Android中Thread、Handler、Looper、MessageQueue的原理分析

在Android开发当中，Thread、Handler、Looper这几个类是特别常见，在刚开始学习Android的时候对这些类可能并不是很清晰。下面我们就一起从源码的角度剖析一下这几个类的工作原理。

Thread

首先是Thread, 我们都知道一个Thread就是一个线程对象，只要在run方法中填写自己的代码然后启动该线程就可以实现多线程操作。例如 :

new Thread(){
            public void run() {
                // 耗时的操作
            };
        }.start();

我们知道，针对上面的代码中，当执行完run中的操作时，整个线程就会结束，并不会一直执行下去。而我们的应用程序会一直执行，除非你退出或者应用程序抛出异常。这又引入了另外一个概念，即消息队列。在Android应用启动时，会默认有一个主线程(UI线程)，在这个线程中会关联一个消息队列，所有的操作都会被封装成消息然后交给主线程来处理。为了保证主线程不会主动退出，会将取消息的操作放在一个死循环中，这样程序就相当于一直在执行死循环，因此不会退出。
示例图如下 :



Android应用程序的入口为ActivityThread.main方法，详情请参考Android应用程序进程启动过程的源代码分析，UI线程的消息循环就是在这个方法中创建的，源码如下:

public static void main(String[] args) {
        SamplingProfilerIntegration.start();
        CloseGuard.setEnabled(false);

        Environment.initForCurrentUser();

        // Set the reporter for event logging in libcore
        EventLogger.setReporter(new EventLoggingReporter());

        Process.setArgV0("<pre-initialized>");

        Looper.prepareMainLooper();// 1、创建消息循环Looper

        ActivityThread thread = new ActivityThread();
        thread.attach(false);

        if (sMainThreadHandler == null) {
            sMainThreadHandler = thread.getHandler(); // UI线程的Handler
        }

        AsyncTask.init();

        if (false) {
            Looper.myLooper().setMessageLogging(new
                    LogPrinter(Log.DEBUG, "ActivityThread"));
        }

        Looper.loop();   // 2、执行消息循环

        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
    }

执行ActivityThread.main方法后，应用程序就启动了，并且会一直从消息队列中取消息，然后处理消息。那么系统是如何将消息投递到消息队列中的？又是如何从消息队列中获取消息并且处理消息的呢？ 答案就是Handler。

Handler

在我们在子线程中执行完耗时操作后很多情况下我们需要更新UI，但我们都知道，不能在子线程中更新UI。此时最常用的手段就是通过Handler将一个消息post到UI线程中，然后再在Handler的handleMessage方法中进行处理。但是有一个点要注意，那就是该Handler必须在主线程中创建！！简单示例如下:

class MyHandler extends Handler {
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
          // 更新UI
          
        }
    } 

    MyHandler mHandler = new MyHandler() ;
    // 开启新的线程
    new Thread(){
            public void run() {
                // 耗时操作
                mHandler.sendEmptyMessage(123) ;
            };
        }.start();

为什么必须要这么做呢？其实每个Handler都会关联一个消息队列，消息队列被封装在Lopper中，而每个Looper又会关联一个线程(ThreadLocal)，也就是每个消息队列会关联一个线程。Handler就是一个消息处理器，将消息投递给消息队列，然后再由对应的线程从消息队列中挨个取出消息，并且执行。默认情况下，消息队列只有一个，即主线程的消息队列，这个消息队列是在ActivityThread.main方法中创建的，通过Lopper.prepareMainLooper()来创建，然后最后执行Looper.loop()来启动消息循环。那么Handler是如何关联消息队列以及线程的呢？我们看看如下源码 :

public Handler() {
        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();   // 获取Looper
        if (mLooper == null) {
            throw new RuntimeException(
                "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
        }
        mQueue = mLooper.mQueue;       // 获取消息队列
        mCallback = null;
    }

从Handler默认的构造函数中我们可以看到，Handler会在内部通过Looper.getLooper()来获取Looper对象，并且与之关联，最重要的就是消息队列。那么Looper.getLooper()又是如何工作的呢？我们继续往下看.

/**
     * Return the Looper object associated with the current thread.  Returns
     * null if the calling thread is not associated with a Looper.
     */
    public static Looper myLooper() {
        return sThreadLocal.get();
    }

    /**
     * Initialize the current thread as a looper, marking it as an
     * application's main looper. The main looper for your application
     * is created by the Android environment, so you should never need
     * to call this function yourself.  See also: {@link #prepare()}
     */
    public static void prepareMainLooper() {
        prepare();
        setMainLooper(myLooper());
        myLooper().mQueue.mQuitAllowed = false;
    }

    private synchronized static void setMainLooper(Looper looper) {
        mMainLooper = looper;
    }

     /** Initialize the current thread as a looper.
      * This gives you a chance to create handlers that then reference
      * this looper, before actually starting the loop. Be sure to call
      * {@link #loop()} after calling this method, and end it by calling
      * {@link #quit()}.
      */
    public static void prepare() {
        if (sThreadLocal.get() != null) {
            throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
        }
        sThreadLocal.set(new Looper());
    }

我们看到myLooper()方法是通过sThreadLocal.get()来获取的，关于ThreadLocal的资料请参考ThreadLocal多线程实例详解。那么Looper对象又是什么时候存储在sThreadLocal中的呢？ 眼尖的朋友可能看到了，上面贴出的代码中给出了一个熟悉的方法，prepareMainLooper()，在这个方法中调用了prepare()方法，在这个方法中创建了一个Looper对象，并且将该对象设置给了sThreadLocal。这样，队列就与线程关联上了！！！不同的线程是不能访问对方的消息队列的。再回到Handler中来，消息队列通过Looper与线程关联上，而Handler又与Looper关联，因此Handler最终就和线程、线程的消息队列关联上了。这就能解释上面提到的问题了，“为什么要更新UI的Handler必须要在主线程中创建？”。就是因为Handler要与主线程的消息队列关联上，这样handleMessage才会执行在UI线程，此时更新UI才是线程安全的！！！

Looper与MessageQueue

创建了Looper后，如何执行消息循环呢？通过Handler来post消息给消息队列( 链表 )，那么消息是如何被处理的呢？答案就是在消息循环中，消息循环的建立就是通过Looper.loop()方法。源码如下 :

/**
     * Run the message queue in this thread. Be sure to call
     * {@link #quit()} to end the loop.
     */
    public static void loop() {
        Looper me = myLooper();
        if (me == null) {
            throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
        }
        MessageQueue queue = me.mQueue;    // 1、获取消息队列
        
        // 代码省略
     
        
        while (true) {                   // 2、死循环，即消息循环
            Message msg = queue.next(); // 3、获取消息 (might block )
            if (msg != null) {
                if (msg.target == null) {
                    // No target is a magic identifier for the quit message.
                    return;
                }

                long wallStart = 0;
                long threadStart = 0;

                // 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);
                    wallStart = SystemClock.currentTimeMicro();
                    threadStart = SystemClock.currentThreadTimeMicro();
                }

                msg.target.dispatchMessage(msg);    // 4、处理消息

               // 代码省略
                
                msg.recycle();
            }
        }
    }

可以看到，loop方法中实质上就是建立一个死循环，然后通过从消息队列中挨个取出消息，最后处理消息的过程。对于Looper我们总结一下 : 通过Looper.prepare()来创建Looper对象(消息队列封装在Looper对象中)，并且保存在sThreadLoal中，然后通过Looper.loop()来执行消息循环，这两步通常是成对出现的！！

最后我们看看消息处理机制，我们看到代码中第4步通过msg.target.dispatchMessage(msg)来处理消息。其中msg是Message类型，我们看源码 ：

public final class Message implements Parcelable {

    public int what;

    public int arg1; 

    public int arg2;

    public Object obj;

    int flags;

    long when;
    
    Bundle data;
    
    Handler target;         // target处理
    
    Runnable callback;      // Runnable类型的callback
    
    // sometimes we store linked lists of these things
    Message next;           // 下一条消息，消息队列是链式存储的

    // 代码省略 ....
    }

从源码中可以看到，target是Handler类型。实际上就是转了一圈，通过Handler将消息投递给消息队列，消息队列又将消息分发给Handler来处理。我们继续看

/**
     * Subclasses must implement this to receive messages.
     */
    public void handleMessage(Message msg) {
    }

    private final void handleCallback(Message message) {
        message.callback.run();
    }
    
    /**
     * 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);
        }
    }

可以看到，dispatchMessage只是一个分发的方法，如果Runnable类型的callback为空则执行handlerMessage来处理消息，该方法为空，我们会将更新UI的代码写在该函数中；如果callback不为空，则执行handleCallback来处理，该方法会调用callback的run方法。其实这是Handler分发的两种类型，比如我们post(Runnable callback)则callback就不为空，当我们使用Handler来sendMessage时通常不会设置callback，因此也就执行handlerMessage这个分支。我们看看两种实现 :

public final boolean post(Runnable r)
    {
       return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
    }
    private final Message getPostMessage(Runnable r) {
        Message m = Message.obtain();
        m.callback = r;
        return m;
    }

    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)
    {
        boolean sent = false;
        MessageQueue queue = mQueue;
        if (queue != null) {
            msg.target = this;      // 设置消息的target为当前Handler对象
            sent = queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);  // 将消息插入到消息队列
        }
        else {
            RuntimeException e = new RuntimeException(
                this + " sendMessageAtTime() called with no mQueue");
            Log.w("Looper", e.getMessage(), e);
        }
        return sent;
    }

可以看到，在post(Runnable r)时，会将Runnable包装成Message对象，并且将Runnable对象设置给Message对象的callback字段，最后会将该Message对象插入消息队列。sendMessage也是类似实现 ：

public final boolean sendMessage(Message msg)
    {
        return sendMessageDelayed(msg, 0);
    }

不管是post一个Runnbale还是Message，都会调用sendMessageDelayed(msg, time)方法。

子线程中创建Handler为何会抛出异常 ？

我们看如下代码 :

new Thread(){
            Handler handler = null;
            public void run() {
                handler = new Handler();
            };
        }.start();

上面的代码有问题吗 ？ 如果你能够发现并且解释上述代码的问题，那么应该说您对Handler、Looper、Thread这几个概念已经很了解了。如果您还不太清楚，那么我们一起往下学习。 前面说过，Looper对象是ThreadLocal的，即每个线程都有自己的Looper，这个Looper可以为空。但是当你要在子线程中创建Handler对象时，如果Looper为空，那么就会抛出“Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()”异常，为什么会这样呢？我们一起看源码吧。

/**
     * Default constructor associates this handler with the queue for the
     * current thread.
     *
     * If there isn't one, this handler won't be able to receive messages.
     */
    public Handler() {
       // 代码省略 

        mLooper = Looper.myLooper();    // 获取myLooper
        if (mLooper == null) {
            throw new RuntimeException(
                "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");// 抛出异常
        }
        mQueue = mLooper.mQueue;
        mCallback = null;
    }

我们可以看到，当mLooper对象为空时，抛出了该异常。这是因为该线程中的Looper对象还没有创建，因此sThreadLocal.get()会返回null。解决方法如下 :

new Thread(){
            Handler handler = null;
            public void run() {
                Looper.prepare();    // 1、创建Looper,并且会绑定到ThreadLocal中
                handler = new Handler();
                Looper.loop();       // 2、启动消息循环
            };
        }.start();

在代码中我们加了2处，第一是通过Looper.prepare()来创建Looper，第二是通过Looper.loop()来启动消息循环。这样该线程就有了自己的Looper,也就是有了自己的消息队列。如果之创建Looper，而不启动消息循环，虽然不会抛出异常，但是你通过handler来post或者sendMessage也不会有效，因为虽然消息被追加到消息队列了，但是并没有启动消息循环，也就不会从消息队列中获取消息并且执行了！

总结

在应用启动时，会开启一个主线程(UI线程)，并且启动消息循环，应用不停地从该消息队列中取出、处理消息达到程序运行的效果。Looper对象封装了消息队列，Looper对象是ThreadLocal的，不同线程之间的Looper对象不能共享与访问。而Handler通过与Looper对象绑定来实现与执行线程的绑定，handler会把Runnable(包装成Message)或者Message对象追加到与线程关联的消息队列中，然后在消息循环中挨个取出消息，并且处理消息。当Handler绑定的Looper是主线程的Looper，则该Handler可以在handleMessage中更新UI，否则更新UI则会抛出异常！ 其实我们可以把Handler、Looper、Thread想象成一个生产线，工人(搬运工)相当于Handler，负责将货物搬到传输带上(Handler将消息传递给消息队列)；传送带扮演消息队列的角色，负责传递货物，货物会被挨取出，并且输送到目的地 ( target来处理 )；而货物到达某个车间后再被工人处理，车间就扮演了Thread这个角色，每个车间有自己独立的传送带，车间A的货物不能被车间B的拿到，即相当于ThreadLocal( 车间独有 )。