前言
在Android开发过程中，使用Handler已经是一件很平常的事了。比如经常遇到在子线程中如何更新UI，AsyncTask的实现，IntentService是如何实现在子线程工作的，当碰到这些问题的时候，一下子就想到是Handler通过发送消息来实现的。那么Handler是如何实现消息发送机制的呢？
Handler工作流程
说到Handler，就要提起MessageQueue，Looper，Message。通常做法是在线程A中通过Handler发送一条消息Message到消息队列MessageQueue，而Looper会在MessageQueue有消息到达时取出消息Message并且发送给Handler.dispatchMessage处理。它们之间的关系如下图：
new Handler()
public Handler(@Nullable Callback callback, boolean async) {
// Looper.myLooper() => sThreadLocal.get()
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;
}
通过创建Handler的源码可以发现，会先取Looper.myLooper()，如果mLooper为空会抛出异常，看异常错误可以得知是在当前线程中没有调用Looper.prepare()。那么为什么我们在主线程直接new Handler不会抛出异常呢？是因为zygote启动应用进程的时候，在ActivityThread.main()中已经给主线程创建了Looper，如下代码所示：
public static void main(String[] args) {
// ...省略其他代码
// 最终也是执行Looper.prepare()
Looper.prepareMainLooper();
// ...省略其他代码
//获取的是H类的实例，H类也是继承Handler
if (sMainThreadHandler == null) {
sMainThreadHandler = thread.getHandler();
}
//开启死循环
Looper.loop();
//一旦 Looper.loop() 执行结束，那么就抛出异常了
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
Looper.prepare()
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));
}
首先会执行sThreadLocal.get()，如果不为空则抛出异常，这里也解释了为什么一个线程只能创建一个Looper的问题；如果为空，则创建一个Looper设置给sThreadLocal，这样就实现了Looper和ThreadLocal的双向绑定。使用ThreadLocal就能达到线程间数据互不干扰的效果，这样的设计也能避免线程间共享的数据不会错乱。接下来看下new Looper(quitAllowed)做了什么
new Looper(quitAllowed)
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
私有构造函数也说明在创建Looper的时候是不允许通过new来创建的，只能通过
Looper.prepare()来创建。在创建Looper的时候也创建了当前线程的MessageQueue。接下来就是开始消息循环Looper.loop()
Looper.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;
// ...省略代码
for (;;) {
//从MessageQueue中取消息，没有消息会阻塞，nativePollOnce
Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
// ...省略代码
try {
// msg.target == handler
msg.target.dispatchMessage(msg);
} catch (Exception exception) {
if (observer != null) {
observer.dispatchingThrewException(token, msg, exception);
}
throw exception;
} finally {
ThreadLocalWorkSource.restore(origWorkSource);
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
// ...省略代码
// 这里是回收msg的逻辑，提高性能和内存
msg.recycleUnchecked();
}
}
首先还是判断当前线程是否有Looper,如果没有抛出异常，否则获取当前MessageQueue，通过死循环来调用MessageQueue的next方法获取消息，如果没有消息则会阻塞，阻塞是在MessageQueue.next方法中实现，后面会分析。当没有获取到消息的会直接退出循环，这也是退出Looper的原因，而触发的原因是调用了Looper.quit()间接的调用MessageQueue.quit()实现的。如果获取到了消息，则调用msg.target.dispatchMessage(msg)来处理消息，在MessageQueue.enqueueMessage给Message.target赋值为了当前的Handler，这样就能执行到Handler.dispatchMessage中去了。所以也可以得到消息处理是在创建Handler所使用的Looper的线程中，从而达到线程切换的目的。
MessageQueue的生产者enqueueMessage()
当我们在Handler中发送消息时，最终都会调用MessageQueue.enqueueMessage方法，使得消息入队。
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
//判断msg必须得有Handler
if (msg.target == null) {
throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
}
//判断当前msg还没有被处理过
if (msg.isInUse()) {
throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
}
//MessageQueue是生产者消费者，在next方法中同样有synchronized (this) ，这里是生产者
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();
msg.when = when;
Message p = mMessages;
boolean needWake；
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
//如果msg是第一条消息或者执行时间小于当前第一条消息则放在链表第一条，并且将needWake置为mBlocked，mBlocked是在next中赋值的，下面分析
// New head, wake up the event queue if blocked.
msg.next = p;
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
//消息按照时间来插入到链表中
needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
Message prev;
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;
}
// 如果需要唤醒，则调用nativeWake来唤醒被nativePollOnce挂起的线程
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
MessageQueue是一种生产者消费者模式，enqueueMessage方法内部用synchronized (this)获取当前对象的锁，将msg按照执行的时间顺序添加到MessageQueue中，如果当前线程是被挂起的状态，还要通过nativeWake来唤醒线程。
MessageQueue的消费者next()
从前面我们可以知道，在Looper.loop()开启死循环后，就在等待MessageQueue.next()返回可以处理的消息。
Message next() {
//如果消息队列已经退出了，则就返回null，那么在looper.loop()就会得null的message，从而退出
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();
}
//挂起当前线程，native中通过epoll_wait()来阻塞的
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
//这里的 synchronized (this)是消费者
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) {
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;
}
//mQuitting是quit()函数赋值的，如果mQuitting为true表示消息队列要退出了，返回msg=null；
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();
}
//如果msg==null时，nextPollTimeoutMillis = -1，之所以nextPollTimeoutMillis没有执行循环末尾的重新赋值为0，就是因为这里需要执行空闲时的IdleHandler个数为0，continue后，执行nativePollOnce进入了阻塞
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
//阻塞挂起，并且赋值 mBlocked为true，那么下次有消息时，在enqueueMessage方法中就要唤醒被挂起的线程
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;
}
}
首先判断消息队列是否退出，如果退出则直接返回null给Looper退出，没有退出则继续执行。nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis)是通过nextPollTimeoutMillis来说明当前是否需要挂起和挂起时间。当nextPollTimeoutMillis==-1时表示一直阻塞不会超时；当nextPollTimeoutMillis==0时表示不会阻塞立即返回；当nextPollTimeoutMillis>0时表示当前线程最长需要挂起多长时间。局部变量nextPollTimeoutMillis初始值为0，进入同步代码块后，如果获取到当前msg为空，则nextPollTimeoutMillis=-1，我们可以发现在循环末尾会重新给nextPollTimeoutMillis赋值为0，那么nativePollOnce就不会阻塞挂起了。但其实还要注意到pendingIdleHandlerCount这个空闲时可处理的IdleHandler个数，如果没有添加的IdleHandler那么就是0，所以这里执行continue后，继续for循环nativePollOnce(ptr,-1)阻塞挂起了。如果msg!=null的时候，就会比较当前时间是否小于消息执行的时间，如果小于的话，线程就会进入最长需要挂起的时间；如果大于就返回当前的msg。
执行工作的Handler.dispatchMessage()
public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
如果msg的callback不为空，就执行msg的callback.run()，如果调用Handler.post系列的方法。如果msg.callback为空，则判断Callback是否为空，不为空就执行mCallback的handleMessage方法，最后才执行Handler的handleMessage，这也是平常用的最多的。
Message.recycleUnchecked()
在Looper.loop()执行完msg.target.dispatchMessage(msg)后，还会执行msg.recycleUnchecked()。
void recycleUnchecked() {
// ...省略初始化代码
synchronized (sPoolSync) {
if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
next = sPool;
sPool = this;
sPoolSize++;
}
}
}
如果当前sPoolSize还没有到MAX_POOL_SIZE(50个)，就把当前的msg放入队列的头部。这种方式相比于new Message()，可以提升内存的使用率，如果一直new实例，则在内存空间上就会出现很多碎片，也可能造成频繁gc。所以推荐使用Handler.obtainMessage()
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();
}
Looper.quit()和quitSafely()
如果在子线程中创建了Looper，就可以通过quit或者quitSafely来退出消息队列。这样可以停止线程的Looper.loop()，并且不会有内存泄漏问题。quit和quitSafely的区别就是，quit会移除所有的消息，quitSafely只会移除还没处理的消息。
至此，就明白Android中Handler的工作原理，再去看AsyncTask,IntentService,HandlerThread就比较容易理解了。
总结：
1.使用handler之前必须先调用Looper.prepare来创建Looper，否则会报异常。所以在子线程需要执行Looper.prepare()，通过Looper.myLooper()来获取当前线程的Looper，一个线程只有一个Looper和MessageQueue。主线程不用执行是因为在ActivityThread.main中已经执行了Looper.prepareMainLooper()
2.处理Handler消息的线程是Looper所在的线程，所以在IntentService中虽然在主线程中创建的ServiceHandler,但是Looper是HandlerThread中的子线程Looper,所以在处理消息onHandleIntent()时是在子线程处理的，可以做耗时操作
3.MessageQueue消息队列是生产者消费者模式，在添加消息是按照执行的时间when顺序插入到链表中去的。
4.Looper.loop()死循环不会导致ANR，因为在没有消息时会阻塞并且挂起当前线程，而不会超时，只有超时没有响应才会导致ANR。当MessageQueue没有消息时，会调用nativePollOnce导致线程阻塞，直到有消息到达时调用nativeWake来唤醒线程。
5.如果需要退出Looper，可以调用Looper.quit()或者quitSafely()，但是主线程是不能退出的，因为主线程在mQuitAllowed为false，调用quit会直接异常。
6.在使用Message时，最好使用Handler.obtainMessage来取代new Message()
7.Handler引起内存泄漏的原因，在发送消息的时候msg会引用Hanlder作为target成员变量的值。在子线程中没有释放Looper对象。
