Handler消息机制知识汇总

作者: 社会我鹏哥 | 来源:发表于2019-08-20 23:45 被阅读0次

1、概述

在 Android 中，只有主线程才能操作 UI，但是主线程不能进行耗时操作，否则会阻塞线程，产生 ANR 异常，所以常常把耗时操作放到其它子线程进行。如果在子线程中需要更新 UI，一般是通过 Handler 发送消息，主线程接受消息并且进行相应的逻辑处理。除了直接使用 Handler，还可以通过 View 的 post 方法以及 Activity 的 runOnUiThread 方法来更新 UI，它们内部也是利用了 Handler。

很多人认为Handler的作用是更新UI，这的确没错，但是更新UI仅仅是Handler的一个特殊的使用场景。具体来说是这样的：有时候需要在子线程中进行耗时的IO操作，可能是读取文件或者访问网络等，当耗时操作完成以后可能需要在UI上做一些改变，由于Android开发规范的限制，我们并不能在子线程中访问UI控件，否则就会触发程序异常，这个时候通过Handler就可以将更新UI的操作切换到主线程中执行。因此，本质上说，Handler并不是专门用于更新UI的，它只是常被开发者用来更新UI。

由于Android中的View是线程不安全的，然而程序中异步处理任务结束后更新UI元素也是必须的。这就造成了一个矛盾，最简单的解决方法肯定是给View加同步锁使其变成线程安全的。这样做不是不可以，只是会有两点坏处：

会让UI访问的逻辑变得复杂
会降低UI访问的效率，因为锁机制会阻塞某些线程的执行。

基于以上两个缺点，最简单且高效的方法就是采用单线程模型来处理UI操作，对于开发者来说也不是很麻烦，只是通过Handler切换一下UI访问的执行线程即可。

2、基本用法

step1:创建Handler实例

//1.自定义Handler类
static class CustomHandler extends Handler{
    @Override
    public void handleMessage(Message msg) {
        //更新UI等操作
    }
}

CustomHandler customHandler = new CustomHandler();

//2.内部类
Handler innerHandler = new Handler(){
    @Override
    public void handleMessage(Message msg) {
        //更新UI等操作
    }
};

//3.callback方式
Handler callbackHandler = new Handler(new Handler.Callback() {
    @Override
    public boolean handleMessage(Message msg) {
        //更新UI等操作
        return true;
    }
});

step2:发送消息

//1.发送普通消息
 Message msg = Message.obtain();
 msg.what = 0; //标识
 msg.obj = "这是消息体"; //消息内容
 innerHandler.sendMessage(msg);

 //2.发送Runnale消息
 innerHandler.post(new Runnable() {
     @Override
     public void run() {
         //更新UI等操作，消息接收后执行此方法
     }
 });

3、源码解析

3.1 Handler中存在四种角色

Handler
Handler用来向Looper发送消息，调用sendMessage等多个方法，在Looper处理到对应的消息时，Handler在对消息进行具体的处理。上层关键API为handleMessage()，由子类自行实现处理逻辑。
Looper
Looper运行在目标线程里，不断从消息队列MessageQueue读取消息，分配给Handler处理。Looper起到连接的作用，将来自不同渠道的消息，聚集在目标线程里处理。也因此Looper需要确保线程唯一。
MessageQueue
存储消息对象Message，当Looper向MessageQueue获取消息，或Handler向其插入数据时，决定消息如何提取、如何存储。不仅如此，MessageQueue还维护与Native端的连接，也是解决Looper.loop() 阻塞问题的 Java 端的控制器。
Message
Message包含具体的消息数据，在成员变量target中保存了用来发送此消息的Handler引用。因此在消息获得这行时机时，能知道具体由哪一个Handler处理。此外静态成员变量sPool，则维护了消息缓存池以复用。

这几个类的作用还可以用下图解释：

Handler机制

3.2 Handler
使用Handler之前，我们都是初始化一个实例，比如用于更新UI线程，我们会在声明的时候直接初始化，或者在onCreate中初始化Handler实例。所以我们首先看Handler的构造方法，看其如何与MessageQueue联系上的，它在子线程中发送的消息（一般发送消息都在非UI线程）怎么发送到MessageQueue中的。

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

public Handler(Callback callback) {
    this(callback, false);
}


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");
        }
    }

    mLooper = Looper.myLooper();  // ①
    if (mLooper == null) {  // ②
        throw new RuntimeException
        ("Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
    }
    mQueue = mLooper.mQueue;  // ③
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;
}

在①处通过Looper.myLooper()获取与创建Handler线程绑定的Looper，如果 mLooper 为空，那么会抛出异常："Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()"，意思是：不能在未调用 Looper.prepare() 的线程创建 handler，然后在③处又获取与Looper绑定的MessageQueue，因为一个Looper只能有一个MessageQueue，也就是与当前线程绑定的MessageQueue，这样就保证了Handler的实例与我们Looper实例中MessageQueue关联上了。

到此，Android 消息机制的三个重要角色全部出现了，分别是 Handler、Looper 以及 MessageQueue。一般在代码我们接触比较多的是 Handler ，但 Looper 与 MessageQueue 却是 Handler 运行时不可或缺的。

Handler发送消息最常用的方式就是sendMessage()，除此之外也可以通过post()、postAtTime()、postDelayed()等方法发送消息，这几个方法均会执行到sendMessageAtTime()方法。

下面以最常用的sendMessage方法为例

发送消息的方法

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

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

发送空消息的方法

public final boolean sendEmptyMessage(int what){
        return sendEmptyMessageDelayed(what, 0);
}

public final boolean sendEmptyMessageDelayed(int what, long delayMillis) {
        Message msg = Message.obtain();
        msg.what = what;
        return sendMessageDelayed(msg, delayMillis);
}

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

二者最终都会调用 sendMessageAtTime方法

public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {
        MessageQueue queue = mQueue;  // ①
        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);
}

在sendMessageAtTime方法中，接收两个参数，其中msg参数就是我们发送的Message对象，而uptimeMillis参数则表示发送消息的时间，它的值等于自系统开机到当前时间的毫秒数再加上延迟时间，如果你调用的不是sendMessageDelayed()方法，延迟时间就为0，然后将这两个参数都传递到MessageQueue的enqueueMessage()方法中。

可以看到在①处为MessageQueue赋值mQueue，这个值是在Handler的构造方法中通过Looper获取，在获取MessageQueue然后调用了enqueueMessage方法

private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
        msg.target = this;  // ① 
        if (mAsynchronous) {
            msg.setAsynchronous(true);
        }
        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);  // ②
}

在该方法内的①处，首先为meg.target赋值为this，此处的this就是当前Handler对象本身。在这就指明了该msg的来源——它是由哪个Handler发出的，与此同时也指明了该msg的归宿——它该由哪个Handler处理。不难发现，哪个Handler发出了消息就由哪个Handler负责处理。

在②处，将消息放入消息队列中，距离触发时间最短的message排在队列最前面,同理距离触发时间最长的message排在队列的最尾端。若调用sendMessageAtFrontOfQueue()方法发送消息它会直接调用该enqueueMessage(msg,uptimeMillis)让消息入队只不过时间为延迟时间为0，也就是说该消息会被插入到消息队列头部优先得到执行。

接下来我们看MessageQueue中的enqueueMessage()方法，该方法就是消息入队操作了。这个MessageQueue是一个消息队列，但是它的内部实现并不是用的队列，实际上它是通过一个单链表的数据结构来维护消息列表。MessageQueue主要包含两个操作，插入和读取，分别对应enqueueMessage()方法和next()方法。
MessageQueue是在Looper的构造函数中创建的，因此一个Looper也就对应了一个MessageQueue。

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
        // msg 必须有target也就是必须有handler
        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.");
        }
        //插入消息队列的时候需要做同步，因为会有多个线程同时做往这个队列插入消息
        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();
            //when 表示这个消息执行的时间，队列是按照消息执行时间排序的
            //如果handler 调用的是postDelay 那么when=SystemClock.uptimeMillis()+delayMillis
            msg.when = when;
            Message p = mMessages;
            boolean needWake;
            if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
                // 这里三种情况：
                // 1、目标消息队列是空队列
                // 2、插入的消息处理时间等于0
                // 3、插入的消息处理时间小于保存在消息队列头的消息处理时间
                // 这三种情况都插入列表头
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
                //需要唤醒主线程，如果队列没有元素，主线程会堵塞在管道的读端，这时
                //候队列突然有消息了，就会往管道写入字符，唤醒主线程
                needWake = mBlocked;
            } else {
              // 这里则说明消息处理时间大于消息列表头的处理时间，因此需要找到合适的插入位置
                needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
                Message prev;
                //将消息放到队列的确切位置，队列是按照msg的when 排序的
                for (;;) {
                    prev = p;
                    p = p.next;
                    // 到链表尾，或处理时间早于p的时间
                    if (p == null || when < p.when) {
                        break;
                    }
                    if (needWake && p.isAsynchronous()) {
                     // 如果插入的消息在目标队列中间，是不需要检查改变线程唤醒状态的
                        needWake = false;
                    }
                }
                // 插入到消息队列
                msg.next = p; 
                prev.next = msg;
            }

            if (needWake) {
                // 唤醒线程
                nativeWake(mPtr);
            }
        }
        return true;
    }

3.3 Looper
在创建 Looper 的时候，通过构造方法会创建一个消息队列，代码如下：

private Looper(boolean quitAllowed) {
    mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
    mThread = Thread.currentThread();
}

在Looper构造方法初始化时，就给当前线程创建了消息队列MessageQueue，并且让Looper持有MessageQueue的引用。所以在Handler构造方法里就可以为消息队列赋值mQueue = mLooper.mQueue;

上面分析了 Handler 的构造方法，其中调用了 Looper.myLooper() 方法，下面是它的源码：

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

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

这个方法非常简单，就是从sThreadLocal对象中取出Looper。如果sThreadLocal中有Looper存在就返回Looper，如果没有Looper存在自然就返回空了。

在 Handler 的构造中，从抛出的异常可知，

public Handler(Callback callback, boolean async) {
   ...

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

每个线程想要获得 Looper 需要调用 prepare() 方法，如下所示：

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));
}

可以看到，首先判断sThreadLocal中是否已经存在Looper了，如果还没有则创建一个新的Looper保存到ThreadLocal里面。不过需要注意的是如果 sThreadLocal 已经设置过了，那么会抛出异常，也就是说一个线程只会有一个 Looper。

这里涉及到ThreadLocal的知识点！ThreadLocal是什么？它是一个用来存储数据的类，类似HashMap、ArrayList等集合类。它的特点是可以在指定的线程中存储数据，然后取数据只能取到当前线程的数据。

举个例子：

ThreadLocal<Integer> mThreadLocal = new ThreadLocal<>();
private void testMethod() {
    mThreadLocal.set(0);
    Log.d(TAG, "main  mThreadLocal=" + mThreadLocal.get());

    new Thread("Thread1") {
        @Override
        public void run() {
            mThreadLocal.set(1);
            Log.d(TAG, "Thread1  mThreadLocal=" + mThreadLocal.get());
        }
    }.start();

    new Thread("Thread2") {
        @Override
        public void run() {
            mThreadLocal.set(2);
            Log.d(TAG, "Thread1  mThreadLocal=" + mThreadLocal.get());
        }
    }.start();

    Log.d(TAG, "main  mThreadLocal=" + mThreadLocal.get());
}

输出的log是

main  mThreadLocal=0
Thread1  mThreadLocal=1
Thread2  mThreadLocal=2
main  mThreadLocal=0

通过上面的例子可以清晰的看到ThreadLocal存取数据的特点，只能取到当前所在线程存的数据，如果所在线程没存数据，取出来的就是null。ThreadLocal保证每个线程都保持对其线程局部变量副本的隐式引用，只要线程是活动的并且 ThreadLocal 实例是可访问的；在线程消失之后，其线程局部实例的所有副本都会被垃圾回收（除非存在对这些副本的其他引用。

好了回到正题，prepare()创建Looper的时候同时把创建的Looper存储到了ThreadLocal中，通过对ThreadLocal的介绍，获取Looper对象就很简单了，sThreadLocal.get()即可，源码提供了一个public的静态方法可以在主线程的任何地方获取这个主线程的Looper（注意一下方法名myLooper()，多个地方会用到）：

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

Looper创建完了，接下来开启循环，loop方法的关键代码如下：

public static void loop() {
    final Looper me = myLooper();  // ①
    if (me == null) {              // ②
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
    }
    final MessageQueue queue = me.mQueue; // ③

    for (;;) {     // ④
        Message msg = queue.next(); // might block
        if (msg == null) {
            // No message indicates that the message queue is quitting.
            return;
        }

        try {
            msg.target.dispatchMessage(msg);    // ⑤
        } finally {
            if (traceTag != 0) {
                Trace.traceEnd(traceTag);       
            }
        }

        msg.recycleUnchecked();       // ⑥
    }
}

在①处首先获取Looper，然后在②处判断如果Looper为空，说明在线程中必须关联一个Looper。在③处通过Looper获取消息队列，④处开始一个死循环，通过调用消息队列的next()方法queue.next()进行出队操作。也就是说在该段代码中Looper一直在轮询消息队列MessageQueue。假若消息队列中没有未处理的消息(即queue.next()==null)则其进入阻塞状态，假若消息队列中有待处理消息(即queue.next()!=null)则利用⑤处msg.target.dispatchMessage(msg)将该消息派发至对应的Handler。最后⑥处将Message回收到消息池,下次要用的时候不需要重新创建，obtain()就可以了。

到了这，可能有的人会有一个疑问：系统怎么知道把消息发送给哪个Handler呢？其实就是在enqueueMessage()中系统给msg设置了target从而确定了其目标Handler，所以只要通过msg.target.dispatchMessage(msg)就可以将消息派发至对应的Handler了。那在dispatchMessage()中又会对消息做哪些操作呢？我们继续跟进源码。

在看dispatchMessage()方法之前先看一下queue.next() 的方法的源码（主要还是看注释）：

Message next() {
        final long ptr = mPtr;
        if (ptr == 0) {
            // 获取NativeMessageQueue地址失败，无法正常使用epoll机制
            return null;
        }

        // 用来保存注册到消息队列中的空闲消息处理器（IdleHandler）的个数
        int pendingIdleHandlerCount = -1; 
        // 如果这个变量等于0，表示即便消息队列中没有新的消息需要处理，当前
        // 线程也不要进入睡眠等待状态。如果值等于-1，那么就表示当消息队列中没有新的消息
        // 需要处理时，当前线程需要无限地处于休眠等待状态，直到它被其它线程唤醒为止
        int nextPollTimeoutMillis = 0;
        for (;;) {
            ......

            // 检查当前线程的消息队列中是否有新的消息需要处理，尝试进入休眠
            nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

            synchronized (this) {
                // 当前时间
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                Message prevMsg = null;
                // mMessages 表示当前线程需要处理的消息
                Message msg = mMessages;
                if (msg != null && msg.target == null) {
                    // 找到有效的Message
                    do {
                        prevMsg = msg;
                        msg = msg.next;
                    } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
                }
                if (msg != null) {
                    /**
                     * 检查当前时间和消息要被处理的时间，如果小于当前时间，说明马上要进行处理
                     */
                     
                    if (now < msg.when) {
                        // 还没达到下一个消息需要被处理的时间，计算需要休眠的时间
                        nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                    } else {
                        // 有消息需要处理
                        // 不要进入休眠
                        mBlocked = false;
                        if (prevMsg != null) {
                            prevMsg.next = msg.next;
                        } else {
                            // 指向下一个需要处理的消息
                            mMessages = msg.next;
                        }
                        msg.next = null;
                        if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
                        msg.markInUse();
                        return msg;
                    }
                } else {
                    // 没有更多消息，休眠时间无限
                    nextPollTimeoutMillis = -1;
                }

                ......
                if (pendingIdleHandlerCount < 0
                        && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
                    // 获取IdleHandler数
                    pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
                }

                if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
                    // 没有IdleHandler需要处理，可直接进入休眠
                    mBlocked = true;
                    continue;
                }

                if (mPendingIdleHandlers == null) {
                    mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
                }
                mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
            }

            // 如果没有更多要进行处理的消息，在休眠之前，发送线程空闲消息给已注册到消息队列中的IdleHandler对象来处理
            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 {
                    // 处理对应逻辑，并由自己决定是否保持激活状态
                    keep = idler.queueIdle();
                } catch (Throwable t) {
                    Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
                }

                if (!keep) {
                    // 不需要存活，移除
                    synchronized (this) {
                        mIdleHandlers.remove(idler);
                    }
                }
            }

            // 重置IdleHandler数量
            pendingIdleHandlerCount = 0;

            /**
             * 这里置0，表示下一次循环不能马上进入休眠状态，因为IdleHandler在处理事件的时间里，
             * 有可能有新的消息发送来过来，需要重新检查。
             */
            nextPollTimeoutMillis = 0;
        }
    }

继续跟进Handler的dispatchMessage()方法，代码如下：

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

首先处理Message的回调callback，比如调用handler.post(Runnable runnable)时，该runnable就会被系统封装为Message的callback。

然后处理Handler的回调callback，比如执行Handler handler=Handler(Callback callback)时就会将callback赋值给mCallback

最后调用handleMessage()处理消息Message。

The End！

Handler消息机制知识汇总

1、概述

2、基本用法

step1:创建Handler实例

step2:发送消息

3、源码解析

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