单实例:

public class Activity extends android.app.Activity {
    private Handler mHandler = new Handler(){
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            super.handleMessage(msg);
            System.out.println(msg.what);
        }
    };
    @Override
    public void onCreate(Bundle savedInstanceState, PersistableBundle persistentState) {
        super.onCreate(savedInstanceState, persistentState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                ...............耗时操作
                Message message = Message.obtain();
                message.what = 1;
                mHandler.sendMessage(message);
            }
        }).start();
    }
}

在子线程中,进行耗时操作,执行完操作后,发送消息,通知主线程更新UI。这便是消息机制的典型应用场景。我们通常只会接触到Handler和Message来完成消息机制,其实内部还有两大助手来共同完成消息传递。

2.消息机制的模型

消息机制主要包含:MessageQueue,Handler和Looper这三大部分,以及Message,下面我们一一介绍。

Message:需要传递的消息,可以传递数据;

MessageQueue:消息队列,但是它的内部实现并不是用的队列,实际上是通过一个单链表的数据结构来维护消息列表,因为单链表在插入和删除上比较有优势。主要功能向消息池投递消息(MessageQueue.enqueueMessage)和取走消息池的消息(MessageQueue.next);

Handler:消息辅助类,主要功能向消息池发送各种消息事件(Handler.sendMessage)和处理相应消息事件(Handler.handleMessage);

Looper:不断循环执行(Looper.loop),从MessageQueue中读取消息,按分发机制将消息分发给目标处理者。

3.消息机制的架构

消息机制的运行流程:在子线程执行完耗时操作,当Handler发送消息时,将会调用MessageQueue.enqueueMessage,向消息队列中添加消息。当通过Looper.loop开启循环后,会不断地从线程池中读取消息,即调用MessageQueue.next,然后调用目标Handler(即发送该消息的Handler)的dispatchMessage方法传递消息,然后返回到Handler所在线程,目标Handler收到消息,调用handleMessage方法,接收消息,处理消息。

MessageQueue,Handler和Looper三者之间的关系:每个线程中只能存在一个Looper,Looper是保存在ThreadLocal中的。主线程(UI线程)已经创建了一个Looper,所以在主线程中不需要再创建Looper,但是在其他线程中需要创建Looper。每个线程中可以有多个Handler,即一个Looper可以处理来自多个Handler的消息。 Looper中维护一个MessageQueue,来维护消息队列,消息队列中的Message可以来自不同的Handler。

下面是消息机制的整体架构图,接下来我们将慢慢解剖整个架构。

从中我们可以看出:
Looper有一个MessageQueue消息队列;
MessageQueue有一组待处理的Message;
Message中记录发送和处理消息的Handler;
Handler中有Looper和MessageQueue。

二、消息机制的源码解析

1.Looper

要想使用消息机制,首先要创建一个Looper。
初始化Looper
无参情况下,默认调用prepare(true);表示的是这个Looper可以退出,而对于false的情况则表示当前Looper不可以退出。。

 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));
    }

这里看出,不能重复创建Looper,只能创建一个。创建Looper,并保存在ThreadLocal。其中ThreadLocal是线程本地存储区(Thread Local Storage,简称为TLS),每个线程都有自己的私有的本地存储区域,不同线程之间彼此不能访问对方的TLS区域。
开启Looper

public static void loop() {
    final Looper me = myLooper();  //获取TLS存储的Looper对象 
    if (me == null) {
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
    }
    final MessageQueue queue = me.mQueue;  //获取Looper对象中的消息队列

    Binder.clearCallingIdentity();
    final long ident = Binder.clearCallingIdentity();

    for (;;) { //进入loop的主循环方法
        Message msg = queue.next(); //可能会阻塞,因为next()方法可能会无限循环
        if (msg == null) { //消息为空,则退出循环
            return;
        }

        Printer logging = me.mLogging;  //默认为null,可通过setMessageLogging()方法来指定输出,用于debug功能
        if (logging != null) {
            logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
                    msg.callback + ": " + msg.what);
        }
        msg.target.dispatchMessage(msg); //获取msg的目标Handler,然后用于分发Message 
        if (logging != null) {
            logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
        }

        final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity();
        if (ident != newIdent) {

        }
        msg.recycleUnchecked(); 
    }
}

loop()进入循环模式,不断重复下面的操作,直到消息为空时退出循环:
读取MessageQueue的下一条Message(关于next(),后面详细介绍);
把Message分发给相应的target。

当next()取出下一条消息时,队列中已经没有消息时,next()会无限循环,产生阻塞。等待MessageQueue中加入消息,然后重新唤醒。

主线程中不需要自己创建Looper,这是由于在程序启动的时候,系统已经帮我们自动调用了Looper.prepare()方法。查看ActivityThread中的main()方法,代码如下所示:

  public static void main(String[] args) {
..........................
        Looper.prepareMainLooper();
  ..........................
        Looper.loop();
  ..........................

    }

其中`prepareMainLooper()方法会调用prepare(false)方法。

2.Handler

创建Handler

public Handler() {
    this(null, false);
}

public Handler(Callback callback, boolean async) {
   .................................
    //必须先执行Looper.prepare(),才能获取Looper对象,否则为null.
    mLooper = Looper.myLooper();  //从当前线程的TLS中获取Looper对象
    if (mLooper == null) {
        throw new RuntimeException("");
    }
    mQueue = mLooper.mQueue; //消息队列,来自Looper对象
    mCallback = callback;  //回调方法
    mAsynchronous = async; //设置消息是否为异步处理方式
}

对于Handler的无参构造方法,默认采用当前线程TLS中的Looper对象,并且callback回调方法为null,且消息为同步处理方式。只要执行的Looper.prepare()方法,那么便可以获取有效的Looper对象。

3.发送消息

发送消息有几种方式,但是归根结底都是调用了sendMessageAtTime()方法。

在子线程中通过Handler的post()方式或send()方式发送消息,最终都是调用了sendMessageAtTime()方法。

post方法

 public final boolean post(Runnable r)
    {
       return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
    }
public final boolean postAtTime(Runnable r, long uptimeMillis)
    {
        return sendMessageAtTime(getPostMessage(r), uptimeMillis);
    }
 public final boolean postAtTime(Runnable r, Object token, long uptimeMillis)
    {
        return sendMessageAtTime(getPostMessage(r, token), uptimeMillis);
    }
 public final boolean postDelayed(Runnable r, long delayMillis)
    {
        return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), delayMillis);
    }

send方法

public final boolean sendMessage(Message msg)
    {
        return sendMessageDelayed(msg, 0);
    }
 public final boolean sendEmptyMessage(int what)
    {
        return sendEmptyMessageDelayed(what, 0);
    } 
public final boolean sendEmptyMessageDelayed(int what, long delayMillis) {
        Message msg = Message.obtain();
        msg.what = what;
        return sendMessageDelayed(msg, delayMillis);
    }
 public final boolean sendEmptyMessageAtTime(int what, long uptimeMillis) {
        Message msg = Message.obtain();
        msg.what = what;
        return sendMessageAtTime(msg, uptimeMillis);
    }
 public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
    {
        if (delayMillis < 0) {
            delayMillis = 0;
        }
        return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
    }

就连子线程中调用Activity中的runOnUiThread()中更新UI,其实也是发送消息通知主线程更新UI,最终也会调用sendMessageAtTime()方法。

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

如果当前的线程不等于UI线程(主线程),就去调用Handler的post()方法,最终会调用sendMessageAtTime()方法。否则就直接调用Runnable对象的run()方法。

下面我们就来一探究竟,到底sendMessageAtTime()方法有什么作用?
sendMessageAtTime()

 public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {
       //其中mQueue是消息队列,从Looper中获取的
        MessageQueue queue = mQueue;
        if (queue == null) {
            RuntimeException e = new RuntimeException(
                    this + " sendMessageAtTime() called with no mQueue");
            Log.w("Looper", e.getMessage(), e);
            return false;
        }
        //调用enqueueMessage方法
        return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);
    }
 private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
        msg.target = this;
        if (mAsynchronous) {
            msg.setAsynchronous(true);
        }
        //调用MessageQueue的enqueueMessage方法
        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
    }

可以看到sendMessageAtTime()`方法的作用很简单,就是调用MessageQueue的enqueueMessage()方法,往消息队列中添加一个消息。
下面来看enqueueMessage()方法的具体执行逻辑。
enqueueMessage()

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
    // 每一个Message必须有一个target
    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) {  //正在退出时,回收msg,加入到消息池
            msg.recycle();
            return false;
        }
        msg.markInUse();
        msg.when = when;
        Message p = mMessages;
        boolean needWake;
        if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
            //p为null(代表MessageQueue没有消息) 或者msg的触发时间是队列中最早的, 则进入该该分支
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
            needWake = mBlocked; 
        } else {
            //将消息按时间顺序插入到MessageQueue。一般地,不需要唤醒事件队列,除非
            //消息队头存在barrier,并且同时Message是队列中最早的异步消息。
            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;
            prev.next = msg;
        }
        if (needWake) {
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
    return true;
}

MessageQueue是按照Message触发时间的先后顺序排列的,队头的消息是将要最早触发的消息。当有消息需要加入消息队列时,会从队列头开始遍历,直到找到消息应该插入的合适位置,以保证所有消息的时间顺序。

4.获取消息

当发送了消息后,在MessageQueue维护了消息队列,然后在Looper中通过loop()方法,不断地获取消息。上面对loop()方法进行了介绍,其中最重要的是调用了queue.next()方法,通过该方法来提取下一条信息。下面我们来看一下next()方法的具体流程。
next()

Message next() {
    final long ptr = mPtr;
    if (ptr == 0) { //当消息循环已经退出,则直接返回
        return null;
    }
    int pendingIdleHandlerCount = -1; // 循环迭代的首次为-1
    int nextPollTimeoutMillis = 0;
    for (;;) {
        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
            Binder.flushPendingCommands();
        }
        //阻塞操作,当等待nextPollTimeoutMillis时长,或者消息队列被唤醒,都会返回
        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
        synchronized (this) {
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages;
            if (msg != null && msg.target == null) {
                //当消息Handler为空时,查询MessageQueue中的下一条异步消息msg,为空则退出循环。
                do {
                    prevMsg = msg;
                    msg = msg.next;
                } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
            }
            if (msg != null) {
                if (now < msg.when) {
                    //当异步消息触发时间大于当前时间,则设置下一次轮询的超时时长
                    nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                } else {
                    // 获取一条消息,并返回
                    mBlocked = false;
                    if (prevMsg != null) {
                        prevMsg.next = msg.next;
                    } else {
                        mMessages = msg.next;
                    }
                    msg.next = null;
                    //设置消息的使用状态,即flags |= FLAG_IN_USE
                    msg.markInUse();
                    return msg;   //成功地获取MessageQueue中的下一条即将要执行的消息
                }
            } else {
                //没有消息
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }
         //消息正在退出,返回null
            if (mQuitting) {
                dispose();
                return null;
            }
            ...............................
    }
}

nativePollOnce是阻塞操作,其中nextPollTimeoutMillis代表下一个消息到来前,还需要等待的时长;当nextPollTimeoutMillis = -1时,表示消息队列中无消息,会一直等待下去。
可以看出next()方法根据消息的触发时间,获取下一条需要执行的消息,队列中消息为空时,则会进行阻塞操作。

5.分发消息

在loop()方法中,获取到下一条消息后,执行msg.target.dispatchMessage(msg),来分发消息到目标Handler对象。
下面就来具体看下dispatchMessage(msg)方法的执行流程。
dispatchMessage()

public void dispatchMessage(Message msg) {
    if (msg.callback != null) {
        //当Message存在回调方法,回调msg.callback.run()方法;
        handleCallback(msg);
    } else {
        if (mCallback != null) {
            //当Handler存在Callback成员变量时,回调方法handleMessage();
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        //Handler自身的回调方法handleMessage()
        handleMessage(msg);
    }
}
private static void handleCallback(Message message) {
        message.callback.run();
    }

分发消息流程:
当Message的msg.callback不为空时,则回调方法msg.callback.run();
当Handler的mCallback不为空时,则回调方法mCallback.handleMessage(msg)
最后调用Handler自身的回调方法handleMessage(),该方法默认为空,Handler子类通过覆写该方法来完成具体的逻辑。

消息分发的优先级:
Message的回调方法:message.callback.run(),优先级最高;
Handler中Callback的回调方法:Handler.mCallback.handleMessage(msg),优先级仅次于1;
Handler的默认方法:Handler.handleMessage(msg),优先级最低。

对于很多情况下,消息分发后的处理方法是第3种情况,即Handler.handleMessage(),一般地往往通过覆写该方法从而实现自己的业务逻辑。

三、总结

以上便是消息机制的原理,以及从源码角度来解析消息机制的运行过程。可以简单地用下图来理解。