Android 異步消息機制 Handler Message Looper機制詳解

1.前言

Handler Message是android中比較常用的異步消息機制，通常我們對UI更新，對異步操作運算，很多時候都採用Handler來實現，現在我們探討一下Handler，Message以及Looper的消息機制。

2.一般使用方法

通常我們使用Handler的一般流程是：
創建Handler對象，並在handleMessage實現消息接受的具體實現；

private final static int MSG_UPDATE = 0x01;
    Handler mHandler = new Handler() {
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            switch (msg.what) {
                case MSG_UPDATE:
                    //處理邏輯
                    break;

            }
        }
    };

創建Message對象，並設置Message屬性；

Message msg = Message.obtain();
msg.what = MSG_UPDATE;

通過Handler的sendMessage方法發送消息對象。

mHandler.sendMessage(msg);

通過在Activity或者其他類裏面創建一個Handler對象後，通過在不同時刻不同需求，通過發消息的形式，對界面進行更新或實現其他的業務邏輯。那Android Framework給開發者提供的這種簡單便利的Handler消息異步機制是怎麼實現的呢？

3.源碼分析

3.1 Handler 部分

在創建Handler對象時候，到底經歷了一個什麼過程呢？
我們結合android-26源碼進行源碼分析。
首先，通過代碼跟蹤，實例化Handler時候，實際上是調用了

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

然後實質上是調用了

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();
        if (mLooper == null) {
            throw new RuntimeException(
                "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
        }
        mQueue = mLooper.mQueue;
        mCallback = callback;
        mAsynchronous = async;
}

　　這裏我們也看一下myLooper方法

public static @Nullable Looper myLooper() {
        return sThreadLocal.get();
    }

　　從上面的源碼可以看出，我們在實例化Handler時候，實際上是從sThreadLocal對象中取出Looper。如果sThreadLocal中有Looper存在就返回Looper；若Looper爲空，直接拋出Can’t create handler inside thread that has not called Looper.prepare()的異常。
　　那爲什麼我們在創建時候沒有報異常，而可以取到Looper對象呢？這是應爲我們的Activity裏面已經調用了Looper.prepareMainLooper();我們可以通過查看ActivityThread的源碼的main入口來看，

public final class ActivityThread {

    private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {
            if (activity != null) {
                activity.attach(appContext, this, ..., );

   public static void main(String[] args) {
        // 在這兒調用 Looper.prepareMainLooper, 爲應用的主線程創建Looper
        Looper.prepareMainLooper();
        ActivityThread thread = new ActivityThread();
        if (sMainThreadHandler == null) {
           sMainThreadHandler = thread.getHandler();
        }
       Looper.loop();
    }
} 

這裏的ActivityThread.main方法也是我們通常說的android應用程序的入口。而Activity的生命週期的開始是在
ActivityThread .attach(false)後開始的，所以我們在Activity裏面創建Handler實例時候，就已經有了一個Looper，而且是主線程Looper。通過源碼我們可以很清楚看出。

/**
     * 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()}
     */
    public static void prepareMainLooper() {
        prepare(false);
        synchronized (Looper.class) {
            if (sMainLooper != null) {
                throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
            }
            sMainLooper = myLooper();
        }
　　}

這裏ActivityThread.main()中調用 Looper.prepareMainLooper, 爲應用的主線程創建Looper。
到這裏Handler的主要源碼就到此爲止，後面有些注意點要補充的。

3.2 Message 部分

Message源碼部分比較簡單，Message類實現了Parcelable接口，可以理解爲比較普通的實體類。
主要屬性有：

public final class Message implements Parcelable {

    public int what;
    public int arg1;
    public int arg2;
　　public Object obj;
　　...
　　long when;
　　Bundle data;
　　Handler target;
　　Runnable callback;
　　Message next;
}

Message類本身沒有什麼多大探究的，現在我們關係的是Message是怎麼發送出去的？
那麼我們現在要看看Handler的sendMessage方法了。這裏又要到Handler源碼裏面取查看相關的方法實現。重點是消息的發送的實現。

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

接着查看sendMessageDelayed

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

接着sendMessageAtTime

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;
        }
        return enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);
}

從這裏看出，獲取到當前消息隊列queue，然後將msg消息加入到消息隊列queue，這裏的消息隊列其實就是一個單向鏈表。我們看看enqueueMessage方法

private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
        msg.target = this;
        if (mAsynchronous) {
            msg.setAsynchronous(true);
        }
        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}

這裏我們可以清楚看出msg.target就是Handler對象。
此時再看MessageQueue的enqueueMessage方法

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
        if (msg.target == null) {
            throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
        }
        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();
            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.
                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;
                    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);
            }
        }
        return true;
    }

　　消息Message通過調用enqueueMessage方法進行入隊加入MessageQueue並且將所有的消息按時間來進行排序。
消息的加入算是明白了，但是消息的是怎麼取出來，然後進行處理的呢？接下來一起看Looper源碼。

3.3 Looper 部分

在上一節分析ActivityThread源碼時，我們很清楚發現，main方法裏面不僅調用了 Looper.prepareMainLooper,而且也調用了Looper.loop方法。查看Loop方法

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 (;;) {
            Message msg = queue.next(); // might block
            if (msg == null) {
                // No message indicates that the message queue is quitting.
                return;
            }

            // This must be in a local variable, in case a UI event sets the logger
            final Printer logging = me.mLogging;
            if (logging != null) {
                logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
                        msg.callback + ": " + msg.what);
            }

            final long slowDispatchThresholdMs = me.mSlowDispatchThresholdMs;

            final long traceTag = me.mTraceTag;
            if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
                Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
            }
            final long start = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
            final long end;
            try {
                msg.target.dispatchMessage(msg);
                end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
            } finally {
                if (traceTag != 0) {
                    Trace.traceEnd(traceTag);
                }
            }
            if (slowDispatchThresholdMs > 0) {
                final long time = end - start;
                if (time > slowDispatchThresholdMs) {
                    Slog.w(TAG, "Dispatch took " + time + "ms on "
                            + Thread.currentThread().getName() + ", h=" +
                            msg.target + " cb=" + msg.callback + " msg=" + msg.what);
                }
            }

            if (logging != null) {
                logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
            }

            // Make sure that during the course of dispatching the
            // identity of the thread wasn't corrupted.
            final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity();
            if (ident != newIdent) {
                Log.wtf(TAG, "Thread identity changed from 0x"
                        + Long.toHexString(ident) + " to 0x"
                        + Long.toHexString(newIdent) + " while dispatching to "
                        + msg.target.getClass().getName() + " "
                        + msg.callback + " what=" + msg.what);
            }

            msg.recycleUnchecked();
        }
    }

首先我們通過myLoop獲取到當前loop，然後從中拿到MessageQueue實體對象，然後通過for (;;) 循環語句一直循環queue.next()獲取下一個Message，若MessageQueue爲空，則隊列阻塞。
通MessageQueue中拿到Message對象後，通調用 msg.target.dispatchMessage(msg)進行消息分發處理。這裏的msg.target就是Handler本身，前面已經講過了。

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

　　當msg.callback != null是執行handleCallback；當callback 爲空，調用Handler的handleMessage()方法。這也是在實例化Handler裏面的回調處理handleMessage方法。至此，整個Handler、Message、Looper源碼已經講完了，下一節我們要進行一些補充和歸納。

4.補充與疑問

4.1 Handler.post方法不一定都主線程運行,但是能更新UI

　　首先我們查看post方法的具體實現

/**
     * Causes the Runnable r to be added to the message queue.
     * The runnable will be run on the thread to which this handler is 
     * attached. 
     *  
     * @param r The Runnable that will be executed.
     * 
     * @return Returns true if the Runnable was successfully placed in to the 
     *         message queue.  Returns false on failure, usually because the
     *         looper processing the message queue is exiting.
     */
    public final boolean post(Runnable r)
    {
       return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
    }

　　通過源碼的註釋可以看出，在調用post方法時候，創建的Runnable實例是在所屬的Handler對象線程裏面運行的。如果Handler不是主線程，那麼post後的runnable對象也不在主線程裏面運行。
例如，我們可以這樣做個實驗

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    private final static String TAG = MainActivity.class.getSimpleName();

    HandlerThread mHandlerThread = new HandlerThread("MyThread");
    Handler mHandler;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        mHandlerThread.start();
        mHandler = new Handler(mHandlerThread.getLooper());

        long id = Thread.currentThread().getId();
        Log.d(TAG, "Main ThreadName:" + Thread.currentThread().getName() + "  ThreadId:" + id);

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                mHandler.post(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        long id = Thread.currentThread().getId();
                        Log.d(TAG, "Thread ThreadName:" + Thread.currentThread().getName() + "  ThreadId:" + id);
                        Toast.makeText(MainActivity.this, "nihao", Toast.LENGTH_SHORT).show();

                    }
                });
            }
        }).start();

    }
}

打印結果是：

我們可以很清楚看出，運行在post裏面的線程的ThreadId並不是主線程Id=1，也就是說，此時的post運行不在主線程裏面。但是Toast能正常顯示提示，沒有報異常。
那爲什麼我們經常在Activity裏面取調用post更新UI不報錯了？
這跟我們在子線程中更新UI的方法一樣了，如下面我們常在子線程中更新UI的代碼

new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
           Looper.prepare();
           Toast.makeText(MainActivity.this, "nihao", Toast.LENGTH_SHORT).show();
           Looper.loop();
       }
}).start();

4.2 ThreadLocal

　　在一個android應用中編程，我們通常需要很多handler消息機制來實現各種功能，但是我們怎樣保證handler對應的looper的唯一和handler消息的多線程問題了，這裏就引出了ThreadLocal。
　　ThreadLocal使用場合主要解決多線程中數據因併發產生不一致的問題。ThreadLocal以空間換時間，爲每個線程的中併發訪問的數據提供一個副本，通過訪問副本來運行業務，這樣的結果是耗費了內存，但大大減少了線程同步所帶來的線程消耗，也減少了線程併發控制的複雜度。
　　那麼我們切換到Looper源碼，很容易看到

static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();

實際上，我們每個線程的Looper都存放到ThreadLocal裏面，可以把ThreadLocal看做是一個容器，容器裏面存放着屬於當前線程的變量。此時這裏是存放當前線程的Looper變量。通過ThreadLocal，每個線程的Looper相互不影響而分別工作的。
關於ThreadLocal的詳細，可以參考：http://blog.csdn.net/lufeng20/article/details/24314381

5.總結

看完了Handler、Message、Looper的分析後，我們總結一下三者的工作流程：

如圖（ps:網上盜用圖片),當我們創建好Handler後，通過Handler.sendMessage方法發送消息，此時將消息加載到MessageQueue，每次將新消息加入消息隊列時候，消息隊列根據時間進行排序，然後通過調用Looper.loop,裏面for循環一直輪訓消息隊列的消息，如果沒有消息，循環阻塞；如果有消息，取出消息後，進行dispatchMessage處理，調用Handler裏面的runnable或者handleMessage方法進行UI或者邏輯處理，到達異步消息處理機制。。。