Android通信之Handler-MessageQueue-Looper
Handler是Android开发中十分常用并且十分核心的类。
主要用于消息传递以及跨线程进行通信。
Handler
构造函数如下：
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
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;
}
这里接收了四个参数。
mAsynchronous
注意：在Handler的构造函数中有一段检测潜在内存泄漏的逻辑。
# 创建消息
推荐使用以下两种方式创建Message：
- Message.obtain
- Handler.obtainMessage
最终都会调用到 obtain()
函数：
// frameworks/base/core/java/android/os/Message.java
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();
}
这个函数使用已回收了的Message消息，并存储在 sPool
中。其实Message也可以看成一个单向的链表，每次把链表的头从 sPool
中取出来即可。
当消息被从 MessageQueue
中移除时以及 Looper
(见 looper
函数for循环结尾处)分发一次消息之后， recycleUnchecked()
会被触发：
// frameworks/base/core/java/android/os/Message.java
void recycleUnchecked() {
flags = FLAG_IN_USE;
what = 0;
arg1 = 0;
arg2 = 0;
obj = null;
replyTo = null;
sendingUid = -1;
when = 0;
target = null;
callback = null;
data = null;
synchronized (sPoolSync) {
if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
next = sPool;
sPool = this;
sPoolSize++;
}
}
}
这个函数中会清除 Message
的一切信息，并将其加入到 sPool
的头部。
即 Message.next=sPool; sPool=Message.this;
。
原则上来说，每一个创建过的 Message
都有可能会缓存起来。
注意：缓存是有上限的，即 MAX_POOL_SIZE
(默认为 50
)。
# 发送消息
Handler提供了一系列接口：
post(...) {}
postAtTime(...) {}
postAtTime(...) {}
postDelayed(...) {}
postAtFrontOfQueue(...) {}
sendMessage(...) {}
sendEmptyMessage(...) {}
sendEmptyMessageDelayed(...) {}
sendEmptyMessageAtTime(...) {}
sendMessageDelayed(...) {}
sendMessageAtTime(...) {}
sendMessageAtFrontOfQueue(...) {}
- postXXX
可以接收一个runnable对象
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
public final boolean post(Runnable r) {
return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}
最终会通过 getPostMessage(r)
将其封装成一个Message对象。
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
private static Message getPostMessage(Runnable r) {
Message m = Message.obtain();
m.callback = r;
return m;
}
可见通过obtain()生成一个Message对象，并将runnable对象设置到其callback中去。
最后同其他直接发送Message一样，调用到 sendMessageAtTime
。
- sendMessageAtTime
可以设定触发时间，默认为当前时间。
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
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);
}
这里的 uptimeMillis
默认是 SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis
。
- sendMessageAtFrontOfQueue
与其他方式不同的地方在于，它可以将Message插入到MessageQueue的Head。
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
public final boolean sendMessageAtFrontOfQueue(Message msg) {
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, 0);
}
这里的 enqueueMessage
接收的 uptimeMillis
为0。以为MessageQueue是以when(即uptimeMillis)正序的，因此uptimeMillis越小则越靠前。
enqueueMessage
本身则是调用构造函数持有的mQueue的enqueueMessage函数。
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
msg.target = this;
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
通过Handler发送过去的消息，每个message的target都会被赋值为发送方(Handler)。
同时，如果当前的Handler标记为 mAsynchronous
，则会强制把Message全部标记 FLAG_ASYNCHRONOUS
。
这里需要注意的是，如果Handler不是 mAsynchronous
，那么Message的 FLAG_ASYNCHRONOUS
并不会被修改。
因此，可以单独将Message独立于Handler之外标记为 FLAG_ASYNCHRONOUS
，而无需关心Handler，反之则不行。
# 处理消息
Looper的loop函数中，拿到Message消息之后，则会调用其target(即Handler)的 dispatchMessage
函数。
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
public void handleMessage(Message msg) {
}
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
可以看到，如果message本身就有callback(即post一个runnable)那么将不用经过handler本身的callback以及其handleMessage函数。
否则，如果Handler的Callback截获类对应的Message，那么handleMessage将不会被触发。
# Handler 总结
FLAG_ASYNCHRONOUS
MessageQueue
MessageQueue是Android中Looper的消息队列。其阻塞和唤醒都是native实现的。
// frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java
MessageQueue(boolean quitAllowed) {
mQuitAllowed = quitAllowed;
mPtr = nativeInit();
}
MessageQueue的构造函数通过jni函数 nativeInit()
创建一个native实例，并交给java层持有。
# 消息入列
// frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java
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");
msg.recycle();
return false;
}
msg.markInUse();
msg.when = when;
Message p = mMessages;
boolean needWake;
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
// 新消息触发时间较小，则插在前面。
msg.next = p;
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
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;
}
}
// 找到比当前消息小的Message，插入在中间。
msg.next = p; // invariant: p == prev.next
prev.next = msg;
}
if (needWake) {
// 如果当前已经不是block状态，则不会调用nativeWake
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
- 新消息触发时间较小，则插在前面。
- 找到比当前消息小的Message，插入在中间。
- 如果不是block状态或者当前消息的前面有标记为异步的消息，则不唤起MessageQueue。
# 同步障碍 - PostSyncBarrier
上面说到Handler的 mAsynchronous
可以用来标记Message为 FLAG_ASYNCHRONOUS
。下面来看看这个属性到底是如何工作的。
// frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java
public int postSyncBarrier() {
return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
}
private int postSyncBarrier(long when) {
// Enqueue a new sync barrier token.
// We don't need to wake the queue because the purpose of a barrier is to stall it.
synchronized (this) {
final int token = mNextBarrierToken++;
final Message msg = Message.obtain();
msg.markInUse();
msg.when = when;
msg.arg1 = token;
Message prev = null;
Message p = mMessages;
if (when != 0) {
while (p != null && p.when <= when) {
prev = p;
p = p.next;
}
}
if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
msg.next = p;
prev.next = msg;
} else {
msg.next = p;
mMessages = msg;
}
return token;
}
}
这段代码主要是根据when，在原有的链表中插入一个不包含target的Message。不包含target这个信息很重要。
因为后面再消费消息的时候，就是通过是否包含target来判断当前消息是不是同步障碍的Message。
如果，当前链表中不存在异步消息，那么插入同步障碍就是浪费。它本身没有任何意义。
最后返回一个唯一的token(这个token是自曾的)，如果你后悔插入同步障碍则可以通过这个token将其移除掉。
注：同步障碍这个api默认是隐藏 @hide
的。
# 消费消息
当消费者(Looper)消费Message的时候，MessageQueue的next()函数是一直阻塞状态的。知道有新的消息满足了之后，才会吐出消息。
这同普通生产者消费者模式一致。
// frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java
Message next() {
...
int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
int nextPollTimeoutMillis = 0;
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
// Try to retrieve the next message. Return if found.
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
Message msg = mMessages;
if (msg != null && msg.target == null) {
// 遇到同步障碍，则将后面的第一个异步消息拎出来插队。
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
if (msg != null) {
if (now < msg.when) {
// 当前消息的触发时间并不满足，那么让它MessageQueue直接阻塞到目标事件。这里计算差值即nextPollTimeoutMillis表示阻塞时间。
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
// 正常可用的消息。则将其从链表中抹去，并返回给Looper
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
mMessages = msg.next;
}
msg.next = null;
msg.markInUse();
return msg;
}
} else {
// 如果没有消息，则无限阻塞。知道enqueue新消息的时候，被唤醒。
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
// Process the quit message now that all pending messages have been handled.
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
...
if (pendingIdleHandlerCount < 0
&& (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
// 如果没有消息或者header并没有被触发，那么唤起IdelHandler回调。
pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
}
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
// No idle handlers to run. Loop and wait some more.
mBlocked = true;
continue;
}
if (mPendingIdleHandlers == null) {
mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
}
mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
}
// Run the idle handlers.
// We only ever reach this code block during the first iteration.
for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
final IdleHandler idler = mPendingIdleHandlers[i];
mPendingIdleHandlers[i] = null; // release the reference to the handler
boolean keep = false;
try {
keep = idler.queueIdle();
} catch (Throwable t) {
Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
}
if (!keep) {
synchronized (this) {
mIdleHandlers.remove(idler);
}
}
}
// Reset the idle handler count to 0 so we do not run them again.
pendingIdleHandlerCount = 0;
// 这里会重置阻塞时间。这里的逻辑是认为，如果IdleHandler被回调了，那么其观察者一定是做了什么事。所以给一次机会下次直接重新读取当前消息链表。
nextPollTimeoutMillis = 0;
}
}
- 遇到同步障碍，则将后面的第一个异步消息拎出来插队。
- 当前消息的触发时间并不满足，那么让它MessageQueue直接阻塞到目标事件。这里计算差值即nextPollTimeoutMillis表示阻塞时间。
- 如果当前消息满足触发时间。则将其从链表中抹去，并返回给Looper
- 如果没有消息，则无限阻塞(没有IdelHandler的情况下)。知道enqueue新消息的时候，被唤醒。
- 如果没有消息或者header并没有被触发，并且有注册拎IdelHandler。那么唤起IdelHandler回调。这里会重置阻塞时间。这里的逻辑是认为，如果IdleHandler被回调了，那么其观察者一定是做了什么事。所以给一次机会下次直接重新读取当前消息链表。
# MessageQueue的Native实现
上面说到MessageQueue的构造函数中直接调用jni获取一个native对象的内存地址，存储在 mPtr
中。
// frameworks/base/code/jni/android_os_MessageQueue.cpp
static jlong android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz) {
NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = new NativeMessageQueue();
if (!nativeMessageQueue) {
jniThrowRuntimeException(env, "Unable to allocate native queue");
return 0;
}
nativeMessageQueue->incStrong(env);
return reinterpret_cast<jlong>(nativeMessageQueue);
}
nativeInit其实创建了一个NativeMessageQueue对象。
// frameworks/base/code/jni/android_os_MessageQueue.cpp
NativeMessageQueue::NativeMessageQueue() :
mPollEnv(NULL), mPollObj(NULL), mExceptionObj(NULL) {
mLooper = Looper::getForThread();
if (mLooper == NULL) {
mLooper = new Looper(false);
Looper::setForThread(mLooper);
}
}
而NativeMessageQueue的构造函数中持有拎当前线程的一个Looper对象。
这个获取或者创建Looper的过程相当于prepare的过程，即获取当前线程的Looper对象。
其中Looper的构造函数中会通过 epoll_create
创建一个epoll对象。用于epoll的相关操作。
- NativeMessageQueue.wake
当enqueue时，如果需要wate。那么最终是通过nativeWake完成的：
// frameworks/base/code/jni/android_os_MessageQueue.cpp
static void android_os_MessageQueue_nativeWake(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong ptr) {
NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
nativeMessageQueue->wake();
}
void NativeMessageQueue::wake() {
mLooper->wake();
}
nativeWake的参数最终会重新转化为NativeMessageQueue。最终其wake实现也是调用Looper的wake函数。
- NativeMessageQueue.pollOnce
MessageQueue产生Message时，通过nativePollOnce来进行阻塞。
// frameworks/base/code/jni/android_os_MessageQueue.cpp
void NativeMessageQueue::pollOnce(JNIEnv* env, jobject pollObj, int timeoutMillis) {
mPollEnv = env;
mPollObj = pollObj;
mLooper->pollOnce(timeoutMillis);
mPollObj = NULL;
mPollEnv = NULL;
if (mExceptionObj) {
env->Throw(mExceptionObj);
env->DeleteLocalRef(mExceptionObj);
mExceptionObj = NULL;
}
}
Looper的pollOnce最终通过 epoll_wait
进行超时阻塞。或者等待enqueue时的wake。
# MessageQueue总结
FLAG_ASYNCHRONOUS
Looper
Looper在使用之前都需要prepare，使其内部的ThreadLocal对象持有当前线程的Looper对象。这样才能通过getLooper这一静态函数拿到全局的Looper对象。
# 启动
应用被ZygoteInit中fork出来之后，都会调用ActivityThread的main函数。如下：
// frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java
public static void main(String[] args) {
...
Looper.prepareMainLooper();
ActivityThread thread = new ActivityThread();
thread.attach(false);
...
Looper.loop();
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
可以看见在ActivityThread实例化之前Looper就 prepareMainLooper
。保证ActivityThread中能顺利拿到MainLooper，从而创建对应的Handler处理UI事件。
经过一系列初始化之后，loop()函数被调用。如果loop()函数一旦停止阻塞，那么整个引用就会抛出Runtime的异常。紧接着AppRunTime就会删除VM等。
# loop
// frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java
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 (;;) {
// 从MessageQueue获取Message，如果没有消息那么MessageQueue会一致阻塞着。除非MessageQueue被quit了。
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);
}
...
try {
// 拿到message之后，获取其target(即Handler)进行消息的分发。完成一个loop。
msg.target.dispatchMessage(msg);
end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
}
...
if (logging != null) {
logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
}
...
// 回收当前的Message，是其加入到Message的sPool中。供obtain时再次使用。
msg.recycleUnchecked();
}
}
这个looper函数本身是一个不会结束的死循环，为UI等提供一个文件的消息系统。
- 从MessageQueue获取Message，如果没有消息那么MessageQueue会一致阻塞着。除非MessageQueue被quit了。
- 拿到message之后，获取其target(即Handler)进行消息的分发。完成一个loop。
- 回收当前的Message，是其加入到Message的sPool中。供obtain时再次使用。
注意：每次在进行一个loop即往handler发送消息的前后，Looper会拿到当前的mLogging通过其打印行日志。这两个日志是一次handleMessage最完整的时间。因此有的APM项目会通过调用MainLooper的 setMessageLogging
函数，替换掉这里的mLogging。根据着两个有特点的日志做数据统计。
Messenger
Messenger是android的Framework层封装的一个简单的基于Handler的轻量级跨进程通信方式。
// frameworks/base/core/java/android/os/Messenger.java
public final class Messenger implements Parcelable {
private final IMessenger mTarget;
public Messenger(Handler target) {
mTarget = target.getIMessenger();
}
...
}
可以看到其构造函数中获取了来自target的一个IMessage对象。这个IMessage本身就是Handler的一个AIDL的接口。
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
final IMessenger getIMessenger() {
synchronized (mQueue) {
if (mMessenger != null) {
return mMessenger;
}
mMessenger = new MessengerImpl();
return mMessenger;
}
}
private final class MessengerImpl extends IMessenger.Stub {
public void send(Message msg) {
msg.sendingUid = Binder.getCallingUid();
Handler.this.sendMessage(msg);
}
}
可以看到IMessage对象来自于 MessengerImpl
继承自 IMessenger.Stub
。抽象接口定义文件位于aosp源码frameworks/base/core/java/android/os/IMessenger.aidl处。
原文如下：
// frameworks/base/core/java/android/os/IMessenger.aidl
package android.os;
import android.os.Message;
/** @hide */
oneway interface IMessenger {
void send(in Message msg);
}
当我们获取到另外一个进程的Messenger对象之后，就可以通过调用其内部的send函数发送Message到原进程的Handler中了。
// frameworks/base/core/java/android/os/Messenger.java
public void send(Message message) throws RemoteException {
mTarget.send(message);
}
不过在实际开发中，Messenger存在感比较低。
总结
# Handler可能引发的内存泄漏
如果Handler为静态类，则Handler本身并不是直接导致内存泄漏的直接原因。
以下都是非静态的前提下：
- 匿名内部类。
- 成员类。
- 局部类。
原因在于通过这些情况下，handler所在的上下文或者其本身会持有外部对象。而handler有可能一直被MessageQueue持有，导致handler持有的对象，比如Activity/View等不会释放。从而导致泄漏。
# Handler跨线程同步调用
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
public final boolean runWithScissors(final 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);
}
private static final class BlockingRunnable implements Runnable {
private final Runnable mTask;
private boolean mDone;
public BlockingRunnable(Runnable task) {
mTask = task;
}
@Override
public void run() {
try {
mTask.run();
} finally {
synchronized (this) {
mDone = true;
notifyAll();
}
}
}
public boolean postAndWait(Handler handler, long timeout) {
if (!handler.post(this)) {
return false;
}
synchronized (this) {
if (timeout > 0) {
final long expirationTime = SystemClock.uptimeMillis() + timeout;
while (!mDone) {
long delay = expirationTime - SystemClock.uptimeMillis();
if (delay <= 0) {
return false; // timeout
}
try {
wait(delay);
} catch (InterruptedException ex) {
}
}
} else {
while (!mDone) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException ex) {
}
}
}
}
return true;
}
}
这是一个@hide标记的函数，看看就好。
引申阅读：
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