Android 系统源码分析——Handler机制

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Android中的Handler机制

Handler

Handler初识

先看源码中关于handler的解释：

  1. Handler允许你发送和处理与线程消息队列相关联的Message和Runnable对象；
  2. 每个Handler实例只与一个线程相关联，而一个线程只有一个消息队列，从而Handler只与一个消息队列相关联；
  3. 当在一个线程中创建Handler对象时，创建的Handler对象就和创建它的线程的消息队列绑定了，之后它就开始工作了（调度消息）

主要作用

  • 调度消息——调度消息和Runnable对象以使其在将来某个时间点执行；
  • 线程通信——将一个action加入到另一个线程的消息队列；
  • 定时触发操作——通过sendMessageAtTime、postAtTime等方法来实现；

消息调度方式

  • send方式

    即利用sendMessage、sendMessageAtTime和sendMessageDelayed等方法，这些方法将一个携带了数据信息的、会被Handler的handlerMessage方法处理的Message对象加入到消息队列（这种情况要求你定义一个Handler的子类以自己实现handlerMessage方法）。

  • post方式

    即利用post、postAtTime和postDelayed等方法，这些方法将可执行的Runnable对象加入到线程的消息对列中以被执行。

扩展

当一个应用（Application）的进程被创建时，它的主线程（UI线程）就致力于运行一个管理应用级对象（activities、broadcast、receivers等）和应用级对象创建的窗口的消息队列。你可以创建自己的线程，然后通过Handler来与主线程（UI线程）进行通信。具体实现方式就是在你创建的线程中调用post和sendMessage等方法，传递过去的Runnable和Message对象会在Handler的消息队列中完成调度。

上面多次提到消息队列（MessageQueue），那么Handler是在什么时候给MessageQueue赋值的呢？观察Handler代码会发现，Handler有如下构造函数

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public Handler(Callback callback, boolean async) {
  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();
  if (mLooper == null) {
    throw new RuntimeException(
      "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
  }
  mQueue = mLooper.mQueue;
  mCallback = callback;
  mAsynchronous = async;
}

由此可见，Handler的mQueue是通过Looper来赋值的，而mLooper又是通过Looper.myLooper()来赋值的，那么接下来我们看看Looper到底是何方神圣。

Looper

Looper初识

先看源码中的解释：

一个类，什么类？为线程进行消息循环的类。

线程默认是没有与之关联的消息循环的，要得到消息循环，首先要在线程中调用Looper.prepare()，然后写处理代码，在调用Looper.loop();开启消息循环。代码实例：

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class LooperThread extends Thread {
    public Handler mHandler;
  	public void run() {
      	// 初始化
        Looper.prepare();
      	//
      	mHandler = new Handler() {
          	public void handleMessage(Message msg) {
                // process incomming messages here
            }  
        };
      	// 开启looper
      	Looper.loop();
    }
}

注意：通常情况下在线程中创建Handler实例，必须显示的调用Looper.prepare()和Looper.loop()方法，但是在主线程（UI线程）中创建Handler时，是不需要显示调用的，因为主线程默认会自己创建Looper对象（其实看源码你会发现，在ActivityTread中，有调用Looper.prepareMainLooper()方法）。

核心方法

prepare()

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/** 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() {
  	prepare(true);
}

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));
}

由此可见，prepare(boolean quitAllowed)负责了Looper的创建，并保证了其唯一性。唯一性由ThreadLocal对象来实现。

那么这个sThreadLocal是什么呢？它是一个本地线程存储类，所有线程共享这个对象，但是这个对象对每一个线程而言却具有不同的值，且每个线程对这个对象的访问或修改都不会影响到其他线程，即它的值对于每个线程来说都是独立的。

Looper的构造函数

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

私有方法，防止手动调用破坏唯一性，主要工作就是初始化消息队列，绑定当前线程。

Loop()方法

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/**
 * Run the message queue in this thread. Be sure to call
 * {@link #quit()} to end the loop.
 */
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.
  // 线程身份核实
  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 traceTag = me.mTraceTag;
    if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
      Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
    }
    try {
      msg.target.dispatchMessage(msg);
    } finally {
      if (traceTag != 0) {
        Trace.traceEnd(traceTag);
      }
    }

    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);
    }
	// 回收Message对象
    msg.recycleUnchecked();
  }
}

上面代码主要工作：得到Looper实例me，然后通过me.mQueue得到MessageQueue实例queue，身份核查，开启无限循环不断的读取消息（通过MessageQueue的next()方法）分发消息（通过msg.target.dispatchMessage()实现），最后回收Message对象（通过Message.recycleUnchecked()实现），至此，Looper核心方法分析完毕。

MessageQueue

MessageQueue是用来存放Message的集合，并由Looper实例来分发里面的Message对象。同时，message并不是直接加入到MessageQueue中的, 而是通过与Looper对象相关联的MessageQueue.IdleHandler 对象来完成的。我们可以通过Looper.myQueue() 方法来获得当前线程的MessageQueue。

注意：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。

为了证实上面的单链表存储结构，可以看看MessageQueue的源码

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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;
  	}
}

遍历链表取消息部分主要发生在sychronised部分，代码如下：

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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());
}

得到msg后，判断其处理时间是否到达，到达就予以处理，未到达就设置一个唤醒时间以待处理。遍历完成后，如果Looper是可退出的，就退出。接下来就处理IdleHandler（与Looper及MessageQueue关联的Handler）了。

上面Looper部分还说到了一个方法，那就是dispatchMessage（即消息分发），该方法位于Handler中，由Message的target（target为Handler的一个实例）在lopper中进行调用，该方法源码如下：

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/**
 * 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);
    }
}

从上面的代码可以看出，handler中处理分发消息的函数有三个，分别如下：

  • Message的回调方法优先级最高，即message.callback.run()；
  • Handler的回调方法优先级次之，即Handler.mCallback.handleMessage(msg)；
  • Handler的默认方法优先级最低，即Handler.handleMessage(msg)。

Message

先从源码的注释中来了解Message

定义了一个包含一个自身描述信息和任意数据对象的结构用以交给Handler处理，有两个extra int field和一个extra object field。

虽然它的构造函数是public的，但实例化其对象的方式官方推荐的还是Message.obtain和Handler.obtainMessage，因为后面两种方式是从一个可回收对象池中创建的。

也就是说，Message对象包含两个额外的int类型变量和一个额外的对象，利用它们大多数情况下我们不用再做内存分配相关工作。实例化Message最好的方法是调用Message.obtain()或Handler.obtainMessage()（实际上最终调用的仍然是Message.obtain()），因为这两个方法都是从一个可回收利用的对象池中获取Message的。

总结

Android的Handler机制在Android多线程编程中应用十分广泛，通过阅读Handler以及相关类（MessageQueue、Looper、Message）的源码，可以很清楚的了解其大致运行机制。