Android 异步消息机制 Handler Message Looper机制详解

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1.前言

Handler Message是android中比较常用的异步消息机制，通常我们对UI更新，对异步操作运算，很多时候都采用Handler来实现，现在我们探讨一下Handler，Message以及Looper的消息机制。

2.一般使用方法

通常我们使用Handler的一般流程是：
创建Handler对象，并在handleMessage实现消息接受的具体实现；

private final static int MSG_UPDATE = 0x01;
    Handler mHandler = new Handler() {
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            switch (msg.what) {
                case MSG_UPDATE:
                    //处理逻辑
                    break;

            }
        }
    };

创建Message对象，并设置Message属性；

Message msg = Message.obtain();
msg.what = MSG_UPDATE;

通过Handler的sendMessage方法发送消息对象。

mHandler.sendMessage(msg);

通过在Activity或者其他类里面创建一个Handler对象后，通过在不同时刻不同需求，通过发消息的形式，对界面进行更新或实现其他的业务逻辑。那Android Framework给开发者提供的这种简单便利的Handler消息异步机制是怎么实现的呢？

3.源码分析

3.1 Handler 部分

在创建Handler对象时候，到底经历了一个什么过程呢？
我们结合android-26源码进行源码分析。
首先，通过代码跟踪，实例化Handler时候，实际上是调用了

public Handler() {
        this(null, false);
}

然后实质上是调用了

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;
}

　　这里我们也看一下myLooper方法

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

　　从上面的源码可以看出，我们在实例化Handler时候，实际上是从sThreadLocal对象中取出Looper。如果sThreadLocal中有Looper存在就返回Looper；若Looper为空，直接抛出Can’t create handler inside thread that has not called Looper.prepare()的异常。
　　那为什么我们在创建时候没有报异常，而可以取到Looper对象呢？这是应为我们的Activity里面已经调用了Looper.prepareMainLooper();我们可以通过查看ActivityThread的源码的main入口来看，

public final class ActivityThread {

    private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {
            if (activity != null) {
                activity.attach(appContext, this, ..., );

   public static void main(String[] args) {
        // 在这儿调用 Looper.prepareMainLooper, 为应用的主线程创建Looper
        Looper.prepareMainLooper();
        ActivityThread thread = new ActivityThread();
        if (sMainThreadHandler == null) {
           sMainThreadHandler = thread.getHandler();
        }
       Looper.loop();
    }
} 

这里的ActivityThread.main方法也是我们通常说的android应用程序的入口。而Activity的生命周期的开始是在
ActivityThread .attach(false)后开始的，所以我们在Activity里面创建Handler实例时候，就已经有了一个Looper，而且是主线程Looper。通过源码我们可以很清楚看出。

/**
     * Initialize the current thread as a looper, marking it as an
     * application's main looper. The main looper for your application
     * is created by the Android environment, so you should never need
     * to call this function yourself.  See also: {@link #prepare()}
     */
    public static void prepareMainLooper() {
        prepare(false);
        synchronized (Looper.class) {
            if (sMainLooper != null) {
                throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
            }
            sMainLooper = myLooper();
        }
　　}

这里ActivityThread.main()中调用 Looper.prepareMainLooper, 为应用的主线程创建Looper。
到这里Handler的主要源码就到此为止，后面有些注意点要补充的。

3.2 Message 部分

Message源码部分比较简单，Message类实现了Parcelable接口，可以理解为比较普通的实体类。
主要属性有：

public final class Message implements Parcelable {

    public int what;
    public int arg1;
    public int arg2;
　　public Object obj;
　　...
　　long when;
　　Bundle data;
　　Handler target;
　　Runnable callback;
　　Message next;
}

Message类本身没有什么多大探究的，现在我们关系的是Message是怎么发送出去的？
那么我们现在要看看Handler的sendMessage方法了。这里又要到Handler源码里面取查看相关的方法实现。重点是消息的发送的实现。

public final boolean sendMessage(Message msg)
{
    return sendMessageDelayed(msg, 0);
}

接着查看sendMessageDelayed

public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
{
        if (delayMillis < 0) {
            delayMillis = 0;
        }
        return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}

接着sendMessageAtTime

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);
}

从这里看出，获取到当前消息队列queue，然后将msg消息加入到消息队列queue，这里的消息队列其实就是一个单向链表。我们看看enqueueMessage方法

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

这里我们可以清楚看出msg.target就是Handler对象。
此时再看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;
    }

　　消息Message通过调用enqueueMessage方法进行入队加入MessageQueue并且将所有的消息按时间来进行排序。
消息的加入算是明白了，但是消息的是怎么取出来，然后进行处理的呢？接下来一起看Looper源码。

3.3 Looper 部分

在上一节分析ActivityThread源码时，我们很清楚发现，main方法里面不仅调用了 Looper.prepareMainLooper,而且也调用了Looper.loop方法。查看Loop方法

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

            final long slowDispatchThresholdMs = me.mSlowDispatchThresholdMs;

            final long traceTag = me.mTraceTag;
            if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
                Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
            }
            final long start = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
            final long end;
            try {
                msg.target.dispatchMessage(msg);
                end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
            } finally {
                if (traceTag != 0) {
                    Trace.traceEnd(traceTag);
                }
            }
            if (slowDispatchThresholdMs > 0) {
                final long time = end - start;
                if (time > slowDispatchThresholdMs) {
                    Slog.w(TAG, "Dispatch took " + time + "ms on "
                            + Thread.currentThread().getName() + ", h=" +
                            msg.target + " cb=" + msg.callback + " msg=" + msg.what);
                }
            }

            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();
        }
    }

首先我们通过myLoop获取到当前loop，然后从中拿到MessageQueue实体对象，然后通过for (;;) 循环语句一直循环queue.next()获取下一个Message，若MessageQueue为空，则队列阻塞。
通MessageQueue中拿到Message对象后，通调用 msg.target.dispatchMessage(msg)进行消息分发处理。这里的msg.target就是Handler本身，前面已经讲过了。

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

　　当msg.callback != null是执行handleCallback；当callback 为空，调用Handler的handleMessage()方法。这也是在实例化Handler里面的回调处理handleMessage方法。至此，整个Handler、Message、Looper源码已经讲完了，下一节我们要进行一些补充和归纳。

4.补充与疑问

4.1 Handler.post方法不一定都主线程运行,但是能更新UI

　　首先我们查看post方法的具体实现

/**
     * Causes the Runnable r to be added to the message queue.
     * The runnable will be run on the thread to which this handler is 
     * attached. 
     *  
     * @param r The Runnable that will be executed.
     * 
     * @return Returns true if the Runnable was successfully placed in to the 
     *         message queue.  Returns false on failure, usually because the
     *         looper processing the message queue is exiting.
     */
    public final boolean post(Runnable r)
    {
       return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
    }

　　通过源码的注释可以看出，在调用post方法时候，创建的Runnable实例是在所属的Handler对象线程里面运行的。如果Handler不是主线程，那么post后的runnable对象也不在主线程里面运行。
例如，我们可以这样做个实验

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    private final static String TAG = MainActivity.class.getSimpleName();

    HandlerThread mHandlerThread = new HandlerThread("MyThread");
    Handler mHandler;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        mHandlerThread.start();
        mHandler = new Handler(mHandlerThread.getLooper());

        long id = Thread.currentThread().getId();
        Log.d(TAG, "Main ThreadName:" + Thread.currentThread().getName() + "  ThreadId:" + id);

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                mHandler.post(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        long id = Thread.currentThread().getId();
                        Log.d(TAG, "Thread ThreadName:" + Thread.currentThread().getName() + "  ThreadId:" + id);
                        Toast.makeText(MainActivity.this, "nihao", Toast.LENGTH_SHORT).show();

                    }
                });
            }
        }).start();

    }
}

打印结果是：

我们可以很清楚看出，运行在post里面的线程的ThreadId并不是主线程Id=1，也就是说，此时的post运行不在主线程里面。但是Toast能正常显示提示，没有报异常。
那为什么我们经常在Activity里面取调用post更新UI不报错了？
这跟我们在子线程中更新UI的方法一样了，如下面我们常在子线程中更新UI的代码

new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
           Looper.prepare();
           Toast.makeText(MainActivity.this, "nihao", Toast.LENGTH_SHORT).show();
           Looper.loop();
       }
}).start();

4.2 ThreadLocal

　　在一个android应用中编程，我们通常需要很多handler消息机制来实现各种功能，但是我们怎样保证handler对应的looper的唯一和handler消息的多线程问题了，这里就引出了ThreadLocal。
　　ThreadLocal使用场合主要解决多线程中数据因并发产生不一致的问题。ThreadLocal以空间换时间，为每个线程的中并发访问的数据提供一个副本，通过访问副本来运行业务，这样的结果是耗费了内存，但大大减少了线程同步所带来的线程消耗，也减少了线程并发控制的复杂度。
　　那么我们切换到Looper源码，很容易看到

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

实际上，我们每个线程的Looper都存放到ThreadLocal里面，可以把ThreadLocal看做是一个容器，容器里面存放着属于当前线程的变量。此时这里是存放当前线程的Looper变量。通过ThreadLocal，每个线程的Looper相互不影响而分别工作的。
关于ThreadLocal的详细，可以参考：http://blog.csdn.net/lufeng20/article/details/24314381

5.总结

看完了Handler、Message、Looper的分析后，我们总结一下三者的工作流程：

如图（ps:网上盗用图片),当我们创建好Handler后，通过Handler.sendMessage方法发送消息，此时将消息加载到MessageQueue，每次将新消息加入消息队列时候，消息队列根据时间进行排序，然后通过调用Looper.loop,里面for循环一直轮训消息队列的消息，如果没有消息，循环阻塞；如果有消息，取出消息后，进行dispatchMessage处理，调用Handler里面的runnable或者handleMessage方法进行UI或者逻辑处理，到达异步消息处理机制。。。