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 :

[java]
view plaincopy





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:

[java]
view plaincopy





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:

[java]
view plaincopy





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
:

[java]
view plaincopy





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.

[java]
view plaincopy





/**
* 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 :

[java]
view plaincopy





/**
* 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 ：

[java]
view plaincopy





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

[java]
view plaincopy





/**
* 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 :

[java]
view plaincopy





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 ：

[java]
view plaincopy





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 :

[java]
view plaincopy





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。

[java]
view plaincopy





/**
* 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 :

[java]
view plaincopy





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
)。