Android FrameWork 之Handler攻略

1.1 Handler概述

在Android开发中，经常会在子线程中进行一些操作，当操作完毕后会通过handler发送一些数据给主线程，通知主线程做相应的操作。

探索其背后的原理：子线程、handler 、主线程，其实构成了线程模型中的经典问题 生产者-消费者 模型。

生产者-消费者模型：生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间，生产者往存储空间中添加数据，消费者从存储空间中取走数据。

  • 保证数据生产消费的顺序（通过MessageQueue,先进先出）。
  • 不管是生产者(子线程)还是消费者（主线程）都只依赖缓冲区（handler），生产者消费者之间不会相互持有，使它们之间没有任何耦合。

Handler：发送和接收消息。

Looper：用于轮询消息队列，一个线程只能有一个Looper。

Message：消息实体。

MessageQueue：消息队列用于存储消息和管理消息。

1.2 同步屏障

Handler的消息，可以分为三种：

  • 同步消息：异步flag为false，一般构造的msg默认为同步消息。
  • 同步屏障消息：MessageQueue.postSyncBarrier()会构建一个msg.target==null的同步屏障消息，进而开启同步屏障。
  • 异步消息：异步flag为true,若是开启了同步屏障，MessageQueue.next()中会遍历查找异步消息进而优先执行。

2.1 Handler全解

image.png

图解：

  • Handler通过sendMessage()发送Message到MessageQueue队列；
  • Looper通过loop()，不断提取出达到触发条件的Message，并将Message交给target来处理；
  • 经过dispatchMessage()后，交回给Handler的handleMessage()来进行相应地处理。
  • 将Message加入MessageQueue时，队列如果处于阻塞状态则会唤醒loop线程；如果MessageQueue中没有Message，并处于Idle状态，则会执行IdelHandler接口中的方法，往往用于做一些清理性的工作。

消息分发的优先级：

  1. Message的回调方法：message.callback.run()，优先级最高；
  2. Handler的回调方法：Handler.mCallback.handleMessage(msg)，优先级仅次于1；
  3. Handler的默认方法：Handler.handleMessage(msg)，优先级最低。

消息缓存：

为了提供效率，Message提供了一个大小为50的对象池，减少对象不断创建与销毁的过程。

2.2 同步屏障

Android 系统中的 UI 更新相关的消息即为异步消息，需要优先处理。比如，在 View 更新时，draw、requestLayout、invalidate 等很多地方都调用了ViewRootImpl#scheduleTraversals()，如下：

void scheduleTraversals() {
    if (!mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = true;
        // 开启同步屏障
        mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
        // 发送异步消息
        mChoreographer.postCallback(
                Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
        notifyRendererOfFramePending();
        pokeDrawLockIfNeeded();
    }
}

Choreographer#postCallback()-->postCallbackDelayedInternal，如下：

private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
        Object action, Object token, long delayMillis) {
    if (DEBUG_FRAMES) {
        Log.d(TAG, "PostCallback: type=" + callbackType
                + ", action=" + action + ", token=" + token
                + ", delayMillis=" + delayMillis);
    }

    synchronized (mLock) {
        final long now = SystemClock.uptimeMillis();
        final long dueTime = now + delayMillis;
        mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);

        if (dueTime <= now) {
            scheduleFrameLocked(now);
        } else {
            Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
            msg.arg1 = callbackType;
            // 设置为异步消息并发送
            msg.setAsynchronous(true);
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);
        }
    }
}

这里就开启了同步屏障，并发送异步消息，由于 UI 更新相关的消息是优先级最高的，这样系统就会优先处理这些异步消息。

最后，当要移除同步屏障的时候需要调用ViewRootImpl#unscheduleTraversals()。

void unscheduleTraversals() {
    if (mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = false;
        mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
        mChoreographer.removeCallbacks(
                Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
    }
}

同步屏障的设置可以方便地处理那些优先级较高的异步消息。当我们调用Handler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier() 并设置消息的setAsynchronous(true)时，target 即为 null ，也就开启了同步屏障。当在消息轮询器 Looper 在loop()中循环处理消息时，如若开启了同步屏障，会优先处理其中的异步消息，而阻碍同步消息。

3.1 Handler

3.1.1 new Handler()

public Handler() {
    this(null, false);
}


public Handler(@Nullable Callback callback, boolean async) {
    // 匿名类、内部类或本地类都必须声明为static，否则会警告可能出现内存泄漏
    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());
        }
    }
    // 持有Looper的引用
    // 是从所在线程的ThreadLocal中获取，不是创建Looper实例
    mLooper = Looper.myLooper();
    
    // 子线程不调用Looper.prepare()，直接实例化Handler抛出该异常的原因
    // 主线程不需要，是因为应用启动的时候系统已帮我们启动了主线程的Looper
    if (mLooper == null) {
        throw new RuntimeException(
            "Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
                    + " that has not called Looper.prepare()");
    }
    // 持有MessageQueue的引用
    mQueue = mLooper.mQueue;
    // 回调方法
    mCallback = callback;
    // 是否将要发送的msg设置为异步消息的flag
    mAsynchronous = async;
}

对于Handler的无参构造方法，默认采用当前线程TLS(ThreadLocal.ThreadLocalMap)中的Looper对象，并且callback回调方法为null，且消息为同步处理方式。只要执行的Looper.prepare()方法，那么便可以获取有效的Looper对象。

public Handler(@NonNull Looper looper) {
    this(looper, null, false);
}


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

Handler类在构造方法中，可指定Looper，Callback回调方法以及消息的处理方式(同步或异步)，对于无参的handler，默认是当前线程的Looper。

3.1.2 sendMessage()

public final boolean sendMessage(@NonNull Message msg) {
    return sendMessageDelayed(msg, 0);
}


public final boolean sendMessageDelayed(@NonNull Message msg, long delayMillis) {
    if (delayMillis < 0) {
        delayMillis = 0;
    }
    return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}


public boolean sendMessageAtTime(@NonNull Message msg, long uptimeMillis) {
    MessageQueue queue = mQueue;
    // 必须要有MessageQueue即Looper
    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(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
        long uptimeMillis) {
    // 将Handler与msg绑定
    msg.target = this;
    msg.workSourceUid = ThreadLocalWorkSource.getUid();
    // 如果Handler的异步消息flag位true，则将该消息设置为异步消息
    if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    // 最后将消息交给MessageQueue处理
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}

Handler.sendEmptyMessage()等系列方法最终调用MessageQueue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis)，将消息添加到消息队列中，其中uptimeMillis为系统当前的运行时间，不包括休眠时间。

3.1.3 post()

public final boolean post(@NonNull Runnable r) {
   return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}


private static Message getPostMessage(Runnable r) {
    Message m = Message.obtain();
    m.callback = r;
    return m;
}

3.1.4 dispatchMessage

public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
    if (msg.callback != null) {
        // 当msg有回调方法时，回调msg.callback.run
        handleCallback(msg);
    } else {
        // 当Handler存在Callback成员变量时，回调方法mCallback.handlerMessage()
        if (mCallback != null) {
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        // 回调自身的回调方法handleMessage()
        handleMessage(msg);
    }
}

分发消息流程：

  1. 当Message的回调方法不为空时，则回调方法msg.callback.run()，其中callBack数据类型为Runnable,否则进入步骤2；
  2. 当Handler的mCallback成员变量不为空时，则回调方法mCallback.handleMessage(msg),否则进入步骤3；
  3. 调用Handler自身的回调方法handleMessage()，该方法默认为空，Handler子类通过覆写该方法来完成具体的逻辑。

对于很多情况下，消息分发后的处理方法是第3种情况，即Handler.handleMessage()，一般地往往通过覆写该方法从而实现自己的业务逻辑。

3.1.5 obtainMessage()

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

Handler.obtainMessage()方法，最终调用Message.obtainMessage(this)，其中this为当前的Handler对象。

3.1.6 removeMessage()

public final void removeMessages(int what) {
    mQueue.removeMessages(this, what, null);
}

Handler是消息机制中非常重要的辅助类，更多的实现都是MessageQueue, Message中的方法，Handler的目的是为了更加方便的使用消息机制。

3.2 Looper

3.2.1 new Looper()

/**
 * 
 * @param quitAllowed looper是否允许退出
 */
private Looper(boolean quitAllowed) {
    // 构造函数中实例化MessageQueue与之对应
    mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
    // 记录当前线程
    mThread = Thread.currentThread();
}

3.2.2 prepare()

public static void prepare() {
    prepare(true);
}


private static void prepare(boolean quitAllowed) {
    // 一条线程只能拥有一个looper
    if (sThreadLocal.get() != null) {
        throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
    }
    // 将Looper存入当前线程的threadLocal中
    sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}


public static void prepareMainLooper() {
    // 设置不允许退出的Looper 
    prepare(false); 
    synchronized (Looper.class) { 
        // 将当前的Looper保存为主Looper，每个线程只允许执行一次。 
        if (sMainLooper != null) { 
            throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
        } 
        sMainLooper = myLooper(); 
    } 
}

3.2.3 loop()

/**
 * Run the message queue in this thread. Be sure to call
 * {@link #quit()} to end the loop.
 */
public static void loop() {
    // 获取TLS存储的Looper对象
    final Looper me = myLooper();
    // 子线程需要构造一个looper
    if (me == null) {
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
    }
    
    ...
    
    // 死循环尝试从MessageQueue中获取msg
    for (;;) {
        // 可能会阻塞
        Message msg = queue.next(); 
        if (msg == null) {
            // 没有消息，则退出循环
            return;
        }
        
        ...
        
        try {
            // 回调消息所绑定的Handler的dispatchMessage()
            msg.target.dispatchMessage(msg);
            if (observer != null) {
                observer.messageDispatched(token, msg);
            }
            dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
        } catch (Exception exception) {
            if (observer != null) {
                observer.dispatchingThrewException(token, msg, exception);
            }
            throw exception;
        } finally {
            ThreadLocalWorkSource.restore(origWorkSource);
            if (traceTag != 0) {
                Trace.traceEnd(traceTag);
            }
        }
        
        ...

        // 回收消息实例
        msg.recycleUnchecked();
    }
}

loop()进入循环模式，不断重复下面的操作，直到没有消息时退出循环。

  • 读取MessageQueue的下一条Message；
  • 把Message分发给相应的target；
  • 再把分发后的Message回收到消息池，以便重复利用。

3.2.4 quit()

public void quit() { 
    // 消息移除 
    mQueue.quit(false); 
} 

public void quitSafely() {
    // 安全地消息移除
    mQueue.quit(true); 
}

Looper.quit()方法的实现最终调用的是MessageQueue.quit()方法。

3.2.5 myLooper()

public static @Nullable Looper myLooper() { 
    // 获取TLS存储的Looper对象
    return sThreadLocal.get();
}

3.3 MessageQueue

MessageQueue是消息机制的Java层和C++层的连接纽带，大部分核心方法都交给native层来处理，其中MessageQueue类中涉及的native方法如下：

private native static long nativeInit();
private native static void nativeDestroy(long ptr); 
private native void nativePollOnce(long ptr, int timeoutMillis); 
private native static void nativeWake(long ptr); 
private native static boolean nativeIsPolling(long ptr); 
private native static void nativeSetFileDescriptorEvents(long ptr, int fd, int events);

3.3.1 new MessageQueue()

MessageQueue(boolean quitAllowed) {
    // 是否允许退出消息队列的flag
    // Looper实例化时会将flage传入
    mQuitAllowed = quitAllowed;
    mPtr = nativeInit();
}

3.3.2 enqueueMessage()

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
    // msg必须要绑定一个Handler
    if (msg.target == null) {
        throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
    }

    // 采用锁同步机制，为了保证消息队列一次只会处理一个msg
    synchronized (this) {
        if (msg.isInUse()) {
            throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
        }
        
        // 消息机制已退出，则释放该实例并return
        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;
        
        // 排序
        
        // 当前没有消息 或者 when==0 或者 when小于当前message的when时
        // 置于链表头结点
        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 {
            // 插入队列中间。通常我们不必唤醒事件队列，除非队列头部有屏障，并且消息是队列中最早的异步消息。
            needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
            Message prev;
            
            // 插入到一个合适的节点中
            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) {
            // 唤醒 nativePollOnece 的沉睡
            // 涉及底层的epoll机制
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
    return true;
}

MessageQueue是按照Message触发时间的先后顺序排列的，队头的消息是将要最早触发的消息。当有消息需要加入消息队列时，会从队列头开始遍历，直到找到消息应该插入的合适位置，以保证所有消息的时间顺序。

3.3.3 next()

Message next() {

    final long ptr = mPtr;
    // 当消息循环已经退出，则直接返回
    if (ptr == 0) {
        return null;
    }
    
    // 循环迭代的首次为-1
    int pendingIdleHandlerCount = -1; 
    int nextPollTimeoutMillis = 0;
    for (;;) {
        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
            Binder.flushPendingCommands();
        }
        // 阻塞操作，当等待nextPollTimeoutMillis时长，或者消息队列被唤醒，都会返回
        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

        // 采用锁同步机制，为了保证消息队列一次只会处理一个msg
        synchronized (this) {
            // Try to retrieve the next message.  Return if found.
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages;
            
            // 如果取出的消息是同步屏障消息
            if (msg != null && msg.target == null) {
                // 则往后遍历查找异步消息进而执行
                do {
                    prevMsg = msg;
                    msg = msg.next;
                } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
            }
            if (msg != null) {
                // 当消息触发时间大于当前时间，则设置下一次轮询的超时时长
                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 {
                    // 获取一条消息，并返回
                    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 {
                // 没有消息
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }

            // 处理完所有待处理的消息后处理退出消息
            if (mQuitting) {
                dispose();
                return null;
            }
            
            
            // IdleHandler，启动优化的方案之一
            // 如果第一次空闲，则获取要运行的空闲器的数量。空闲句柄仅在队列为空或队列中的第一条消息（可能是屏障）将在未来处理时运行。
            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);
        }

        // 运行空闲处理程序。我们只在第一次迭代期间到达这个代码块。
        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);
                }
            }
        }

        // 将空闲处理程序计数重置为 0，这样我们就不会再次运行它们。
        pendingIdleHandlerCount = 0;

        // 在调用空闲处理程序时，可能已经传递了一条新消息，因此无需等待即可返回并再次查找未决消息。
        nextPollTimeoutMillis = 0;
    }
}

nativePollOnce是阻塞操作，其中nextPollTimeoutMillis代表下一个消息到来前，还需要等待的时长；当nextPollTimeoutMillis = -1时，表示消息队列中无消息，会一直等待下去。

当处于空闲时，往往会执行IdleHandler中的方法。当nativePollOnce()返回后，next()从mMessages中提取一个消息。

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