Android的消息机制主要是指Handler的运行机制，Handler的运行机制需要底层的MessageQueue和Looper的支撑。MessageQueue的中文翻译是消息队列，顾名思义，它的内部存储了一组消息，以队列的形式对外提供插入和删除的工作。虽然叫消息队列，但是它的内部存储结构并不是真正的队列，而是采用单链表的数据结构来存储消息列表。Looper的中文翻译为循环，这里可以理解为消息循环。由于MessageQueue只是一个消息的存储容器，它不能处理消息，而Looper填补了这个功能，否则就一直等待着。Looper中还有一个特殊的概念，就是ThreadLocal，ThreadLocal并不是线程，它的作用是可以在每一个线程中存储数据。我们知道，Handler创建的时候会采用当前线程的Looper来构造消息循环系统，那么Handler内部如何获取到当前线程的Looper呢？这就要使用ThreadLocal了，ThreadLocal可以在不同的线程中互不干扰地存储数据，通过ThreadLocal可以轻松获取每个线程的Looper。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。我们经常提到的主线程，也就是UI线程，它就是ActivityThread,ActivityThread被创建时就初始化Looper，这也是主线程中默认可以使用Handler的原因。
1、Android的消息机制概述
前面提到，Android的消息机制主要指Handler的运行机制以及Handler所附带的MessageQueue和Looper的工作过程，这三者实际上是一个整体，只不过我们开发过程中去比较多接触到Handler而已。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。因为Android中规定，访问UI只能在主线程中进行，如果在子线程中访问UI就会抛出异常。ViewRootImpl对UI操作做了验证，这个验证工作是由ViewRootlmpl的checkThread方法来完成的，如下所示：
void checkThread(){
if(mThread!=Thread.currentThread()){
throw new CalledFromWrongThreadException("Only th original thread that create a view hierarchy can touch its views");
}
}
针对checkThread方法中抛出的异常信息，相信各位在开发中都曾经遇到过。因为这个限制，使得必须在主线程中访问UI，但是Android有不建议在主线程中进行耗时操作，否则会导致程序无法响应即ANR。考虑一种情况，假如我们需要充服务器拉取一些信息并将其显示在UI上，这时候必须在子线程中进行拉取工作，拉取完毕不能再子线程中直接访问UI，如果没有Handler，那么我们的确没有办法将访问UI的工作切换到主线程中去执行。因此，系统之所以提供Handler，主要原因就是为了解决子线程中无法访问UI的矛盾。
延伸一下，系统为什么不允许在子线程中访问UI 呢？
因为Android中的UI控件不是线程安全的，如果在多线程中并发访问可能会导致UI控件处于不可预期的状态。那，能否为UI控件加上锁机制呢？
会产生两个严重的缺点：
1.加上锁机制会让UI访问的逻辑变得复杂
2.锁机制会降低UI访问的效率（因为锁机制会阻塞某些线程的执行）
我们在前面说过，子线程是没有Looper的，如果要使用Looper，需要为当前线程创建Looper，或者在一个有Looper的线程中创建Handler也行。
Handler创建完毕后，这时候其内部的Looper以及MessageQueue就可以和Handler一起协同工作了，然后通过Handler的post方法将一个Runnable投递到Handler内部的Looper中去处理，也可以通过Handler的send方法发送一个消息，这个消息同样会在Looper中处理。其实post方法最终也是通过send方法来完成的，接下来主要看一下send方法将这个消息放入消息队列里，然后Looper发现有新消息到了时就会处理这个消息，最终消息中的Runnable或者Handler的HandlerMessage方法就会被调用。注意Looper是运行在创建Handler所在的线程中的，这样Handler中的业务逻辑就被切换到创建Handler所在的线程中去了
2.Android的消息机制分析
2.1ThreadLocal的工作原理
ThreadLocal是一个线程内部的数据存储类，通过它可以在指定的线程中存储数据数据，数据存储以后，只有在指定线程中可以获取到存储的数据，对于其他线程来说则无法获取到数据。ThreadLocal的使用场景不好统一描述，一般来说，当某些数据是以线程为作用域并且不同线程具有不同的Looper，这时候通过ThreadLocal就可以轻松实现Looper在线程中的存取。如果不采用ThreadLocal，那么系统就必须提供一个全局的哈希表供Handler查找指定线程的Looper，这样就必须提供类似于LooperManager的类了。但是系统并没有这么做而是选择了ThreadLocal，这就是ThreadLocal的好处了。
ThreadLocal另一个使用场景是复杂逻辑下的对象传递，比如监听器的传递。有时候一个线程中的任务过于复杂，这可能表现为函数调用栈比较深以及代码入口的多样性，在这种情况下，我们又需要监听能够贯穿整个线程的执行过程，这个时候怎么做呢？
这时就可以用ThreadLocal，采用ThreadLocal可以让监听器作为线程内的全局对象而存在，在线程内只用通过get方法就额可以获取到监听器。如果不采用ThreadLocal，那么我们能想到的可能就是如下两种方法：1.将监听器通过参数形式在函数调用栈中进行传递2.将监听器作为静态变量供线程访问
这两个方法都是有局限性的。方法1的问题是当函数调用栈很浅的时候，通过函数参数来传递监听器对象这几乎是不可接受的，因为会让程序设计看起来很糟糕；方法2.是可以接受的，但是这种状态是不可扩充的，比如有两个线程在执行，那么就需要提供两个静态的监听器对象，如果有10个线程在并发执行呢？还要提供10个静态监听器对象？这是不可思议的，而采用ThreadLocal，每个监听器对象都在自己的线程内部存储，根本就不会有方法2的问题。
下面通过一个例子演示一下ThreadLocal的真正含义。首先定义一个ThreadLocal对象，这里选择Boolean类型的，如果下所示
private ThreadLocal<Boolean> booleanLocal=new ThreadLocal<Boolean>();
然后分别在主线程、子线程1和子线程2中设置和访问它的值，代码如下所示：
booleanThreadLocal.set(true);
Log.d(TAG,"[Thead#main]booleanThreadLocal="+booleanThreadLocal.get());
new Thread("Thread#1"){
@Override
public void run(){
booleanLocal.set(false);
Log.d(TAG,"[Thead#1]booleanThreadLocal="+booleanLocal.get());
}
}.start();
new Thread("Thread#2"){
@Override
public void run(){
Log.d(TAG,"[Thead#2]booleanThreadLocal="+booleanLocal.get());
}
}.start();
在上面的代码中，主线程中设置booleanLocal的值为true,在子线程1中设置booleanLocal的值为false，在子线程2不设置booleanLocal的值。然后分别在3个线程中通过get方法取booleanLocal的值，根据前面对ThreadLocal的描述，这时候，主线程中应该是true，子线程1中应该是false，而子线程2中由于没有设置值，所以应该是null。安装并运行程序，日志如下：
ThreadLocaltest: [Thead#main]booleanThreadLocal=true
ThreadLocaltest: [Thead#1]booleanThreadLocal=false
ThreadLocaltest: [Thead#2]booleanThreadLocal=null
从上面的日志来看，虽然在不同的线程中访问的是同一个对象，但是他们通过ThreadLocal获取到的值却是不一样的，这就是ThreadLcoal的奇妙之处。结合这个例子，然后再看一遍前面对ThreadLocal的两个使用场景的理论分析，我们应该就能比较好地理解ThreadLocal的使用方法了。ThreadLocal之所以有这么奇妙的效果，是因为不同线程访问同一个ThreadLocal的get方法，ThreadLocal内部会从各自的线程中取出一个数组，然后再从数组中根据当前ThreadLcoal的索引去查找出对应的value值。很显然，不同线程中的数组是不同的，这就为什么通过ThreadLocal可以在不同的线程中维护一套数据的副本彼此互不干扰。
对ThreadLocal的使用方法和工作过程做了介绍之后，下面分析ThreadLocal的内部实现，ThreadLocal是一个泛型类，它的定义为public class ThreadLcoal ,只需要弄清楚ThreadLocal的get和set方法就可以明白它的工作原理了
首先看ThreadLocal的set方法，如下所示：
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
在上面的set方法中，首先通过getMap方法获取当前线程中的ThreadLocalMap。接下来看看map的值是如何存储进去的
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
// We don't use a fast path as with get() because it is at
// least as common to use set() to create new entries as
// it is to replace existing ones, in which case, a fast
// path would fail more often than not.
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
上面分析了ThreadLocal的set方法，这里来分析它的get方法。如下：
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
2.2消息队列的工作原理
消息队列在Andrid中指的是MessageQueue,MessageQueue主要包含两个操作：插入和读取。读取本身伴随着删除操作，插入和读取对应的方法分别是enqueueMessage和next，其中enqueueMessage的作用是往消息队列里插入一条消息，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移除。尽管MessageQueue叫做消息队列，但是它的内部实现并不是用的队列，实际上它是通过一个单向链表的数据结构来维护消息列表，单链表在插入和删除上比较有优势。下面看一下它的enqueueMessage方法和next方法的实现
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
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) {
IllegalStateException e = new IllegalStateException(
msg.target + " sending message to a Handler on a dead thread");
Log.w(TAG, e.getMessage(), e);
msg.recycle();
return false;
}
msg.markInUse();
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;
}
Message next() {
// Return here if the message loop has already quit and been disposed.
// This can happen if the application tries to restart a looper after quit
// which is not supported.
final long ptr = mPtr;
if (ptr == 0) {
return null;
}
int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
int nextPollTimeoutMillis = 0;
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
nativePollOnce(ptr, 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 (DEBUG) Log.v(TAG, "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(TAG, "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;
}
}
可以发现next方法是一个无限循环的方法，如果消息队列中没有消息，那么next方法会一直阻塞在这里。当有新消息到来时，next方法会返回这条消息并将其从单链表中移除。
2.3 Looper的工作原理
2.2介绍了消息队列的主要实现，下面咱们分析一下Looper的具体实现。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中查看是否有新的消息，如果有新消息就会处理，否则就一直阻塞在哪里。先来看一下它的构造方法，在构造方法中它会创建一个MessageQueue即消息队列，然后将当前线程的对象保存起来，如下：
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
我们知道，Handler的工作需要Looper，如果没有Looper的线程就会报错，那么如何为一个线程创建Looper呢？其实很简单，通过Looper.prepare()即可为当前线程创建一个Looper，接着通过Looper.loop()来开启消息循环，如下：
new Thread(){
@Override
public void run(){
Looper.prepare();
Handler handler=new Handler();
Looper.loop();
};
}.start();
Looper除了prepare方法外，还提供了prepareMainLooper方法，这个方法主要给主线程也就是ActivityThread创建Looper使用的，其本质也是通过prepare方法来实现的。由于主线程的Looper比较特殊，所以Looper提供了一个getMainLooper方法，通过它可以在 任何地方获取到主线程的Looper。Looper也是可以退出的，Looper提供了quit和tuitSafely来退出一个Looper。二者的区别在于：quit会直接退出Looper,而quitSafely只是设定一个退出标记，然后把消息队列中的已有消息处理完毕才安全退出。
Looper退出后，通过Handler发送的消息会失败，这时候Handler的send方法会返回false。子线程中，如果手动为其创建 了Looper，那么在所有的事情完成以后应该调用quit方法来终止消息循环，否则这个子线程就会一直处于等待的状态，而如果退出Looper以后，这个线程就会离开终止，因此建议不需要的时候终止Looper。
Looper最重要的一个方法是loop方法，只有调用了loop方法后，消息循环系统才会真正起作用，它的实现如下：
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
final Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
final long slowDispatchThresholdMs = me.mSlowDispatchThresholdMs;
final long traceTag = me.mTraceTag;
if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
}
final long start = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
final long end;
try {
msg.target.dispatchMessage(msg);
end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
if (slowDispatchThresholdMs > 0) {
final long time = end - start;
if (time > slowDispatchThresholdMs) {
Slog.w(TAG, "Dispatch took " + time + "ms on "
+ Thread.currentThread().getName() + ", h=" +
msg.target + " cb=" + msg.callback + " msg=" + msg.what);
}
}
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.recycleUnchecked();
}
}
Looper的loop方法的工作过程也比较好理解，loop方法是一个死循环，唯一跳出循环的方式是MessageQueue的next方法返回了null。当Looper的quit方法被调用的时候，Looper就会调用MessageQueue的quit或者quitSafely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。也是就说Looper必须退出，否则loop方法就会无限循环下去。loop方法会调用MessageQueue的next方法来获取新消息，而next是一个阻塞操作，当没有消息时，next方法会一直阻塞在那里。如果MessageQueue的next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。不同的是，Handler的dispatchMessage方法是在创建Handler时所使用的Looper中执行的，这样就成功地将代码逻辑切换到指定的线程中去执行了。
2.4 Handler的工作原理
Handler的工作主要包含消息的发送和接收过程。消息的发送可以通过post的一系列方法以及send的一系列方法来实现，post的一系列方法最终是通过send的一系列方法来实现的。发送一条消息的典型过程如下：
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);
}
可以发现，Handler发送消息的过程仅仅是向消息队列中插入了一条消息，MessageQueue的next方法就会返回这条消息给Looper，Looper收到消息后就可以处理了，最终消息由Handler处理，即Handler的dispatchMessage方法会被调用，这时Handler就进入了处理消息的阶段。dispatchMessage的实现如下所示。
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
Handler处理消息的过程如下：
首先检查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对象实际就是Handler的post方法所传递的Runnable参数。handleCallback的逻辑也很简单，如下：
private static void handleCallback(Message message) {
message.callback.run();
}
其次，检查mCallback是否为null,不为null就调用mCallback的handleMessage方法来处理消息。Callback是一个接口，它的定义如下：
/**
* Callback interface you can use when instantiating a Handler to avoid
* having to implement your own subclass of Handler.
*
* @param msg A {@link android.os.Message Message} object
* @return True if no further handling is desired
*/
public interface Callback {
public boolean handleMessage(Message msg);
}
通过Callback可以采用如下方式来创建Handler对象：Handler handler=new Handler(callback)。那么Callback的意义是什么呢？源码里的注释以及做了说明：可以用来创建一个handler的实例但并不需要创建子类。在日常开发中，创建handler最常见的方式就是派生一个Handler的子类并重写其HandleMessage方法来处理具体的消息，而Callback给我们提供了另一种使用Handler的方式，当我们不想派生子类的时候，就可以通过Callback来实现.
3.主线程的消息循环
Androidd 主线程就是ActivityThread，主线程的入口方法为main,在main方法中系统会通过Looper.prepareMainLooper()来创建主线程的Looper以及MessageQueue，并通过Looper.loop()来开启主线程的消息循环.
ActivityThread通过ApplicationThread和AMS进行进程间通信，AMS以进程间通信的方式完成ActivityThread的请求后，会回调ApplicationThread的Binder方法，然后ApplicationThread会向H发送消息，H收到消息后会将ApplicationThread中的逻辑切换到ActivityThread中去执行，即切换到主线程中去执行，这过程就是主线程的消息循环模型。
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