Android Handler机制浅析

本文是在读《Android开发艺术探索》这本书中关于“Android的消息机制”时所作记录，以便加深对Android的消息机制的理解。

一、概述

Android的消息机制主要是指Handler的运行机制，Handler的运行需要底层的MessageQueue 和 Looper的支撑。MessageQueue以队列的形式对外提供插入和删除的工作，虽然叫Queue，但实际上它是采用单链表的数据结构来存储消息列表；Looper 可以理解为消息循环，Looper会以无限循环的形式去查找是否有新消息，如果有的话就处理，如果没有就一直等待。

我们知道Handler 创建的时候会采用当前线程的Looper来构建消息循环系统，那么Handler内部是如何获取到当前线程的Looper呢？ 这就需要使用ThreadLocal了。ThreadLocal不是线程，它的作用是可以在不同线程中互不干扰地存储并提供数据。有关ThreadLocal的知识请参考：ThreadLocal基本原理及应用

需要注意的是，线程默认是没有Looper的，如果需要使用Handler就必须为线程创建Looper。可能你会有这样的疑问：在开发过程中，经常在主线程中创建Handler用于处理耗时操作并更新UI，也没有创建Looper而是直接使用Handler的啊？ 这是因为我们常提到的主线程，也叫UI线程，它就是ActivityThread。 ActivityThread在被创建的时候，会初始化Looper， 所以才不用我们创建了，直接默认使用Handler.

Handler的主要作用是将一个任务切换到某个指定的线程中去执行。那么Android为什么要提供在某个具体的线程中去执行任务这种功能呢？这是因为Android规定访问UI只能在主线程中进行，如果在子线程中访问UI，程序会抛异常。

二、消息队列的工作原理

MessageQueue主要包含了两个操作：插入和读取；读取操作本身会伴随着删除。插入和读取对应的方法分别为enqueueMessage 和 next , 其中enqueueMessage的作用是往消息队列中插入一条消息，而next的作用是从消息队列中取出一条消息并将其从消息队列中删除。下面我们来看看源码。

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;
            Message p = mMessages;
            boolean needWake;
            if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
                // New head, wake up the event queue if blocked.
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
                needWake = mBlocked;
            } else {
                // Inserted within the middle of the queue.  Usually we don't have to wake
                // up the event queue unless there is a barrier at the head of the queue
                // and the message is the earliest asynchronous message in the queue.
                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; // invariant: p == prev.next
                prev.next = msg;
            }

            // We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
            if (needWake) {
                nativeWake(mPtr);
            }
        }
        return true;
    }

从enqueueMessage的实现来看，主要就是单链表的插入操作。下面看一下next方法的实现。

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

            // We can assume mPtr != 0 because the loop is obviously still running.
            // The looper will not call this method after the loop quits.
            nativePollOnce(mPtr, nextPollTimeoutMillis);

            synchronized (this) {
                // Try to retrieve the next message.  Return if found.
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                Message prevMsg = null;
                Message msg = mMessages;
                if (msg != null && msg.target == null) {
                    // Stalled by a barrier.  Find the next asynchronous message in the queue.
                    do {
                        prevMsg = msg;
                        msg = msg.next;
                    } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
                }
                if (msg != null) {
                    if (now < msg.when) {
                        // Next message is not ready.  Set a timeout to wake up when it is ready.
                        nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                    } else {
                        // Got a 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;
                }

                // Process the quit message now that all pending messages have been handled.
                if (mQuitting) {
                    dispose();
                    return null;
                }

                // If first time idle, then get the number of idlers to run.
                // Idle handles only run if the queue is empty or if the first message
                // in the queue (possibly a barrier) is due to be handled in the future.
                if (pendingIdleHandlerCount < 0
                        && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
                    pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
                }
                if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
                    // No idle handlers to run.  Loop and wait some more.
                    mBlocked = true;
                    continue;
                }

                if (mPendingIdleHandlers == null) {
                    mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
                }
                mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
            }

            // Run the idle handlers.
            // We only ever reach this code block during the first iteration.
            for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
                final IdleHandler idler = mPendingIdleHandlers[i];
                mPendingIdleHandlers[i] = null; // release the reference to the handler

                boolean keep = false;
                try {
                    keep = idler.queueIdle();
                } catch (Throwable t) {
                    Log.wtf("MessageQueue", "IdleHandler threw exception", t);
                }

                if (!keep) {
                    synchronized (this) {
                        mIdleHandlers.remove(idler);
                    }
                }
            }

            // Reset the idle handler count to 0 so we do not run them again.
            pendingIdleHandlerCount = 0;

            // While calling an idle handler, a new message could have been delivered
            // so go back and look again for a pending message without waiting.
            nextPollTimeoutMillis = 0;
        }
    }

可以看到next是一个无限循环的方法，如果消息队列中没有消息，那么next方法会一直阻塞，当有新消息到来，next方法就会返回这条消息并将其从单链表中移除。

三、Looper的工作原理

Looper在Android的消息机制中扮演着消息循环的角色，具体来说就是它会不停地从MessageQueue中查看是否有新消息，如果有新消息就会立刻处理，否则就会一直阻塞。首先看一下它的构造方法。

在构造方法中它会创建一个MessageQueue，然后将当前线程的对象保存起来。

Looper最重要的一个方法就是loop，只有调用了loop方法后，消息循环系统才能真正地起作用。看一下loop的源码。

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();
        }
    }

loop方法是一个死循环，唯一跳出循环的方式是MessageQueue的next方法返回null. 当Looper的quit方法被调用时，Looper就会调用MessageQueue的quit或者quiteSafety方法来通知消息队列退出，当消息队列被标记为退出状态时，它的next方法就会返回null,也就是说，Looper必须退出，否则loop方法就会一直无限循环下去。

loop方法会调用MessageQueue的next方法来获取新信息，而next是一个阻塞的操作，这也导致loop方法一直阻塞。

如果MessageQueue的next方法返回了新消息，Looper就会处理这条消息：msg.target.dispatchMessage(msg);

这里的msg.target是发送这条消息的Handler对象，这样Handler发送的消息最终又交给它的dispatchMessage方法来处理了。但是这里不同的是，Handler的dispatchMessage方法是在创建Handler时所使用的Looper中执行的，这样就成功的将代码逻辑切换到指定的线程中去执行了。

四、Handler的工作原理

Handler 的工作主要包括消息的发送和接收过程。消息的发送可以通过post或者send一系列方法来实现，post最终其实调用的也是send方法。看sendMessage方法的源码。

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

 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) {
        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);
    }

从源码中可以看出，sendMessage最终调用了enqueueMessage方法，其实Handler发送消息的过程仅仅是向消息队列中插入一条消息。MessageQueue的next方法就会返回这条消息给Looper，Looper接收到消息就开始处理，最终消息由Looper交给Handler处理，Handler的dispatchMessage方法就会被调用，这时Handler就进入了处理消息的阶段。下面看看dispatchMessage方法的源码。

从源码中可看出，Handler的处理过程如下：

首先，检测Message的callback是否为null，不为null就通过handleCallback来处理消息，Message的callback是一个Runnable对象，实际上就是post方法传递的Runnable参数。handleCallback的处理逻辑也很简单。

其次，检测mCallback是否为null，不为null就调用mCallback的handleMessage方法来处理消息。看一下Callback的定义。

Callback的意义是什么呢？ 注释已经说明：可以用来创建一个Handler的实例但并不需要派生Handler子类。通过Callback可以采用如下方式创建Handler

Handler handler = new Handler(callback);

Handler 还有一个特殊的构造函数，那就是通过Looper来构造Handler，它的实现如下，通过这个方法可以实现一些特殊的功能。

下面看Handler的一个默认方法Handler（），这个方法调用了Handler（Callback callback, boolean async）; 看源码。

很明显，如果当前线程没有looper的时候，就会抛出“Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()”这个异常，这也解释了在没有Looper的子线程中创建Handler会产生异常的原因。