基于Android 8.1 源码，分析 Handler 的工作流程
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一. 概述
在 Android 系统中，Zygote 进程是首个 java 进程，同时也是所有 java 进程的父进程。上层应用开发工程师所关注的 App 进程 fork 自 Zygote 进程，App 进程创建后最后会通过反射，调用 ActivityThread 的 main() 方法，进而初始化主线程的 looper 和 handler。
二. 主线程 Looper 初始化
2.1 ActivityThread.main
ActivityThread.java
public static void main(String[] args) {
// 省略...
// 初始化 UI 线程的 looper 对象
Looper.prepareMainLooper();
// 初始化 ActivityThread，进而初始化其成员变量 mH(Handler子类)
ActivityThread thread = new ActivityThread();
// 将 ApplicationThread(Binder) 对象 Attach 到 ActivityManagerService(AMS)
// 注：AMS 运行在 SystemServer 进程，负责调度四大组件等，通过 Binder 与 App 进程进行 IPC
thread.attach(false);
// 省略...
// 主线程进入循环
Looper.loop();
}
2.2 Looper.prepareMainLooper
Looper.java
public static void prepareMainLooper() {
// 初始化主线程 looper，不允许退出
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
// 初始化 sMainLooper，便于通过 new Handler(Looper.getMainLooper()) 方式向主线程发消息
sMainLooper = myLooper();
}
}
2.3 Looper.prepare
Looper.java
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
// 一个线程只能有一个 looper 对象，否则抛出异常
if (sThreadLocal.get() != null) {
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
// 此处实际是将 looper 对象存储到了 Thread.java 的成员变量 threadLocals 中
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
sThreadLocal 对象是 Looper.java 中的静态变量，故只要 Looper.class 不被 jvm 卸载，该变量就不会重新初始化。
2.4 Looper
Looper.java
private Looper(boolean quitAllowed) {
// 初始化 MessageQueue，因为一个线程只有一个 looper，所以也只有一个 MessageQueue 对象
// 无论 new 多少个 Handler，其中的 mQueue 对象皆指向此处创建的 mQueue 对象
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
2.5 ThreadLocal.set
ThreadLocal.java
public void set(T value) {
// 入参 values 是上面新建的 looper 对象
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取当前线程的成员变量 threadLocals
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 此时 map == null
if (map != null)
map.set(this, value);
else
// 走这个分支
createMap(t, value);
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
// 入参 firstValue 是上面新建的 looper 对象
// 创建一个 ThreadlocalMap 对象，并把 looper 存至其中，最后赋值给 threadLocals 对象
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
ThreadLocal 是一个泛型类，此处泛型为 Looper，它能实现每个线程拥有各自的 looper 而不产生竞争的原因是：它将每个线程的 looper 存储到了各自的成员变量 threadLocals 中。
2.6 ThreadLocalMap
Thread.java
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
// 保存 looper 对象
table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
size = 1;
setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}
ThreadLocalMap 是自定义的一个数据结构，由数组实现，其元素类型为 Entry。Entry 保存一个键值对，key 始终为ThreadLocal<?> 类型，value 为 Object 类型。此处 key 即为 Looper.java 中的静态变量 sThreadLocals，而 value 为之前创建的 looper 对象。
2.7 sMainLooper
Looper.java
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
// 初始化 sMainLooper，便于通过 new Handler(Looper.getMainLooper()) 方式向主线程发消息
sMainLooper = myLooper();
}
}
public static @Nullable Looper myLooper() {
return sThreadLocal.get();
}
2.8 ThreadLocal.get
ThreadLocal.java
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取当前线程的 threadLocals 对象，此处为 UI 线程
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 已经调用 prepare(false)，此处 map 不为 null
if (map != null) {
// 这个 this 就是 sThreadLocal
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
// 此处 value 为 Object 类型，需要强转为 Looper 类型
T result = (T)e.value;
// 返回该线程的 looper 对象
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
至此，UI 线程的 looper 对象已经创建并且保存到了 UI 线程的 threadLocals 对象中，并且赋值给了 Looper.java 的静态变量 sMainLooper，以便在其它线程中，通过 new Handler(Looper.getMainLooper()) 方式向主线程发消息。接下来看 Handler 的初始化。
三. Handler 初始化
3.1 Handler
Hanlder.java
public Handler() {
this(null, false);
}
public Handler(Callback callback, boolean async) {
// 省略...
// Handler 在哪个线程创建，取出来的就是哪个线程的 looper
mLooper = Looper.myLooper();
// 未调用 Looper.prepare() 的线程，无法创建 Handler
if (mLooper == null) {
throw new RuntimeException(
"Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
}
// 指向创建 looper 时所创建的 MessageQueue 对象
mQueue = mLooper.mQueue;
mCallback = callback;
mAsynchronous = async;
}
没有 looper 就无法创建 Handler，同样创建 Handler 时也可以为其指定 looper。
四. Handler 发送消息
4.1 Handler.sendEmptyMessage
Handler.java
public final boolean sendEmptyMessage(int what)
{
return sendEmptyMessageDelayed(what, 0);
}
public final boolean sendEmptyMessageDelayed(int what, long delayMillis) {
// 从对象池中取出一个 Message 对象
// 注：Message 对象使用后会被回收进对象池（大小为50），以便下次复用
Message msg = Message.obtain();
msg.what = what;
return sendMessageDelayed(msg, delayMillis);
}
public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
{
// 入参保护
if (delayMillis < 0) {
delayMillis = 0;
}
// 立即发送消息
return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}
public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {
// mQueue 就是这个 handler 所在线程对应的 looper 对象中的 mQueue 对象
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);
}
private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
// 将 handler 对象赋值给 msg 的 target
msg.target = this;
// mAsynchronous 默认是 false
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
// 调用 MessageQueue 的 enqueueMessage() 将消息投入 MessageQueue
// 注：不想翻译成消息队列，因为一般说消息队列指的是 Linux IPC 方式的一种。
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
4.2 MessageQueue.enqueueMessage
MessageQueue.java
// MessageQueue 是由单向链表实现的、总是按照 msg.when 升序排序的队列。
// 其成员变量 mMessages 代表表头。
Message mMessages;
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;
// 初始状态下，mMessages 为 null
Message p = mMessages;
boolean needWake;
// 如果表头为 null 或者新消息的 when 小于表头的 when，进入这个分支
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
// 入参 msg 的下一个节点指向当前表头，即入参 msg 成为新的表头
msg.next = p;
// 代表表头的成员变量重新赋值
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
// 如果表头不为 null 且新消息的 when 大于等于 表头的 when，则进入这个分支
needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
// 遍历链表，找出下一节点为 null(即表尾) 或者 when 大于等于新消息 when 的节点
Message prev;
for (;;) {
prev = p;
p = p.next;
if (p == null || when < p.when) {
break;
}
if (needWake && p.isAsynchronous()) {
needWake = false;
}
}
// 如果未找到 when 大于等于新消息 when 的节点，则将 msg 追加到表尾。
// 否则将 msg 插入到该结点之前
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;
}
MessageQueue 是由单向链表实现的，总是按照 msg.when 升序排序的队列。新发送的消息会插入到时间比它晚的消息之前。
五. Handler 处理消息
5.1 Looper.loop()
Looper.java
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;
// 死循环，处理消息
for (;;) {
// 取出一个消息，若没有消息要处理，则阻塞
Message msg = queue.next(); // 可能阻塞
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
final long traceTag = me.mTraceTag;
if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
}
try {
// 调用 handler 的 dispatchMassage() 分发消息
msg.target.dispatchMessage(msg);
end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
// 回收进对象池
msg.recycleUnchecked();
}
}
5.2 MessageQueue.next()
MessageQueue.java
Message next() {
// Return here if the message loop has already quit and been disposed.
// This can happen if the application tries to restart a looper after quit
// which is not supported.
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();
}
// native 层阻塞函数，nextPollTimeoutMillis 为超时时间，首次循环时值为0，即直接返回
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
// Try to retrieve the next message. Return if found.
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
// 待取的消息就是表头，如果表头没到处理时间就阻塞
Message msg = mMessages;
if (msg != null && msg.target == null) {
// Stalled by a barrier. Find the next asynchronous message in the queue.
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
if (msg != null) {
if (now < msg.when) {
// 下一个消息还没到处理时间，则设置超时时间为还需等待的时间，进入阻塞状态.
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
// Got a message.
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
// 下一个节点成为表头
mMessages = msg.next;
}
// msg 需要取走处理，故需要从链表中断开
msg.next = null;
if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
// 标记为使用中
msg.markInUse();
// 返回要处理的消息
return msg;
}
} else {
// 没有消息要处理，超时时长为-1，循环并等待
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
// Process the quit message now that all pending messages have been handled.
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();
}
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
// No idle handlers to run. Loop and wait some more.
// mBlocked 标记为 true，进入阻塞状态，有新消息入队时，会调用 nativeWake() 唤醒
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;
}
}
5.3 Handler.dispatchMessage##
Handler.java
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
// 如果 msg 的 callback 不为 null，则执行 msg 的 callback
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
// 如果 handler的 callback 不为 null，则执行 handler的 callback
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
// 如果 callback 的 handleMessage() 返回 true，则不再调用 handler 的 handleMessage()
return;
}
}
// 调用 handler 的 handleMessage()
handleMessage(msg);
}
}
六. 总结
- 一个线程只有一个 looper 和 一个 messageQueue，handler 可以创建无数个；
- MessageQueue 是单向链表实现的，新消息入队时，会根据 when 找到合适的位置并插入（即总是按照 msg.when 升序）；
- Message 运用了对象池技术，可通过 obtain()、recycle() 获取和回收消息；
- 没有消息处理时，线程会被挂起，直到有新消息时才会被唤醒执行，底层是通过 IO 多路复用机制 epoll 实现的。
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