Android多线程源码详解一：handler、looper、message、messageQueue

之前面试，面试官问到多线程通讯，巴拉巴拉说了些基础实现后面试官问handlerThread的底层实现，就卡住了。所以把Android多线程的知识点复习整理一下，写出来加深印象。
Android多线程通讯的核心是handler、looper、message、messageQueue，这篇文章就先记录下这套系统的源码要点，具体的实现方法下一篇文章再写。
内容为自己看源码的理解，如有问题，欢迎留言探讨，共同进步。

Thread

用法一：

handler = new Handler() {
            @Override
            public void handleMessage(Message msg) {
                super.handleMessage(msg);
                switch (msg.what) {
                    case 1:
                        mThread.setText(msg.obj.toString());
                }
            }
        };
        ...
new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        Log.d("coco", "thread:" + Thread.currentThread().getName());
                        Message message = handler.obtainMessage();
                        message.obj = "thread_msg";
                        message.what = 1;
                        handler.sendMessage(message);
                    }
                }).start();

主线程中初始化handler，实现handleMessage，子线程中sendMessage，实现通讯。（ps：handler内存泄漏后面写）

方法二：

handler.post(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        Message message = Message.obtain(handler);
                        message.obj = "thread_msg1";
                        message.what = 1;
                        handler.sendMessage(message);
                    }
                });

这种方法跟第一种实现原理是一样的，直接返回sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0)，通过getPostMessage从Runnable中获取message，然后放到messageQueue中。

handler

handler是多线程通讯的控制器，负责消息的发送与处理，handler的初始化代码如下：

//FIND_POTENTIAL_LEAKS为常量，值为false，即第一个if语句不会执行。内部的代码逻辑是判断handler的创建方式，决定是否需要打
//印内存泄漏的log，如果是该handler对象是通过匿名类、成员类、内部类、非静态类的话，有可能造成内存泄漏，需要打印log
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());
            }
        }
//首先对looper进行判空，如果为空就抛出异常，所以如果在子线程中初始化handler，一定要先初始化looper，主线程在系统创建时就初
//始化了looper，所以可以直接创建handler。
mLooper = Looper.myLooper();
        if (mLooper == null) {
            throw new RuntimeException(
                "Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
                        + " that has not called Looper.prepare()");
        }
        mQueue = mLooper.mQueue;
        mCallback = callback;
        mAsynchronous = async;

mQueue是获取的mLooper的mQueue，所以mQueue也是当前线程相关的，具体原因在looper的源码分析中会讲。mAsynchronous是判断是否有异步消息，Android会优先处理异步消息，具体的实现在messageQueue中会讲到。

public final Message obtainMessage()
    {
        return Message.obtain(this);
    }

obtainMessage方法是从message的公共池中取出一个message，相对于直接new出来，效率更高。

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

dispatchMessage方法是handler在接收到message后进行分发时调用的，msg.callback是一个Runnable对象，在message创建时传入，或者通过setCallback方法设置，默认为空；mCallback是Callback对象，在handler初始化的时候传入，默认也为空。所以没有特定设置的情况下，会直接走到handlerMessage中，即我们创建handler时复写的回调方法。

looper

looper的主要成员变量如下：
MessageQueue mQueue跟looper绑定的消息队列。
Thread mThreadlooper所在线程对象。

looper的初始化代码如下：

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));
    }

sThreadLocal的数据结构为ThreadLocal ，在prepare中首先判断sThreadLocal是否为空，表明一个线程只能有一个looper对象，符合单例模式的设计思想。
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed))该方法是new一个Looper，并将该Looper与当前线程的threadLocalMap关联起来，所以该looper属于调用prepare方法的线程。

接下来是最重要的loop方法，loop与prepare方法都是静态方法，通过Looper.prepare跟Looper.loop调用即可，所以在loop开始的时候要先获取当前thread的looper与messageQueue。

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;
        Binder.clearCallingIdentity();
        ...
        for (;;) {
            Message msg = queue.next(); // might block
            if (msg == null) {
                return;
            }
            ...
            try {
                msg.target.dispatchMessage(msg);
                dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
            } finally {
                if (traceTag != 0) {
                    Trace.traceEnd(traceTag);
                }
            }
            ...
            msg.recycleUnchecked();
        }
    }

Binder.clearCallingIdentity() 方法是为了清除当前线程传入的IPC标识，如果在其他线程传入IPC请求，当前线程又要调用当前线程的本地接口，先清除传入的IPC标识，那么调用本地接口时就不需要进行权限验证。
然后通过 for(;;) 进行无限循环，直到queue.next不为空，接着调用target(即当前looper绑定的handler，在handler初始化的时候绑定)的 dispatchMessage(msg) 方法，之后走到初始化handler时复写的 handleMessage 中。
最后通过 recycleUnchecked() 将当前的msg放入到消息池中。

threadLocal、threadLocalMap

threadLocal是一个数据对象类，由该类实例化的对象是线程相关的，即不同线程通过同一个threadLocal对象操作的也是各自的线程的备份数据，该功能是由threadLocalMap实现。
threadLocalMap是一个自定义hashmap，内部持有一个tables变量，类型为Entry[]。Entry为threadLocalMap内部类，继承了ThreadLocal的虚引用，以便实例化的ThreadLocal对象在不用时可以回收；内部只有一个成员变量value，这里的结构为Looper。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }

threadLocalMap是Thread的一个变量，所以每一个线程只有一个threadLocalMap。

threadLocal的操作都是以threadLocalMap来实现的，如get()方法，首先获取当前Thread，然后通过获取Thread的threadLocalMap，然后map.getEntry(this)(传入this是因为自定义hashmap的hash算法需要用到threadLocal中的threadLocalHashCode变量)获取当前线程对应的value(looper)，以保证在子线程中处理的looper、message都是主线程的looper、message，避免了不同线程数据的同步问题。

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();
    }

其他的set、setInitialValue等方法也是跟get类似，通过threadLocalMap实现。

由上面的代码可以看出，整个多线程通讯的核心就是threadLocal与threadLocalMap。以普通的子线程发送消息，主线程接收消息的demo为例：handler在主线程创建，所以在初始化时绑定的looper是主线程的looper；主线程的looper在初始化的时候调用prepare，跳转到构造函数创建实例的时候会创建messageQueue并绑定，所以messageQueue也是对应的主线程的looper的内部队列；message无论是obtain还是new出来的，在通过sentMessage发出后，会绑定到当前handler上。综上所述，虽然消息的创建与发送都是在子线程中完成，但由于threadLocal机制，这一系列的实例都是在主线程中完成的，所以不会有不同线程通讯的同步问题。

message

message是handler机制中的信息载体，实现了Parcelable接口，主要通过一下变量保存数据：
int what整形变量，让接受者区分message的标识。
int arg1, arg2整形变量，可存储简单的int数据。
Object obj发送任意Object对象给接受者。
target message所关联的handler
message的初始化推荐通过Handler.obtainMessage()或者Message.obtain(Handler h)，会返回消息池中的message，避免了message的创建与销毁，效率更高。
首先看一下message的初始化：

public static Message obtain(Handler h) {
        Message m = obtain();
        m.target = h;

        return m;
    }
...
public static Message obtain() {
        synchronized (sPoolSync) {
            if (sPool != null) {
                Message m = sPool;
                sPool = m.next;
                m.next = null;
                m.flags = 0; // clear in-use flag
                sPoolSize--;
                return m;
            }
        }
        return new Message();
    }

sPool是消息池，实际结构为Message，通过next对象指向下一个message，然后一串message构成消息池。消息池的上限是50，没有初始化，所以第一次调用obtain的时候，也是通过new Message创建的对象，在每次looper.loop()中获取到消息后，将处理完的message通过recycleUnchecked方法添加到消息池中，直到达到上限 50，在达到上限50前，消息都不销毁，只会将成员变量初始化。
无论是通过Handler.obtainMessage()还是直接通过Message.obtain(Handler h)，都会调用Message.obtain()，然后将target设为绑定的handler对象，该方法会先判断sPool是否为空，如果不为空，就将sPool返回，然后将sPool指向下一个Message。

message queue

消息队列，实际数据结构为链表，模拟的队列特性，初始化、销毁等操作的实现都在native层。
mQuitAllowed Boolean变量，标识messageQueue是否可以中止。
messageQueue中的 enqueueMessage 方法是消息队列的入队方法，在handler调用sendMessage后，会调用该方法将msg放入到消息队列中。

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
        //判断入队的消息的tartget是否为空，类型为handler，即判断message是否绑定了handler
        if (msg.target == null) {
            throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
        }
        //判断msg是否被使用，由msg的flag变量与常量的位运算结果控制
        //初始化的message的flag默认为0，计算结果为未使用；
        //使用后flag变为1，计算结果为已使用；
        //如果该msg为异步消息，flag为2.
        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(); //将msg标记为已使用
            msg.when = when;
            Message p = mMessages;
            boolean needWake;
            if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
                // 如果消息队列为空，将mMessages指向msg，msg的next指向空节点，入队完成
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
                //needWeke标识队列是否需要唤醒，默认的mBlocked为false，looper调用loop开始轮训后设为true
                needWake = mBlocked;
            } else {
                // 根据mBlocked、是否是同步屏障message、该消息是否是异步的判断是否需要唤醒队列
                needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
                Message prev;
                //如果消息队列不为空，采用尾插法将新的msg插入到队尾，但mMessages仍指向第一个message
                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;
            }
            // 如果需要，则唤醒队列，具体唤醒操作在native层实现
            if (needWake) {
                nativeWake(mPtr);
            }
        }
        return true;
    }

看完了消息的入队，再看一下消息的出队，消息的出队是通过next()方法实现的,里面的东西比较多，只看下主要逻辑。

Message next() {
        ...
        // 开始循环，判断需要返回哪一个message
        for (;;) {
            ...
            synchronized (this) {
                // Try to retrieve the next message.  Return if found.
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                Message prevMsg = null;
                Message msg = mMessages;
                //msg.target为空，说明碰到了同步屏障，出循环后，prevMsg指向同步屏障，msg指向最近的一个异步消息
                //同步屏障由postSyncBarrier方法添加，再使用完后需要删除屏障，否则会一直循环查找异步消息，无法抛出同步消息
                if (msg != null && msg.target == null) {
                    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 {
                        mBlocked = false;
                        if (prevMsg != null) {
                            //prevMsg不为空，说明prevMsg指向同步屏障，说明msg指向异步消息，需要优先抛出异步消息
                            prevMsg.next = msg.next;
                        } else {
                            //prevMsg为空，说明没有异步消息，抛出msg，将mMessages指向下一个message
                            mMessages = msg.next;
                        }
                        //清空msg的next节点，并设为使用中，然后返回
                        msg.next = null;
                        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;
                }
                ...
        }
    }

上述next方法中，返回需要处理的message，优先处理异步消息，消息处理按照先进先出的顺序执行。

异步消息的处理时间更快，需要将消息设为异步(message.setAsynchronous(true))，并配合postSyncBarrier、removeSyncBarrier实现。postSyncBarrier是往队列中添加同步屏障，removeSyncBarrier是删除队列中的同步屏障，如果只添加没有删除，那么next无法抛出同步消息。

private int postSyncBarrier(long when) {
        synchronized (this) {
            final int token = mNextBarrierToken++;
            final Message msg = Message.obtain();
            msg.markInUse();
            msg.when = when;
            msg.arg1 = token;

            Message prev = null;
            Message p = mMessages;
            if (when != 0) {
                while (p != null && p.when <= when) {
                    prev = p;
                    p = p.next;
                }
            }
            if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
                msg.next = p;
                prev.next = msg;
            } else {
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
            }
            return token;
        }
    }

根据源码可以看到，同步屏障实质上也是一个message，只不过target为null，不同于普通message的尾插法，同步屏障是通过头插法实现的，所以next抛出message的时候回直接处理异步消息。
同步屏障的删除源码比较简单，这里就不贴出来了。只说明一下，同步屏蔽删除后也会优先加入消息缓冲池中，消息池满了后才销毁。

messageQueue虽然叫消息队列，但实际的逻辑结构是message组成的链表，普通情况下模拟的队列的先进先出的特性，但遇到异步消息时，也不会完全遵守队列特性，实现头部插入功能。