android 消息系统Handler、MessageQueue、Looper源码学习

android消息系统

整体框架如图所示



在安卓的消息系统中，每个线程有一个Looper，Looper中有一个MessageQueue，Handler向这个队列中投递Message，Looper循环拿出Message再交由Handler处理。整体是一个生产者消费者模式，这四部分也就构成了android的消息系统。

先来看一个最简单的例子

//这段代码在某个Activity的onCreate中
Handler handler = new Handler(Looper.getMainLooper());
Message msg = Message.obtain(handler, new Runnable() {
@Override
public void run() {
Toast.makeText(getApplicationContext,"I am a message",Toast.LENGTH_SHORT).show();
}
});
handler.sendMessage(msg);

效果就是，在当前窗口弹出I am a message，当然就其实现的效果而言完全多此一举。但是就分析android消息系统，却是很简单有效的例子。

源码分析

Message

Message中封装了我们常用的what、arg1、arg2、obj等参数，除此之外还有target：一个Handler类型，由前文可知一个Message最终还是交给一个Handler执行的，这个target存放的就是消息的目的地、callback，一个消息的回调，我们通过handler.post(new Runnable{…})发送的消息，这个Runnable即被存为callback。

首先来看消息的获取：

public static Message obtain() {
synchronized (sPoolSync) {
if (sPool != null) {
Message m = sPool;
sPool = m.next;
m.next = null;
sPoolSize--;
return m;
}
}
return new Message();
}

public static Message obtain(Handler h, Runnable callback) {
Message m = obtain();
m.target = h;
m.callback = callback;

return m;
}

对照最开始的例子，Message.obtain(Handler h, Runnable callback)首先调用obtain获取了一个新的Message对象，然后为其设置了目的地Handler和回调函数callback，Message类中有很多不同的obtain函数，实际上只是为我们封装了一些赋值的操作。

再看Message.obtain()方法，sPoolSync是一个给静态方法用的静态锁，sPool是一个静态的Message变量，在消息的获取这里，android使用了享元模式，对于会被重复使用的Message消息，没有对每一次请求都新建一个对象，而是通过维护一个Message链表，在有空闲消息的时候从链表中拿Message，没有时才新建Message。

可以看到obtain中只有从链表中去Message和新建Message，而没有向链表中存储的过程。存储这部分就要看Message.recycle()了：

public void recycle() {
clearForRecycle();

synchronized (sPoolSync) {
if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
next = sPool;
sPool = this;
sPoolSize++;
}
}
}

回收过程，首先把原链表的头指向当前被回收消息的下一个节点，然后再把链表头指针知道当前节点即可。整个操作也就是将Message添加到链表的首位。

MessageQueue 消息队列

MessageQueue是在Looper中的，这点从Looper的构造函数可以看出来：

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

对于每个MessageQueue，是链表实现的消息队列。首先是入队操作：

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
if (msg.isInUse()) {
throw new AndroidRuntimeException(msg + " This message is already in use.");
}
if (msg.target == null) {
throw new AndroidRuntimeException("Message must have a target.");
}

synchronized (this) {
if (mQuitting) {
RuntimeException e = new RuntimeException(
msg.target + " sending message to a Handler on a dead thread");
Log.w("MessageQueue", e.getMessage(), e);
return false;
}

msg.when = when;
//mMessages是链表的头指针
Message p = mMessages;
boolean needWake;
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
// 将消息插入到队列的首位
msg.next = p;
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
Message prev;
for (;;) {
prev = p;
p = p.next;
//当抵达队列尾部、或者当前消息的时间小于队列中某消息的时间跳出循环
if (p == null || when < p.when) {
break;
}
if (needWake && p.isAsynchronous()) {
needWake = false;
}
}
//将消息插入到链表中间（包含尾部）
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;
}

next操作，包含取出和删除一条消息。

Message next() {
int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
int nextPollTimeoutMillis = 0;
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}

//从native层消息队列取出消息
nativePollOnce(mPtr, nextPollTimeoutMillis);

synchronized (this) {
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
Message msg = mMessages;
if (msg != null && msg.target == null) {
// 找到非异步的Message或者消息队列尾部的Message取出
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
if (msg != null) {
if (now < msg.when) {
// 消息尚未到执行时间，下次循环挂起线程一段时间
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
// 获取一个Message
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
mMessages = msg.next;
}
msg.next = null;
if (false) Log.v("MessageQueue", "Returning message: " + msg);
msg.markInUse();
return msg;
}
} else {
// No more messages.
nextPollTimeoutMillis = -1;
}

// 检查退出标志位
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}

...
}
}

Handler

Handler的作用是放入消息和处理消息，承担了生产者的工作和部分消费者的工作。

首先通过Handler发送一条消息：

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

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);
}

通过一层一层嵌套，真正的逻辑在sendMessageAtTime，可以看到仅仅是执行了一下入队操作。作为生产者的工作也就执行完成，消费者部分后面要结合Looper分析。

除了sendMessage方法，常用的handler.post方法也是封装为Message，主要过程和上面相似。

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

Looper

Looper类中，Looper的实例获取是通过ThreadLocal的，ThreadLocal会为每一个线程提供一个副本，通过set和get方法每个线程获取作用域仅属于该线程的变量值。对于UI线程而言，会执行Looper.prepareMainLooper()来完成Looper的初始化：

public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
sMainLooper = myLooper();
}
}
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));
}

Looper.prepare()方法将当前线程的ThreadLocal设置了一个新的Looper对象，prepareMainLooper则是把当前线程的Looper对象赋值给类变量sMainLooper ，该方法在ActivityThread中调用，设置了一个全局的给UI线程使用的Looper。

Looper的loop方法就是消费者的处理逻辑了：

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;

Binder.clearCallingIdentity();
final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
//从Looper中获取MessageQueue，循环取出消息
for (;;) {
Message msg = queue.next();

...

//将消息发送给目标处理。
msg.target.dispatchMessage(msg);

...

//回收消息，把消息放在消息池中
msg.recycle();
}
}

主要逻辑很清晰，前面分析过msg.target是一个Handler，表示处理消息的目标，通过命令模式将消息交给对应Handler处理。下面是Handler中处理消息的方法：

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) {
}

如果我们是通过handler.post的方法发送一条消息，那么直接执行callback中的逻辑。否则通过实现Callback接口回调，或者执行handleMessage，handleMessage也就是我们子类覆写的方法。可以看到，虽然逻辑部分是我们在Handler中实现的，但是调用的地方却是Looper的线程。因为一个Looper绑定一个线程，我们也可以通过比较Looper来比较线程。

总结

通过分析源码，可以知道android中可以通过Looper为每一个线程创建一个消息队里，UI线程的Looper在Activity启动前就已经初始化。那么对于我们自定义的线程，很明显也可以绑定Looper。

自定义线程绑定Looper，最明显的好处就是可以实现线程间通信了，同时由于借助了消息队列，也将并行转为串行实现了线程安全。看一个简单的例子：

new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Looper.prepare();
handlerA = new Handler(Looper.myLooper()){
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
Log.d("TAG", msg.obj.toString());
}
};
Looper.loop();
}
}).start();

上述在线程中创建绑定了一个Looper，然后新建一个和当前Looper绑定的Handler，这样可以通过该Handler向Looper的MessageQueue中添加消息，然后由Looper.loop取出消息并执行。

Message msg = new Message();
msg.obj = "i am main thread";
handlerA.sendMessage(msg);

在主线程或者其它线程中获取handler然后发送消息，最终可以看到消息被线程接收并处理。这里msg的target也就是handlerA。注意如果线程工作结束，需要调用Looper.quit()，不然会因为Looper一直循环而导致线程无法结束。

最后经过上面的分析，流程图可以画的更为细致：