同步屏障的简单理解和使用

1、背景
2、何为同步屏障？
2、系统什么时候添加同步屏障？
参考

1、背景

这里我们假设一个场景：我们向主线程发送了一个UI绘制操作Message，而此时消息队列中的消息非常多，那么这个Message的处理可能会得到延迟，绘制不及时造成界面卡顿。同步屏障机制的作用，是让这个绘制消息得以越过其他的消息，优先被执行。

2、何为同步屏障？

Handler的message分为三种

同步消息
异步消息
屏障消息

通常我们使用handler发送消息，都是使用默认的构造函数构造handler，然后使用send方法发送。这样发送的消息都是普通消息也就是同步消息，发出去的消息就会在MessageQueue中排队。异步消息正常情况下跟同步消息没有区别，只有在设置了同步屏障之后，才会出现差异。

什么是同步屏障？

开启同步屏障的第一步需要发送一个特殊消息作为屏障消息，当消息队列检测到了这种消息后，就会从这个消息开始，遍历后续的消息，只处理其中被标记为“异步”的消息，忽略同步消息（所以叫“同步屏障”），相当于给一部分消息开设了“VIP”优先通道。当使用完同步屏障后我们还注意移除屏障。

那么同步屏障如何使用，如何运行的呢，主要分为以下四步：

发送屏障消息（Message中target为空，target的类型是Handler）
发送异步消息（发送被标记为asynchronous的消息）
处理消息
移除屏障消息（通过发送屏障消息时返回的token来删除消息）

图示Android系统原理之Handler同步屏障

2.1、发送屏障消息——postSyncBarrier

MessageQueue中的postSyncBarrier方法：

public int postSyncBarrier() {
    
    
    // uptimeMillis会返回从系统启动开始到现在的时间（不包括深度睡眠的时间）：milliseconds of non-sleep uptime since boot
    return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
}
    
private int postSyncBarrier(long when) {
    
    
    // Enqueue a new sync barrier token.
    // We dont need to wake the queue because the purpose of a barrier is to stall it.
    // 上面的意思是放一个新的同步屏障消息到队列中，它就会一直在那挡着（直到你移除它）
    synchronized (this) {
    
    
        // 屏障消息的token，作为唯一标识，用于移除屏障消息
        final int token = mNextBarrierToken++;
        // 循环利用Message对象
        final Message msg = Message.obtain();
        // 标记为正在使用，记录时间与token
        msg.markInUse();
        msg.when = when;
        msg.arg1 = token;

        // 下面代码的目的就是把屏障消息按时间排序插入到消息队列中，
        // 前面的是早于自己的消息，后面的是晚于自己的消息
        // 1、找到两个相邻的消息，使得 prev.when < msg.when < p.when
        Message prev = null;
        Message p = mMessages;
        if (when != 0) {
    
    
            while (p != null && p.when <= when) {
    
    
                prev = p;
                p = p.next;
            }
        }
        // 2、插入屏障消息到prev与p之间
        if (prev != null) {
    
     // invariant: p == prev.next
            msg.next = p;
            prev.next = msg;
        } else {
    
    
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
        }
        return token;
    }
}

该方法会返回一个token，在移除屏障消息的时候使用。

这里插一句，感觉很多人其实不理解token到底是什么意思，我们在用户登录的时候也会用到token，其实token的意义就是一个唯一标识，token意思是“已经发生了”，就是给一个已发生的事物一个唯一标识。

postSyncBarrier的作用就是在消息队列中插入一个屏障消息，插入到什么位置呢，按消息的先来后到，排到对应的位置（消息都有记录when的，按when大小排队）。这里注意了，这个消息是没有给Message中的target赋值的，这个会作为后面判断是否开启同步屏障的依据。

2.2、发送异步消息

添加异步消息有两种办法：

使用异步类型的Handler发送的全部Message都是异步的
给Message标志异步

给Message标记异步是比较简单的，通过setAsynchronous方法即可。

Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_FRAME);
msg.setAsynchronous(true);
mHandler.sendMessageAtTime(msg, nextFrameTime);

public void setAsynchronous(boolean async) {
    
    
    if (async) {
    
    
        flags |= FLAG_ASYNCHRONOUS;
    } else {
    
    
        flags &= ~FLAG_ASYNCHRONOUS;
    }
}

Handler有一系列带Boolean类型的参数的构造器，这个参数就是决定是否是异步Handler：

public Handler(@NonNull Looper looper, @Nullable Callback callback, boolean async) {
    
    
    mLooper = looper;
    mQueue = looper.mQueue;
    mCallback = callback;
    // 这里赋值
    mAsynchronous = async;
}

在发送消息的时候就会给Message赋值：

private boolean enqueueMessage(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
        long uptimeMillis) {
    
    
    msg.target = this;
    msg.workSourceUid = ThreadLocalWorkSource.getUid();
	// 赋值
    if (mAsynchronous) {
    
    
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}

2.3、处理消息

在MessageQueue的next方法中进行了消息读取，在这里做了同步屏障的相关判断：

    ......
    int nextPollTimeoutMillis = 0;
    for (;;) {
        ......
        
        // 阻塞，nextPollTimeoutMillis为等待时间，如果为-1则会一直阻塞
        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
        
        synchronized (this) {
            // Try to retrieve the next message.  Return if found.
            // 下面的代码目的是获取一个可用的消息，如果找到就return，
            // 没找到就继续后面我省略的代码（省略了IdHandler的相关代码）
            
            // 获取时间，还是通过uptimeMillis这个方法
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages;
            // 如果队列头部消息为屏障消息，即“target”为空的消息，则去寻找队列中的异步消息
            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());
            }
            
            // 如果队列头部消息不是屏障消息，就会直接处理
            // 如果是，就会获取异步消息，获取的到就处理，获取不到就去运行省略的代码
            if (msg != null) {
                if (now < msg.when) {
                    // 当前时间小于消息的时间，设置进入下次循环后的等待时间
                    // 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.
                    // 一个标记，表示next循环是不是还在被阻塞着
                    mBlocked = false;
                    // 移除消息
                    if (prevMsg != null) {
                        // 移除异步消息
                        prevMsg.next = msg.next;
                    } else {
                        // 移除同步消息
                        mMessages = msg.next;
                    }
                    msg.next = null;
                    
                    // 标记为正在使用
                    msg.markInUse();
                    return msg;
                }
            } else {
                // No more messages.
                // 没有获取到消息，接下来运行下面省略的代码，nextPollTimeoutMillis为“-1”，在循环开始的nativePollOnce方法将会一直阻塞。
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }
        
            // Process the quit message now that all pending messages have been handled.
            if (mQuitting) {
                dispose();
                return null;
            }
            ......// IdleHandler
        }// end of synchronized
        ......// IdleHandler
    }
}

可以看到，在next方法的无限循环中，首先是nativePollOnce阻塞，然后是取消息的同步代码块（使用synchronized包裹），在这其中，首先取消息队列的头部消息（即mMessages），如果是屏障消息（消息的target为空），则寻找队列中的异步消息进行处理，否则直接处理这条头部消息。

在找到合适的消息后（if(msg != null)），会将即将处理的消息移除队列并返回；当然，如果没有找到就会将nextPollTimeoutMillis置为-1，让循环进入阻塞状态。

在next方法返回消息后，Looper会调用Handler的dispatchMessage回调到对应的方法中，我们来看看Looper.loop()方法：

public static void loop() {
    
    
    .....
    for (;;) {
    
    
        // 无限取消息，“might block” 指的就是nativePollOnce的阻塞
        Message msg = queue.next(); // might block
        if (msg == null) {
    
    
            // No message indicates that the message queue is quitting.
            // 如果返回的消息是空的，则会退出循环。如果循环没退出并且没有消息，则会被nativePollOnce阻塞着。
            return;
        }
        ......
        // 分发消息，target即是发送消息的Handler
        msg.target.dispatchMessage(msg);
        ......
        // 回收消息
        msg.recycleUnchecked();
}

最后Handler的dispatchMessage就会调用到handleMessage或者Message的callback（callback为Runnable对象），运行消息所指向的内容：

public void dispatchMessage(Message msg) {
    
    
    if (msg.callback != null) {
    
    
        handleCallback(msg);
    } else {
    
    
        if (mCallback != null) {
    
    
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
    
    
                return;
            }
        }
        handleMessage(msg);
    }
}

2.4、移除屏障消息——removeSyncBarrier

使用同步屏障一定要记得移除消息，消息队列是不会自动移除的。我们通过MessageQueue的removeSyncBarrier方法移除屏障消息：

    // Remove a sync barrier token from the queue.
    // If the queue is no longer stalled by a barrier then wake it.
    synchronized (this) {
        // 找出屏障消息
        Message prev = null;
        Message p = mMessages;
        while (p != null && (p.target != null || p.arg1 != token)) {
            prev = p;
            p = p.next;
        }
        if (p == null) {
            throw new IllegalStateException("The specified message queue synchronization "
                    + " barrier token has not been posted or has already been removed.");
        }
        
        // 移除屏障消息，并判断是否需要唤醒队列（nativePollOnce用于阻塞，nativeWake用于唤醒）
        final boolean needWake;
        if (prev != null) {
            prev.next = p.next;
            needWake = false;
        } else {
            mMessages = p.next;
            needWake = mMessages == null || mMessages.target != null;// 消息队列为空或者首个消息不为屏障消息
        }
        // 被移除的屏障消息需要回收
        p.recycleUnchecked();

        // If the loop is quitting then it is already awake.
        // We can assume mPtr != 0 when mQuitting is false.
        if (needWake && !mQuitting) {
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
}

在removeSyncBarrier方法中，首先是去寻找屏障消息，找不到会抛出异常；

然后是移除屏障消息，并且判断是否需要唤醒消息队列继续取消息（唤醒next方法，这里的nativeWake用于唤醒，next方法中的nativePollOnce用于阻塞）。

2、系统什么时候添加同步屏障？

在请求监听Vsync信号时，阻塞Handler消息队列中的同步消息，优先保证接收Vsync信号的异步消息，及时生成新的屏幕数据，供屏幕显示。
在这里插入图片描述关于Handler同步屏障你可能不知道的问题

我们的手机屏幕刷新频率有不同的类型，60Hz、120Hz等。60Hz表示屏幕在一秒内刷新60次，也就是每隔16.6ms刷新一次。屏幕会在每次刷新的时候发出一个 VSYNC 信号，通知CPU进行绘制计算。具体到我们的代码中，可以认为就是执行onMesure()、onLayout()、onDraw()这些方法。

1、view绘制的起点是在 viewRootImpl.requestLayout() 方法开始，这个方法会去执行上面的三大绘制任务，就是测量布局绘制。但是，重点来了：

2、调用requestLayout()方法之后，并不会马上开始进行绘制任务，而是会给主线程设置一个同步屏障，并设置 VSYNC 信号监听。

3、当 VSYNC 信号的到来，会发送一个异步消息到主线程Handler，执行我们上一步设置的绘制监听任务，并移除同步屏障

这里我们只需要明确一个情况：调用requestLayout()方法之后会设置一个同步屏障，直到VSYNC信号到来才会执行绘制任务并移除同步屏障。

@Override
    public void requestLayout() {
    
    
        if (!mHandlingLayoutInLayoutRequest) {
    
    
            //校验主线程
            checkThread();
            mLayoutRequested = true;
            //调用这个方法启动绘制流程
            scheduleTraversals();
        }
    }

//在调用scheduleTraversals()的时候 postSyncBarrier添加同步消息屏障

@UnsupportedAppUsage
    void scheduleTraversals() {
    
    
        if (!mTraversalScheduled) {
    
    
            mTraversalScheduled = true;
            //1. 往主线程的Handler对应的MessageQueue发送一个同步屏障消息
            mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
            //2.将mTraversalRunnable保存到Choreographer中
            mChoreographer.postCallback(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
            if (!mUnbufferedInputDispatch) {
    
    
                scheduleConsumeBatchedInput();
            }
            notifyRendererOfFramePending();
            pokeDrawLockIfNeeded();
        }
    }    
    ...
     //在doTraversal方法中移除同步消息屏障
     void doTraversal() {
    
    
        if (mTraversalScheduled) {
    
    
            mTraversalScheduled = false;
            //移除同步屏障
            mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
            ...
        }
    }

在这个方法中，涉及到三个比较重要的信息

mTraversalRunnable
- 首先看mTraversalRunnable，它的作用就是从ViewRootImpl 从上往下执行performMeasure、performLayout、performDraw。
Choreographer编舞者
同步屏障消息

Choreographer主要是为了配合Vsync信号，给上层app的渲染提供一个稳定的Message处理时机，也就是Vsync信号到来时，系统通过对Vsync信号的调整，来控制每一帧绘制操作的时机。当Vsync信号到来时，会往主线程的MessageQueue中插入一条异步消息，由于在scheduleTraversals中给MessageQueue中插入了同步屏障消息，那么当执行到同步屏障时，会取出异步消息执行。

看下Choreography中插入消息的方法是如何实现的：

private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
            Object action, Object token, long delayMillis) {
    
    
        synchronized (mLock) {
    
    
            ...
            if (dueTime <= now) {
    
    
                scheduleFrameLocked(now);
            } else {
    
    
                Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
                msg.arg1 = callbackType;
                //设置为异步消息
                msg.setAsynchronous(true);
                mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);
            }
        }
    }

参考

1 、什么是Handler的同步屏障机制？
2、关于Handler同步屏障你可能不知道的问题
3、图示Android系统原理之Handler同步屏障（三）
4、源码阅读#Handler（下）同步屏障与IdleHandler

Android：同步屏障的简单理解和使用

同步屏障的简单理解和使用

1、背景

2、何为同步屏障？

2.1、发送屏障消息——postSyncBarrier

2.2、发送异步消息

2.3、处理消息

2.4、移除屏障消息——removeSyncBarrier

2、系统什么时候添加同步屏障？

参考

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