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從源碼深入了解Android Handler異步消息處理機制

概述

本篇文章将通過源碼來分析Handler異步消息處理機制,主要包括Handler的使用方法、場景、線程安全等

Handler機制的簡單介紹

Android的消息異步處理機制,是每個Android程式員都應該掌握的。下面是這幾個類的官方介紹,簡單的翻譯下,大家都應該看得懂。

Handler

Handler對象允許你發送消息和Runnable對象到MessageQueue裡面,也可以處理這些從MessageQueue裡面取出來的消息和Runnable對象。每一個Handler執行個體都跟一個線程和MessageQueue綁定。當你建立一個新的Handler時,handler對象将會跟建立時所在的線程的線程執行個體和MessageQueue綁定。從這點可以知道,handler将會把消息和runnable執行個體發送到和它綁定的messagequeue,并且執行或處理從這些隊列分發出來的消息和Runnable對象。

Looper

每個線程最多隻有一個Looper對象。使用Looper時需要在所在的線程調用一下靜态方法Looper.prepare(),這個方法會建立目前線程所屬的Looper對象和Messagequeue對象。然後調一下Looper.loop方法開啟一個死循環不斷的從MessageQueue中取出消息交給Handler去處理。

MessageQueue

簡單的說,MessageQueue本質上内部有個Message的單連結清單,通過Handler對象發送Message對象到連結清單裡面,又Looper.loop()方法裡面分發出來。可以通過靜态方法Looper.myQueue拿到目前線程的MessageQueue。

Message

Message類描述了消息的類型以及它所承載的資料。建立Message最好的方法是調用 Message.obtain()或者Handler.obtainMessage(),這兩個方法是從一個Message對象的回收池中擷取對象。避免了頻繁地建立Message對象産生額外的開銷。

Handler機制大概原理如下圖所示,首先Handler把Message發送到MessageQueue,同時Looper不斷的從MessageQueue取出待處理的Message,然後回調Handler的dispatchMessage方法,把消息交給Handler去處理。

從源碼深入了解Android Handler異步消息處理機制

Handler機制的一般使用場景

public class HandlerActivity extends AppCompatActivity {
​
    private TextView textView;
    Handler handler = new MyHandler(this);
​
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main2);
        textView = findViewById(R.id.text);
​
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                //模拟從網絡擷取消息
                String text = getTextFromNet();
                Message message = Message.obtain();
                message.what = 0;
                message.obj = text;
                handler.sendMessage(message);
            }
        }).start();
    }
​
    private void setText(String text){
        textView.setText(text);
    }
​
    private String getTextFromNet(){
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "text text text";
    }
​
    static class MyHandler extends Handler{
        private WeakReference<HandlerActivity> activityRef;
        private MyHandler(HandlerActivity activity){
            this.activityRef = new WeakReference<>(activity);
        }
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            if (activityRef!=null) {
                HandlerActivity activity = activityRef.get();
                if (activity != null) {
                    switch (msg.what) {
                        case 0:
                            String text = (String) msg.obj;
                            activity.setText(text);
                            break;
                    }
                }
            }
        }
    }
}
​
           

以上是一個模拟在子線程去通路網絡擷取一個文本資訊,然後通過主線程把它顯示到UI上面。下面從源碼分析Handler的工作原理。

源碼分析

Looper

想要在一個線程中使用Handler機制處理消息,首先要調用Looper.prepare()方法

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));
}
           

sThreadLocal是ThreadLocal的一個執行個體,它用于儲存目前線程變量 。可以看到一個線程隻能調用一次Looper.prepare()方法,否則将抛出RuntimeException。prepare()方法内部建立了一個Looper執行個體

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

Looper的構造方法裡面建立了一個MessageQueue對象,并且通過給Looper的mThread對象指派的方式綁定了目前線程。注意Looper的構造方法為私有方法,它隻在prepare()方法内部調用,而一個線程隻能調用一次prepare()方法,是以一個線程隻有一個Looper執行個體和一個MessageQueue執行個體。

然後我們看Looper.Looper()方法。

public static void loop() {
    final Looper me = myLooper();//擷取目前線程的Looper對象
    if (me == null) {//loop()要在prepare()之後調用
        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();
​
    // Allow overriding a threshold with a system prop. e.g.
    // adb shell 'setprop log.looper.1000.main.slow 1 && stop && start'
    final int thresholdOverride =
            SystemProperties.getInt("log.looper."
                    + Process.myUid() + "."
                    + Thread.currentThread().getName()
                    + ".slow", 0);
​
    boolean slowDeliveryDetected = false;
​
    for (;;) {//循環從MessageQueue中取出Message
        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 traceTag = me.mTraceTag;
        long slowDispatchThresholdMs = me.mSlowDispatchThresholdMs;
        long slowDeliveryThresholdMs = me.mSlowDeliveryThresholdMs;
        if (thresholdOverride > 0) {
            slowDispatchThresholdMs = thresholdOverride;
            slowDeliveryThresholdMs = thresholdOverride;
        }
        final boolean logSlowDelivery = (slowDeliveryThresholdMs > 0) && (msg.when > 0);
        final boolean logSlowDispatch = (slowDispatchThresholdMs > 0);
​
        final boolean needStartTime = logSlowDelivery || logSlowDispatch;
        final boolean needEndTime = logSlowDispatch;
​
        if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
            Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
        }
​
        final long dispatchStart = needStartTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
        final long dispatchEnd;
        try {
            msg.target.dispatchMessage(msg);//這裡分發消息
            dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
        } finally {
            if (traceTag != 0) {
                Trace.traceEnd(traceTag);
            }
        }
        if (logSlowDelivery) {
            if (slowDeliveryDetected) {
                if ((dispatchStart - msg.when) <= 10) {
                    Slog.w(TAG, "Drained");
                    slowDeliveryDetected = false;
                }
            } else {
                if (showSlowLog(slowDeliveryThresholdMs, msg.when, dispatchStart, "delivery",
                        msg)) {
                    // Once we write a slow delivery log, suppress until the queue drains.
                    slowDeliveryDetected = true;
                }
            }
        }
        if (logSlowDispatch) {
            showSlowLog(slowDispatchThresholdMs, dispatchStart, dispatchEnd, "dispatch", msg);
        }
​
        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();
    }
}
           

Looper.loop()方法内部首先調用myLooper()方法拿到目前線程的Looper對象

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

從looper方法裡面可以看到,如果目前線程looper對象為空就會抛出錯誤。是以loop()方法要在prepare()方法後面調用。接下來可以看到Loope()方法内23行有個for循環,不斷MessageQueue對象的next方法中不斷取出Message,該方法是一個阻塞方法,沒有擷取到Message對象就會阻塞,然後通過第57行語句msg.target.dispatchMessage(msg)分發Message對象。msg.target實際是Handler對象,後面會具體介紹到。

Handler

接着我們看Handler

public Handler() {
    this(null, 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: " +
                klass.getCanonicalName());
        }
    }
​
    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;
}
           

在Handler的構造方法内會先拿到目前線程的Looper對象,然後判斷是否等于空,如果等于空就抛出錯誤。在這裡,handler對象會跟目前線程的Looper對象和MessageQueue對象綁定,即持有他們的引用。

在使用Handler對象發送Message的時候,我們一般會調用handler.sendMessage(msg)或者sendMessageDelayed()方法,不過在方法内部最終都會調用sendMessageAtTime()方法。

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);
}
           

在sendMessageAtTime()方法裡面又調用enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);

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

可以看到msg.target = this;把目前對象賦給了msg.target,也就是我們在介紹Looper.loop()方法時候提到的msg.target是Handler對象。最後調用了MessageQueue的enqueueMessage()方法把消息存到MessageQueue對象裡面,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;
}
           

從第22到25行代碼可以知道,Message的入隊方式是根據回調的時間決定入隊的位置的,也就是when參數,when參數小的排在隊列的前面,參數大的排在後面。通過這種方式實作了延時消息。

我們前面說過,Looper.loop()方法會不斷的從MessageQueue裡面取出待處理的Message對象然後分發給Handler對象去處理。也就是msg.target.dispatchMessage(msg)語句,那麼我們看下Handler的dispatchMessage(msg)裡面到底是怎樣實作的。

public void dispatchMessage(Message msg) {
    if (msg.callback != null) {
        handleCallback(msg);//情況一
    } else {
        if (mCallback != null) {
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {//情況二
                return;
            }
        }
        handleMessage(msg);//情況三
    }
}
           

可以看到,如果Message的callback不等于空,則優先處理交給它,該callback是Runnable對象;如果Message的callback等于空,判斷handler的callback是否等于空,如果不等于空則回調handler.mCallback的handleMessage(msg)方法來處理消息,最後才會交給handler的handleMessage(msg)方法處理。這裡需要注意一下,隻有handler.mCallback的handleMessage(msg)傳回false才會繼續交給handler的handleMessage(msg)方法。是以我們可以通過handler的mCallback的傳回值去攔截這個消息。

//if (msg.callback != null) 知識簡單的調了callback的run方法
private static void handleCallback(Message message) {
    message.callback.run();
}
           

那麼什麼情況下msg.callback才不會為空呢?

public final boolean post(Runnable r)
{
   return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}
private static Message getPostMessage(Runnable r) {
        Message m = Message.obtain();
        m.callback = r;
        return m;
}
           

可以看到當調用handler的post(runnable)方法的時候,會調用getPostMessage()方法,在該方法裡面,會把runnable參數賦給Message對象的callback屬性,并傳回Message對象。也就是調用handler的post(runnable)方法發送消息,在dispatchMessage方法裡走的是情況一。

同樣的,我們看下handler的callback

public Handler(Looper looper, Callback callback, boolean async) {
    mLooper = looper;
    mQueue = looper.mQueue;
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;
}
           

在構造handler對象的時候,給它傳入callback就可以了,這時候走的是情況二。handler.mCallback.handleMessage(msg)如果傳回true則表示該方法已經處理消息,就不在交給handler.handleMessage(msg)方法,否則交給它處理,就會到情況三。

public void handleMessage(Message msg) {
}
           

可以看到handler.handleMessage(msg)是個空方法,裡面沒有實作。是以使用的時候要重寫該方法。

MessageQueue的線程安全

既然handler是做異步處理的,那MessageQueue在多線程情況下必然會出現線程安全問題。那麼MessageQueue是如何保證線程安全的呢

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.");
        }
        //通過synchronized 關鍵字加鎖來保證線程安全
        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;
    }
           

通過源碼可以看到,MessageQueue的入隊列操作是通過synchronized 關鍵字加鎖來保證線程安全。同樣的出隊列也是同樣的方法。

主線程Looper.prepare()

前面我們說到一個線程想要使用Handler機制處理消息,首先要調用Looper.prepare()方法。那麼我們沒有對主線程調用該方法,為什麼還是可以使用handler呢。原因在于主線程的Looper.prepare()方法是在ActivityThread.main()方法裡面調用的,main()方法是Android應用程式的入口方法。

public static void main(String[] args) {
    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ActivityThreadMain");
​
    // CloseGuard defaults to true and can be quite spammy.  We
    // disable it here, but selectively enable it later (via
    // StrictMode) on debug builds, but using DropBox, not logs.
    CloseGuard.setEnabled(false);
​
    Environment.initForCurrentUser();
​
    // Set the reporter for event logging in libcore
    EventLogger.setReporter(new EventLoggingReporter());
​
    // Make sure TrustedCertificateStore looks in the right place for CA certificates
    final File configDir = Environment.getUserConfigDirectory(UserHandle.myUserId());
    TrustedCertificateStore.setDefaultUserDirectory(configDir);
​
    Process.setArgV0("<pre-initialized>");
​
    Looper.prepareMainLooper();//這裡調用了主線程的prepareMainLooper()方法
​
   ...
}
           

需要注意的地方

  • 如果想要在子線程做更新UI操作,那麼可以使用handler在子線程發送消息交給主線程處理,但是這裡需要注意handler執行個體應該在主線程建立,或者建立handler給它傳入Looper.getMainLooper()傳回的主線程Looper對象。
Handler handler = new Handler(Looper.getMainLooper());
           
  • 當要建立一個Message對象,可以調用new Message()的構造方法建立。但最好的辦法是使用Message.obtain() 或者 Handler.obtainMessage() 方法,因為兩個方法是從一個message對象回收池裡面擷取message對象的,節省了建立新的message對象所需要的消耗。