Android-Handler消息机制实现原理

一、消息机制流程简介

在应用启动的时候，会执行程序的入口函数main()，main()里面会创建一个Looper对象，然后通过这个Looper对象开启一个死循环，这个循环的工作是，不断的从消息队列MessageQueue里面取出消息即Message对象，并处理。然后看下面两个问题：
循环拿到一个消息之后，如何处理？
是通过在Looper的循环里调用Handler的dispatchMessage()方法去处理的，而dispatchMessage()方法里面会调用handleMessage()方法，handleMessage()就是平时使用Handler时重写的方法，所以最终如何处理消息由使用Handler的开发者决定。
MessageQueue里的消息从哪来？
使用Handler的开发者通过调用sendMessage()方法将消息加入到MessageQueue里面。

上面就是Android中消息机制的一个整体流程，也是 “Android中Handler，Looper，MessageQueue，Message有什么关系？” 的答案。通过上面的流程可以发现Handler在消息机制中的地位，是作为辅助类或者工具类存在的，用来供开发者使用。

对于这个流程有两个疑问：

Looper中是如何能调用到Handler的方法的？
Handler是如何能往MessageQueue中插入消息的？

这两个问题会在后面给出答案，下面先来通过源码，分析一下这个过程的具体细节：

二、消息机制的源码分析

首先main()方法位于ActivityThread.java类里面，这是一个隐藏类，源码位置：frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java

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");
}

Looper的创建可以通过Looper.prepare()来完成，上面的代码中prepareMainLooper()是给主线程创建Looper使用的，本质也是调用的prepare()方法。创建Looper以后就可以调用Looper.loop()开启循环了。main方法很简单，不多说了，下面看看Looper被创建的时候做了什么，下面是Looper的prepare()方法和变量sThreadLocal：

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

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));
}

很简单，new了一个Looper，并把new出来的Looper保存到ThreadLocal里面。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，比如下面的代码：

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。其实这个效果可以通过HashMap<Thread, Object>来实现，考虑线程安全的话使用ConcurrentMap<Thread, Object>，不过使用Map会有一些麻烦的事要处理，比如当一个线程结束的时候我们如何删除这个线程的对象副本呢？如果使用ThreadLocal就不用有这个担心了，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）。更多ThreadLocal的讲解参考：Android线程管理之ThreadLocal理解及应用场景

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();
    if (me == null) {
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
    }
    final MessageQueue queue = me.mQueue;

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

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

        msg.recycleUnchecked();
    }
}

上面的代码，首先获取主线程的Looper对象，然后取得Looper中的消息队列final MessageQueue queue = me.mQueue;，然后下面是一个死循环，不断的从消息队列里取消息Message msg = queue.next();，可以看到取出的消息是一个Message对象，如果消息队列里没有消息，就会阻塞在这行代码，等到有消息来的时候会被唤醒。取到消息以后，通过msg.target.dispatchMessage(msg);来处理消息，msg.target 是一个Handler对象，所以这个时候就调用到我们重写的Hander的handleMessage()方法了。
msg.target 是在什么时候被赋值的呢？要找到这个答案很容易，msg.target是被封装在消息里面的，肯定要从发送消息那里开始找，看看Message是如何封装的。那么就从Handler的sendMessage(msg)方法开始，过程如下：

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);
}

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);
}

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

可以看到最后的enqueueMessage()方法中msg.target = this;，这里就把发送消息的handler封装到了消息中。同时可以看到，发送消息其实就是往MessageQueue里面插入了一条消息，然后Looper里面的循环就可以处理消息了。Handler里面的消息队列是怎么来的呢？从上面的代码可以看到enqueueMessage()里面的queue是从sendMessageAtTime传来的，也就是mQueue。然后看mQueue是在哪初始化的，看Handler的构造方法如下：

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 that has not called Looper.prepare()");
    }
    mQueue = mLooper.mQueue;
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;
}

mQueue的初始化很简单，首先取得Handler所在线程的Looper，然后取出Looper中的mQueue。这也是Handler为什么必须在有Looper的线程中才能使用的原因，拿到mQueue就可以很容易的往Looper的消息队列里插入消息了（配合Looper的循环+阻塞就实现了发送接收消息的效果）。

以上就是主线程中消息机制的原理。

那么，在任何线程下使用handler的如下做法的原因、原理、内部流程等就非常清晰了：

new Thread() {
    @Override
    public void run() {
        Looper.prepare();
        Handler handler = new Handler();
        Looper.loop();
    }
}.start();

首先Looper.prepare()创建Looper并初始化Looper持有的消息队列MessageQueue，创建好后将Looper保存到ThreadLocal中方便Handler直接获取。
然后Looper.loop()开启循环，从MessageQueue里面取消息并调用handler的 dispatchMessage(msg) 方法处理消息。如果MessageQueue里没有消息，循环就会阻塞进入休眠状态，等有消息的时候被唤醒处理消息。
再然后我们new Handler()的时候，Handler构造方法中获取Looper并且拿到Looper的MessageQueue对象。然后Handler内部就可以直接往MessageQueue里面插入消息了，插入消息即发送消息，这时候有消息了就会唤醒Looper循环去处理消息。处理消息就是调用dispatchMessage(msg) 方法，最终调用到我们重写的Handler的handleMessage()方法。

三、通过一些问题的研究加强对消息机制的理解

源码分析完了，下面看一下文章开头的两个问题：

Looper中是如何能调用到Handler的方法的？
Handler是如何能往MessageQueue中插入消息的？

这两个问题源码分析中已经给出答案，这里做一下总结，首先搞清楚以下对象在消息机制中的关系：

Looper，MessageQueue，Message，ThreadLocal，Handler

Looper对象有一个成员MessageQueue，MessageQueue是一个消息队列，用来存储消息Message
Message消息中带有一个handler对象，所以Looper取出消息后，可以很方便的调用到Handler的方法（问题1解决）
Message是如何带有handler对象的？是handler在发送消息的时候把自己封装到消息里的。
Handler是如何发送消息的？是通过获取Looper对象从而取得Looper里面的MessageQueue，然后Handler就可以直接往MessageQueue里面插入消息了。（问题2解决）
Handler是如何获取Looper对象的？Looper在创建的时候同时把自己保存到ThreadLocal中，并提供一个public的静态方法可以从ThreadLocal中取出Looper，所以Handler的构造方法里可以直接调用静态方法取得Looper对象。

带着上面的一系列问题看源码就很清晰了，下面是知乎上的一个问答：

Android中为什么主线程不会因为Looper.loop()里的死循环卡死？

原因很简单，循环里有阻塞，所以死循环并不会一直执行，相反的，大部分时间是没有消息的，所以主线程大多数时候都是处于休眠状态，也就不会消耗太多的CPU资源导致卡死。

阻塞的原理是使用Linux的管道机制实现的
主线程没有消息处理时阻塞在管道的读端
binder线程会往主线程消息队列里添加消息，然后往管道写端写一个字节，这样就能唤醒主线程从管道读端返回，也就是说looper循环里queue.next()会调用返回...

这里说到binder线程，具体的实现细节不必深究，考虑下面的问题：
主线程的死循环如何处理其它事务？
首先需要看懂这个问题，主线程进入Looper死循环后，如何处理其他事务，比如activity的各个生命周期的回调函数是如何被执行到的（注意这里是在同一个线程下，代码是按顺序执行的，如果在死循环这阻塞了，那么进入死循环后循环以外的代码是如何执行的）。
首先再看main函数的源码

Looper.prepareMainLooper();

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

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

Looper.loop();

在Looper.prepare和Looper.loop之间new了一个ActivityThread并调用了它的attach方法，这个方法就是开启binder线程的，另外new ActivityThread()的时候同时会初始化它的一个H类型的成员，H是一个继承了Handler的类。此时的结果就是：在主线程开启loop死循环之前，已经启动binder线程，并且准备好了一个名为H的Handler，那么接下来在主线程死循环之外做一些事务处理就很简单了，只需要通过binder线程向H发送消息即可，比如发送 H.LAUNCH_ACTIVITY 消息就是通知主线程调用Activity.onCreate() ，当然不是直接调用，H收到消息后会进行一系列复杂的函数调用最终调用到Activity.onCreate()。
至于谁来控制binder线程来向H发消息就不深入研究了，下面是《Android开发艺术探索》里面的一段话：

ActivityThread 通过 ApplicationThread 和 AMS 进行进程间通讯，AMS 以进程间通信的方式完成 ActivityThread 的请求后会回调 ApplicationThread 中的 Binder 方法，然后 ApplicationThread 会向 H 发送消息，H 收到消息后会将 ApplicationThread 中的逻辑切换到 ActivityThread 中去执行，即切换到主线程中去执行，这个过程就是主线程的消息循环模型。

这个问题就到这里，更多内容看知乎原文

最后

和其他系统相同，Android应用程序也是依靠消息驱动来工作的。网上的这句话还是很有道理的。

文章参考：

《Android开发艺术探索》
Android中为什么主线程不会因为Looper.loop()里的死循环卡死？
Android线程管理之ThreadLocal理解及应用场景
 Android 消息机制——你真的了解Handler
Android Handler到底是什么