今天继续上一篇：想实现Android队列功能？Handler内功心法，你值得拥有！——Handler源码和常见问题的解答，今天来给大家讲讲Handler深层次问题的解答。
主要内容：
- ThreadLocal
- epoll机制
- Handle同步屏障机制
- Handler的锁相关问题
- Handler中的同步方法
ThreadLocal
ThreadLocal为每个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并非同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。如果让你设计一个ThreadLocal，ThreadLocal 的目标是让不同的线程有不同的变量 V，那最直接的方法就是创建一个 Map，它的 Key 是线程，Value 是每个线程拥有的变量 V，ThreadLocal 内部持有这样的一个 Map 就可以了。你可能会设计成这样。
实际上Java的实现是下面这样，Java 的实现里面也有一个 Map，叫做 ThreadLocalMap，不过持有 ThreadLocalMap 的不是 ThreadLocal，而是 Thread。Thread 这个类内部有一个私有属性 threadLocals，其类型就是 ThreadLocalMap，ThreadLocalMap 的 Key 是 ThreadLocal。
精简之后的代码如下：
class Thread {
//内部持有ThreadLocalMap
ThreadLocal.ThreadLocalMap
threadLocals;
}
class ThreadLocal<T>{
public T get() {
//首先获取线程持有的
//ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map =
Thread.currentThread()
.threadLocals;
//在ThreadLocalMap中
//查找变量
Entry e =
map.getEntry(this);
return e.value;
}
static class ThreadLocalMap{
//内部是数组而不是Map
Entry[] table;
//根据ThreadLocal查找Entry
Entry getEntry(ThreadLocal key){
//省略查找逻辑
}
//Entry定义
static class Entry extends
WeakReference<ThreadLocal>{
Object value;
}
}
}
在Java的实现方案中，ThreadLocal仅仅只是一个代理工具类，内部并不持有任何线程相关的数据，所有和线程相关的数据都存储在Thread里面，这样的设计从数据的亲缘性上来讲，ThreadLocalMap属于Thread也更加合理。所以ThreadLocal的get方法，其实就是拿到每个线程独有的ThreadLocalMap。
还有一个原因，就是不容易产生内存泄漏，如果用我们的设计方案，ThreadLocal持有的Map会持有Thread对象的引用，这就意味着只要ThreadLocal对象存在，那么Map中的Thread对象就永远不会被回收。ThreadLocal的生命周期往往都比线程要长，所以这种设计方案很容易导致内存泄漏。
而Java的实现中Thread持有ThreadLocalMap，而且ThreadLocalMap里对ThreadLocal的引用还是弱引用，所以只要Thread对象可以被回收，那么ThreadLocalMap就能被回收。Java的实现方案虽然看上去复杂一些，但是更安全。
ThreadLocal与内存泄漏
但是一切并不总是那么完美，如果在线程池中使用ThreadLocal可能会导致内存泄漏，原因是线程池中线程的存活时间太长，往往和程序都是同生共死的，这就意味着Thread持有的ThreadLocalMap一直都不会被回收，再加上ThreadLocalMap中的Entry对ThreadLocal是弱引用，所以只要ThreadLocal结束了自己的生命周期是可以被回收掉的。但是Entry中的Value却是被Entry强引用的，所以即便Value的生命周期结束了，Value也是无法被回收的，从而导致内存泄漏。
所以我们可以通过try{}finally{}方案来手动释放资源
ExecutorService es;
ThreadLocal tl;
es.execute(()->{
//ThreadLocal增加变量
tl.set(obj);
try {
// 省略业务逻辑代码
}finally {
//手动清理ThreadLocal
tl.remove();
}
});
epoll机制
epoll机制在Handler中的应用，在主线程的 MessageQueue 没有消息时，便阻塞在 loop 的 queue.next() 中的 nativePollOnce() 方法里，最终调用到epoll_wait()进行阻塞等待。此时主线程会释放 CPU 资源进入休眠状态，直到下个消息到达或者有事务发生，通过往 pipe 管道写端写入数据来唤醒主线程工作。这里采用的 epoll 机制，是一种IO多路复用机制，可以同时监控多个描述符，当某个描述符就绪(读或写就绪)，则立刻通知相应程序进行读或写操作，本质同步I/O，即读写是阻塞的。所以说，主线程大多数时候都是处于休眠状态，并不会消耗大量CPU资源。
-
表面上看epoll的性能最好，但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下，select和poll的性能可能比epoll好，毕竟epoll的通知机制需要很多函数回调。
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select低效是因为每次它都需要轮询。但低效也是相对的，视情况而定，也可通过良好的设计改善。
之所以选择Handler底层选择epoll机制，我感觉是epoll在效率上更高。在select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait()时便得到通知。(此处去掉了遍历文件描述符，而是通过监听回调的的机制。这正是epoll的魅力所在。)
Handler的同步屏障机制
如果有一个紧急的Message需要优先处理，该怎么做？这其实涉及到架构方面的设计了，通用场景和特殊场景的设计。你可能会想到sendMessageAtFrontOfQueue()这个方法，实际也远远不只是如此，Handler中加入了同步屏障这种机制，来实现[异步消息优先]执行的功能。
postSyncBarrier()发送同步屏障，removeSyncBarrier()移除同步屏障。
同步屏障的作用可以理解成拦截同步消息的执行，主线程的 Looper 会一直循环调用 MessageQueue 的 next() 来取出队头的 Message 执行，当 Message 执行完后再去取下一个。当 next() 方法在取 Message 时发现队头是一个同步屏障的消息时，就会去遍历整个队列，只寻找设置了异步标志的消息，如果有找到异步消息，那么就取出这个异步消息来执行，否则就让 next() 方法陷入阻塞状态。如果 next() 方法陷入阻塞状态，那么主线程此时就是处于空闲状态的，也就是没在干任何事。所以，如果队头是一个同步屏障的消息的话，那么在它后面的所有同步消息就都被拦截住了，直到这个同步屏障消息被移除出队列，否则主线程就一直不会去处理同步屏幕后面的同步消息。
而所有消息默认都是同步消息，只有手动设置了异步标志，这个消息才会是异步消息。另外，同步屏障消息只能由内部来发送，这个接口并没有公开给我们使用。
Choreographer 里所有跟 message 有关的代码，你会发现，都手动设置了异步消息的标志，所以这些操作是不受到同步屏障影响的。这样做的原因可能就是为了尽可能保证上层 app 在接收到屏幕刷新信号时，可以在第一时间执行遍历绘制 View 树的工作。
Choreographer 过程中的动作也都是异步消息，这样可以确保 Choreographer 的顺利运转，也确保了第一时间执行 doTraversal（doTraversal → performTraversals 就是执行 view 的 layout、measure、draw），这个过程中如果有其他同步消息，也无法得到处理，都要等到 doTraversal 之后。
因为主线程中如果有太多消息要执行，而这些消息又是根据时间戳进行排序，如果不加一个同步屏障的话，那么遍历绘制 View 树的工作就可能被迫延迟执行，因为它也需要排队，那么就有可能出现当一帧都快结束的时候才开始计算屏幕数据，那即使这次的计算少于 16.6ms，也同样会造成丢帧现象。
那么，有了同步屏障消息的控制就能保证每次一接收到屏幕刷新信号就第一时间处理遍历绘制 View 树的工作么？
只能说，同步屏障是尽可能去做到，但并不能保证一定可以第一时间处理。因为，同步屏障是在 scheduleTraversals() 被调用时才发送到消息队列里的，也就是说，只有当某个 View 发起了刷新请求时，在这个时刻后面的同步消息才会被拦截掉。如果在 scheduleTraversals() 之前就发送到消息队列里的工作仍然会按顺序依次被取出来执行。
下面是部分详细的分析：
WindowManager维护着所有的Activity的DecorView和ViewRootImpl。在前面我们讲过，WindowManagerGlobal的addView方法中中初始化了ViewRootImpl，然后调用它的setView方法，将DecorView作为参数传递了进去。所以我们看看ViewRootImpl做了什么。
//ViewRootImpl.java
//view是DecorView
public void setView(View view, WindowManager.LayoutParams attrs, View panelParentView) {
synchronized (this) {
if (mView == null) {
mView = view;
···
// Schedule the first layout -before- adding to the window
// manager, to make sure we do the relayout before receiving
// any other events from the system.
requestLayout(); //发起布局请求
···
view.assignParent(this); //将当前ViewRootImpl对象this作为参数调用了DecorView的 assignParent
···
}
}
}
在setView()方法里调用了DecorView的assignParent。
//View.java
/*
* Caller is responsible for calling requestLayout if necessary.
* (This allows addViewInLayout to not request a new layout.)
*/
@UnsupportedAppUsage
void assignParent(ViewParent parent) {
if (mParent == null) {
mParent = parent;
} else if (parent == null) {
mParent = null;
} else {
throw new RuntimeException("view " + this + " being added, but"
+ " it already has a parent");
}
}
参数是ViewParent，而ViewRootImpl是实现了ViewParent接口的，所以在这里就将DecorView和ViewRootImpl绑定起来了。每个Activity的根布局都是DecorView，而DecorView的parent又是ViewRootImpl，所以在子View里执行invalidate()之类的工作，循环找parent，最后都会找到ViewRootImpl里来。所以实际上View的刷新都是由ViewRootImpl来控制的。
即使是界面上一个小小的 View 发起了重绘请求时，都要层层走到 ViewRootImpl，由它来发起重绘请求，然后再由它来开始遍历 View 树，一直遍历到这个需要重绘的 View 再调用它的 onDraw() 方法进行绘制。
View.invalidate()请求重绘的操作最后调用到的是ViewRootImpl.scheduleTraversals()，而ViewRootImpl.setView()方法中调用了requestLayout方法。
@Override
public void requestLayout() {
if (!mHandlingLayoutInLayoutRequest) {
checkThread();
mLayoutRequested = true;
scheduleTraversals();
}
}
最终也调用到了scheduleTraversals()方法，其实这个方法是屏幕刷新的关键。
其实打开一个 Activity，当它的 onCreate---onResume 生命周期都走完后，才将它的 DecoView 与新建的一个 ViewRootImpl 对象绑定起来，同时开始安排一次遍历 View 任务也就是绘制 View 树的操作等待执行，然后将 DecoView 的 parent 设置成 ViewRootImpl 对象。所以我们在onCreate~onResume中获取不到View宽高，界面的绘制也是在onResume之后才开始执行的。
ViewRootImpl.scheduleTraversals()的一系列分析以及屏幕刷新机制可以参考这篇文章，这里的内容也是大部分参考它的，同步屏障相关的分析内容也在里面。Choreographer主要作用是协调动画，输入和绘制的时间，它从显示子系统接收定时脉冲（例如垂直同步），然后安排渲染下一个frame的一部分工作。可通过Choreographer.getInstance().postFrameCallback()来监听帧率情况。
public class FPSFrameCallback implements Choreographer.FrameCallback {
private static final String TAG = "FPS_TEST";
private long mLastFrameTimeNanos;
private long mFrameIntervalNanos;
public FPSFrameCallback(long lastFrameTimeNanos) {
mLastFrameTimeNanos = lastFrameTimeNanos;
//每一帧渲染时间 多少纳秒
mFrameIntervalNanos = (long) (1000000000 / 60.0);
}
@Override
public void doFrame(long frameTimeNanos) { //Vsync信号到来的时间frameTimeNanos
//初始化时间
if (mLastFrameTimeNanos == 0) {
//上一帧的渲染时间
mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
}
final long jitterNanos = frameTimeNanos - mLastFrameTimeNanos;
if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
if (skippedFrames > 5) {
Log.d(TAG, "Skipped " + skippedFrames + " frames! "
+ "The application may be doing too much work on its main thread.");
}
}
mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
//注册下一帧回调
Choreographer.getInstance().postFrameCallback(this);
}
}
调用方式在Application中注册。
Choreographer.getInstance().postFrameCallback(FPSFrameCallback(System.nanoTime()))
丢帧的原因：造成丢帧大体上有两类原因，一是遍历绘制 View 树计算屏幕数据的时间超过了 16.6ms；二是，主线程一直在处理其他耗时的消息，导致遍历绘制 View 树的工作迟迟不能开始，从而超过了 16.6 ms 底层切换下一帧画面的时机。
Handler锁相关问题
既然可以存在多个Handler往MessageQueue中添加数据（发送消息时各个Handler可能处于不同线程），那它内部是如何确保线程安全的？
Handler.sendXXX，Handler.postXXX最终会会调到MessageQueue的enqueueMessage方法。
源码如下：
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.");
}
//加锁保证安全
synchronized (this) {
···
}
}
其内部通过synchronized关键字保证线程安全。同时messagequeue.next()内部也会通过synchronized加锁，确保取的时候线程安全，同时插入也会加锁。这个问题其实不难，只是看你有没有了解源码。
Handler中的同步方法
如何让handler.post消息执行之后然后再继续往下执行，同步方法runWithScissors。
public final boolean runWithScissors(@NonNull Runnable r, long timeout) {
if (r == null) {
throw new IllegalArgumentException("runnable must not be null");
}
if (timeout < 0) {
throw new IllegalArgumentException("timeout must be non-negative");
}
if (Looper.myLooper() == mLooper) {
r.run();
return true;
}
BlockingRunnable br = new BlockingRunnable(r);
return br.postAndWait(this, timeout);
}
最后
只要是程序员，不管是Java还是Android，如果不去阅读源码，只看API文档，那就只是浮于表象，这对我们的知识体系的建立和完备以及实战技术的提升都是不利的。
真正最能锻炼能力的便是直接去阅读源码，不仅限于阅读Android系统源码，还包括各种优秀的开源库。
最后为了帮助大家深刻理解Handler相关知识点的原理以及面试相关知识，这里还为大家整理了Android开发相关源码精编解析：
深入解析 Handler 源码解析
- 发送消息
- 消息入队
- 消息循环
- 消息遍历
- 消息的处理
- 同步屏障机制
- 阻塞唤醒机制
还有Handler相关面试题解析帮助熟练掌握Handler知识：
最后为了帮助大家深刻理解Android相关知识点的原理以及面试相关知识，这里放上我搜集整理的2019-2020BAT 面试真题解析，我把大厂面试中常被问到的技术点整理成了PDF，包知识脉络 + 诸多细节。
节省大家在网上搜索资料的时间来学习，也可以分享给身边好友一起学习。
《379页Android开发面试宝典》
包含了腾讯、百度、小米、阿里、乐视、美团、58、猎豹、360、新浪、搜狐等一线互联网公司面试被问到的题目。熟悉本文中列出的知识点会大大增加通过前两轮技术面试的几率。
《507页Android开发相关源码解析》
只要是程序员，不管是Java还是Android，如果不去阅读源码，只看API文档，那就只是停留于皮毛，这对我们知识体系的建立和完备以及实战技术的提升都是不利的。
真正最能锻炼能力的便是直接去阅读源码，不仅限于阅读各大系统源码，还包括各种优秀的开源库。
资料太多，全部展示会影响篇幅，暂时就先列举这些部分截图，以上资源均免费分享，以上内容均放在了开源项目：【github】 中已收录，大家可以自行获取（或者关注主页扫描加微信获取）。
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