摘要
在Android应用程序中，主线程启动时就会在内部创建一个消息队列。然后进入一个无限循环中，轮询是否有新的消息需要处理。如果有新消息就处理新消息。如果没有消息，就进入阻塞状态，直到消息循环被唤醒。
那么在Android系统中，消息处理机制是怎么实现的呢？在程序开发时，我经常会使用Handler处理Message(消息)。所以可以知道Handler是个消息处理者，Message是消息主体。那么还有消息队列和消息轮询两个角色。它们分别是MessageQueue和Looper，MessageQueue就是消息队列，Looper用来创建消息队列以及轮询消息的。
简介
我们已经知道Android的消息处理主要由Handler、Message、MessageQueue、Looper四个类的实现来完成。那么它们之间的关系是怎样的？
其中，Message是消息主体，它负责存储消息的各种信息，包括发送消息的Handler对象、消息信息、消息标识等。MessageQueue就是消息队列，在其内部已队列的形式维护一组Message(消息)。Handler负责发送和处理消息。Looper负责轮询消息队列。
Android消息机制原理
创建线程消息队列
在Android应用程序中，消息处理程序运行前首先要创建消息队列(也就是MessageQueue)。在主线程中，通过调用Looper类的静态成员函数prepareMainLooper()来创建消息队列。在其他子线程中，通过调用静态成员函数prepare()来创建。
prepareMainLooper()与prepare()的实现：
/**
* Initialize the current thread as a looper, marking it as an
* application's main looper. The main looper for your application
* is created by the Android environment, so you should never need
* to call this function yourself. See also: {@link #prepare()}
* 用来初始化主线程中的Looper,有Android环境调用,不应该有用户调用.
*/
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
sMainLooper = myLooper();
}
}
public static @Nullable Looper myLooper() {
return sThreadLocal.get();
}
/** 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()}.
* 交给用户自己调用,通过loop()方法开启消息循环.同时当不需要处理消息时，需要手动调用quit()方法退出循环.
*/
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));
}在这两个函数调用的过程中，sThreadLocal变量都有被使用。这个变量是ThreadLocal类型的，用来保存当前线程中的Looper对象。也就是说在Android应用程序中每创建一个消息队列，都有一个并且是唯一 一个与之对应的Looper对象。而且我们可以从源码中看到当对象不唯一时就会抛出异常。
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed); //创建消息队列
mThread = Thread.currentThread();
}从上面的源码中可以看到，当Looper对象实例化的过程的同时会创建一个消息队列。
消息循环过程
在消息队列建立完成之后，调用Looper对象的静态成员方法loop()就开始了消息循环。
/**
* 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.
Binder.clearCallingIdentity();
final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
for (;;) { //开始消息循环
Message msg = queue.next(); // 在接收消息时有可能阻塞
if (msg == null) {
//message为null时,退出消息循环
return;
}
// This must be in a local variable, in case a UI event sets the logger
final Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {...}
final long slowDispatchThresholdMs = me.mSlowDispatchThresholdMs;
final long traceTag = me.mTraceTag;
if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {...}
final long start = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
final long end;
try {
msg.target.dispatchMessage(msg); //处理消息
end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
if (slowDispatchThresholdMs > 0) {
final long time = end - start;
if (time > slowDispatchThresholdMs) {...}
}
if (logging != null) {...}
// Make sure that during the course of dispatching the
// identity of the thread wasn't corrupted.
final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity();
if (ident != newIdent) {...}
msg.recycleUnchecked();
}
}上面的源码就是消息循环的过程，只用调用了loop()方法消息循环才开始起作用。当循环开始时：
- 获取当前线程的Looper对象，如果为null，抛出异常；
- 获取消息队列，开始进入消息循环；
- 从消息队列中获取消息(调用MessageQueue的next()方法)，如果为null，结束循环；否则，继续执行；
- 处理消息，回收消息资源( msg.recycleUnchecked())。
在消息循环过程中，通过MessageQueue的next()方法提供消息，在没有信息时进入睡眠状态，同时处理其他接口。这个过程至关重要，通过next()方法也决定了消息循环是否退出。
Message next() {
final long ptr = mPtr; //与native方法相关,当mPtr为0时返回null,退出消息循环
if (ptr == 0) {
return null;
}
int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
int nextPollTimeoutMillis = 0; //0不进入睡眠,-1进入书面
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
//处理当前线程中待处理的Binder进程间通信请求
Binder.flushPendingCommands();
}
//native方法,nextPollTimeoutMillis为-1时进入睡眠状态
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
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; //返回消息
}
} else {
// No more messages.
nextPollTimeoutMillis = -1; //更新到睡眠状态
}
// Process the quit message now that all pending messages have been handled.
//消息循环退出
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.
//非睡眠状态下处理IdleHandler接口
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;
}
}消息循环退出过程
从上面可以看到loop()方法是一个死循环，只有当MessageQueue的next()方法返回null时才会结束循环。那么MessageQueue的next()方法何时为null呢？
在Looper类中我们看到了两个结束的方法quit()和quitSalely()。两者的区别就是quit()方法直接结束循环，处理掉MessageQueue中所有的消息，而quitSafely()在处理完消息队列中的剩余的非延时消息(延时消息(延迟发送的消息)直接回收)时才退出。这两个方法都调用了MessageQueue的quit()方法。
void quit(boolean safe) {
if (!mQuitAllowed) {
throw new IllegalStateException("Main thread not allowed to quit.");
}
synchronized (this) {
if (mQuitting) {
return;
}
mQuitting = true; //设置退出状态
//处理消息队列中的消息
if (safe) {
removeAllFutureMessagesLocked(); //处理掉所有延时消息
} else {
removeAllMessagesLocked(); //处理掉所有消息
}
// We can assume mPtr != 0 because mQuitting was previously false.
nativeWake(mPtr); // 唤醒消息循环
}
}处理消息队列中的消息：根据safe标志选择不同的处理方式。
/**
* API Level 1
* 处理掉消息队列中所有的消息
*/
private void removeAllMessagesLocked() {
Message p = mMessages;
while (p != null) {
Message n = p.next;
p.recycleUnchecked(); //回收消息资源
p = n;
}
mMessages = null;
}
/**
* API Level 18
* 处理掉消息队列中所有的延时消息
*/
private void removeAllFutureMessagesLocked() {
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message p = mMessages;
if (p != null) {
if (p.when > now) {
removeAllMessagesLocked();
} else {
Message n;
for (;;) {
n = p.next;
if (n == null) {
return;
}
if (n.when > now) {
//找出延时消息
break;
}
p = n;
}
p.next = null;
//由于在消息队列中按照消息when(执行时间排序,所以在第一个延时消息后的所有消息都是延时消息)
do {
p = n;
n = p.next;
p.recycleUnchecked(); //回收消息资源
} while (n != null);
}
}
}消息发送过程
在Android应用程序中，通过Handler类向线程的消息队列发送消息。在每个Handler对象中持有一个Looper对象和MessageQueue对象。
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(); //获取Looper对象
if (mLooper == null) {...}
mQueue = mLooper.mQueue; //获取消息队列
mCallback = callback;
mAsynchronous = async;
}在Handler类中，我们可以看到多种sendMessage方法，而它们最终都调用了同一个方法sendMessageAtTime()方法。
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;
}
//向消息队列中添加消息
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);
}可以看出这两个方法十分容易理解，就是通过MessageQueue对象调用enqueueMessage()方法向消息队列中添加消息。
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
// Handler为null
if (msg.target == null) {
throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
}
//消息已经被消费
if (msg.isInUse()) {
throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
}
synchronized (this) {
//是否退出
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.
// 队列没有消息，直接加入
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;
// 根据执行时间插入到相应位置
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); //唤醒消息循环
}
}
return true;
}从源码可以看出，一个消息插入到消息队列中需要以下步骤：
- 消息持有的Handler对象为null，抛出异常；当消息已经被消费，抛出异常；
- 当消息队列没有消息时，直接插入；
- 当消息队列存在消息时，通过比较消息的执行时间，将消息插入到相应的位置；
- 判断是否需要唤醒消息循环。
消息处理过程
在消息循环过程中，如果有新的消息加入，就开始处理消息。从上面的分析中，我们可以看到在消息循环中，目标消息会调用其Handler对象的dispatchMessage()方法，这个就是处理消息的方法。
/**
* Handle system messages here.
*/
public void dispatchMessage(Message msg) {
// 消息Callback接口不为null,执行Callback接口
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
//Handler Callback接口不为null,执行接口方法
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg); //处理消息
}
}从源码可以看出，Handler处理消息分为3中情况。
- 当Message中的callback不为null时，执行Message中的callback中的方法。这个callback时一个Runnable接口。
- 当Handler中的Callback接口不为null时，执行Callback接口中的方法。
- 直接执行Handler中的handleMessage()方法。
总结
至此Android系统的消息处理机制就分析完毕了。在Android应用程序中消息处理主要分为3个过程：
- 启动Looper中的消息循环，开始监听消息队列。
- 通过Handler发送消息到消息队列。
- 通过消息循环调用Handler对象处理新加入的消息。
在使用消息队列时，主线程中在程序启动时就会创建消息队列，所以我们使用主线程中的消息机制时，不需要初始化消息循环和消息队列。在子线程中我们需要初始化消息队列，并且注意在不需要使用消息队列时，应该及时调用Looper的quit或者quitSafely方法关闭消息循环，否则子线程可能一直处于等待状态。