深入理解Message, MessageQueue, Handler和Looper

做过Android的都知道Message, MessageQueue, Handler和Looper，但知道不代表你理解它们。有时觉得用得很顺手，但Android怎么实现又说不上来，总觉得似懂非懂。不把它们攻破实在浑身不舒服。

先让我们一句话总结，再开始分析。

Looper不断获取MessageQueue中的一个Message，然后交给Hanlder处理。

其实Message和Runnable可以一并压入MessageQueue中，形成一个集合，后面将有所体现。

本文所涉及的代码文件以及路径：

frameworks/base/core/java/android/os/Hanlder.java

frameworks/base/core/java/android/os/Message.java

frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java

frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java

frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java

frameworks/base/core/jni/android_os_MessageQueue.cpp

1、Message

android.os.Message定义了消息必要的描述和属性数据。

public final class Message implements Parcelable {
    public int what;
    public int arg1;
    public int arg2;
    public Object obj;
    public Messenger replyTo;
    Bundle data;
    Handler target;
    Runnable callback;
    ......
}

请注意里面的target和callback，后面将对此进行关联。其中arg1和arg2是用来存放整型数据的，what用来保存消息标识，obj是Object类型的任意对象，replyTo是消息管理器，会关联到一个handler。通常Message对象不是直接new出来，只要调用handler中的obtainMessage方法来直接获得Message对象。这也是Android推荐的做法。

/**
 * Return a new Message instance from the global pool. Allows us to
 * avoid allocating new objects in many cases.
 */
public static Message obtain() {
    synchronized (sPoolSync) {
        if (sPool != null) {
            Message m = sPool;
            sPool = m.next;
            m.next = null;
            m.flags = 0; // clear in-use flag
            sPoolSize--;
            return m;
        }
    }
    return new Message();
}

你看，如果池中没有才会new一个Message。

2、MessageQueue

MessageQueue是一个final class，用来存放消息的消息队列，它具有队列的常规操作，包括：

• 新建队列

• MessageQueue(boolean quitAllowed) {
      mQuitAllowed = quitAllowed;
      mPtr = nativeInit();
  }

• private native static long nativeInit();

  由代码可以看出，由构造函数和本地方法nativeInit()组成。其中，nativeInit()会在本地创建一个NativeMessageQueue对象，然后赋给MessageQueue中的成员变量，这一系列通过内存指针进行。

• static jlong android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz) {
      NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = new NativeMessageQueue();
      if (!nativeMessageQueue) {
          jniThrowRuntimeException(env, "Unable to allocate native queue");
          return ;
      }
  
      nativeMessageQueue->incStrong(env);
      return reinterpret_cast<jlong>(nativeMessageQueue);
  }

• 元素入队

• boolean enqueueMessage(Message msg, long when)

• 元素出队

• Message next()

• 元素删除

• void removeMessages(Handler h, Runnable r, Object object)

  void removeMessages(Handler h, int what, Object object)

• 销毁队列

• // Disposes of the underlying message queue.
  // Must only be called on the looper thread or the finalizer.
  private void dispose() {
      if (mPtr != 0) {
          nativeDestroy(mPtr);
          mPtr = 0;
      }
  }

  销毁队列也需要用到本地方法，此处就不展开了。

3、Handler

Handler作为消息处理者，一是处理Message，二是将某个Message压入MessageQueue中。Handler类中持有MessageQueue和Looper成员变量（后面再体现它们的作用）：

public class Handler {
    final MessageQueue mQueue;
    final Looper mLooper;
    final Callback mCallback;
    final boolean mAsynchronous;
    IMessenger mMessenger;
    ......
}

先让我们focus Handler如何处理Message

public void dispatchMessage(Message msg)

public void handleMessage(Message msg)

一个对Message进行分发，一个对Message进行处理。

还记得开始的一句话总结么？Looper从MessageQueue中取出一个Message后，首先会调用Handler.dispatchMessage进行消息分发。这里虽然还没涉及Looper的讨论，但可以先给出消息分发的代码，具体在Looper类的loop方法中

public static void loop() {
    ......
    for (;;) {
        ......
        msg.target.dispatchMessage(msg);
        ......
    }
}

好，回到Handler的dispatchMessage方法

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

通过代码得知，默认情况下Handler的派发流程是：

• 如果Message中的callback不为空，通过callback来处理（开头我们提到Message中有一个callback）
• 如果Handler的mCallback不为空，通过mCallback来处理
• 如果上面两个都为空，才调用handleMessage来处理

其中mCallback为

public interface Callback {
    public boolean handleMessage(Message msg);
}

而一般情况下，我们就是通过直接new Handler的方式重写handleMessage来处理Message，这个Handler就是消息处理责任人。

/**
 * Subclasses must implement this to receive messages.
 */
public void handleMessage(Message msg) {
}

接着，Handler第二个作用是将某个Message压入MessageQueue中。大家注意没有，Message是Handler处理，而Message也是Handler压入到MessageQueue中，既然这样，为什么不直接执行？其实这样是体现程序设计的有序性，如果事件优先级较小，就需要排队，否则马上处理。

将Message压入到MessageQueue中，能调用的主要的方法有：

public final boolean post(Runnable r)

public final boolean postDelayed(Runnable r, long delayMillis)

public final boolean sendMessage(Message msg)

public final boolean sendEmptyMessage(int what)

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);
}

post系列的方法会调用相应的sendEmptyMessage、sendEmptyMessageDelayed等方法，最终进入sendMessageAtTime中，然后调用enqueueMessage，把Message压入队列中。

由于post方法的参数是Runnable对象，所以Hander内部提供了getPostMessage方法把Runnable对象转化为Message

private static Message getPostMessage(Runnable r) {
    Message m = Message.obtain();
    m.callback = r;
    return m;
}

最终，Handler形成了一个循环：Handler->MessageQueue->Message->Handler

4、Looper

Looper也是一个final class，并且持有一个MessageQueue，MessageQueue作为线程的消息存储仓库，配合Handler, Looper一起完成一系列操作。值得注意的是，还有一个final Thread和一个final ThreadLocal<Looper>的成员变量，其中ThreadLocal负责创建一个只针对当前线程的Looper及其它相关数据对象，其它线程无法访问。

Looper类中的注释还给了一个使用Looper的普通线程范例：

/*class LooperThread extends Thread {
  *      public Handler mHandler;
  *
  *      public void run() {
  *          Looper.prepare();
  *
  *          mHandler = new Handler() {
  *              public void handleMessage(Message msg) {
  *                  // process incoming messages here
  *              }
  *          };
  *
  *          Looper.loop();
  *      }
  *  }
*/

其实就是三个步骤：

• Looper.prepare()准备工作
• 创建消息处理的handler
• 调用Looper.loop()进入消息循环

看起来简单吧？可是你能看出mHandler是怎样把消息投递到Looper所管理的MessageQueue中的么？Looper在什么时候创建呢？

先看一下Looper.prepare()到底做了什么事情

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));
}

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

首先通过sThreadLocal.get()判断保证一个Thread只能有一个Looper实例，最后new Looper完成Looper的实例化。同时MessageQueue就在Looper的构造函数中创建出来。

再来看handler的创建。还记得前面提到的Handler类中的成员变量么？Handler中就持有一个Looper，这样一来，Handler就和Looper关联起来了。Handler一共有7个构造函数，看其中一个：

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()");
    }
    mQueue = mLooper.mQueue;
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;
}

Looper中的myLooper()

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

这样一来，Handler中的构造函数通过Looper.myLooper()获取当前线程中的Looper实例，实际上就是Looper中的sThreadLocal.get()调用；然后把mLooper.mQueue赋给Handler的mQueue，最终Handler, Looper和MessageQueue就联系起来了。后续Handler执行post/send系列的方法时，会将消息投递给mQueue，也就是mLooper.mQueue中。一旦Looper处理到消息，它又从中调用Handler来进行处理。

最后看Looper.loop()。

它有两个作用，一是创建处理消息的环境；二是循环处理消息。

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
        Printer logging = me.mLogging;
        if (logging != null) {
            logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
                    msg.callback + ": " + msg.what);
        }

        msg.target.dispatchMessage(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();
    }
}

由前面得知，myLooper()就是调用sThreadLocal.get()来获取与之匹配的Looper实例。me.mQueue验证了每一个Looper中都自带了一个MessageQueue。进入for循环后，开始从MessageQueue中取出一个消息（可能会阻塞），如果当前消息队列中没有Message，线程退出；否则分发消息。msg.target.dispatchMessage(msg)中的target就是一个Handler。最后消息处理完毕，进行回收。

平时我们在Activity中使用Handler处理Message时，为什么看不到Looper呢？这只能说Android偷偷为我们做了一些背后的工作。好了，UI线程要上场了。

5、ActivityThread

没错，ActivityThread就是我们熟悉的UI线程，它在应用程序启动的时候由系统创建出来。先来看一下这个UI线程的main函数

public static void main(String[] args) {
        ......
        Looper.prepareMainLooper();

        ActivityThread thread = new ActivityThread();
        thread.attach(false);

        if (sMainThreadHandler == null) {
            sMainThreadHandler = thread.getHandler();
        }

        ......
        Looper.loop();

        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
    }

有两点与普通线程不一样的地方。

普通线程只要prepare就可以了，而主线程使用的是prepareMainLooper；普通线程生成一个与Looper绑定的Handler对象就行，而主线程是从当前线程中获取Handler（thread.getHandler()）。

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

其实prepareMainLooper也是调用prepare，只是不让该线程退出。经过prepare后，myLooper()就得到一个本地线程<ThreadLocal>的Looper对象，然后赋给sMainLooper，也就是UI线程的Looper。如果其它线程想获得主线程的Looper，只需调用getMainLooper()。

public static Looper getMainLooper() {
    synchronized (Looper.class) {
        return sMainLooper;
    }
}

再来看thread.getHandler()。

其实ActivityThead内部有一个继承Handler的H类

private class H extends Handler {
    ......
    public void handleMessage(Message msg) {
        ......
    }
    ......
}

final H mH = new H();

所以thread.getHandler()返回的就是mH，这样ActivityThread也有一个Handler处理各种消息了。

总结一下。

• 每个Thread只对应一个Looper
• 每个Looper只对应一个MessageQueue
• 每个MessageQueue有N个Message
• 每个Message最多指定一个Handler来处理

而Thread和Handler是一对多的关系。

到这里，是不是对Message, MessageQueue, Handler和Looper有了更深的认识呢？

参考：

《深入理解Android内核设计思想》 林学森 编著