Android 一起来看看面试必问的消息机制

前言

谈到 Android 的消息机制,相信大家应该不陌生,在日常开发中不可避免要接触到这方面的内容,而且这也是面试中常被问到的内容,最近本着「Read the Fucking Source Code」的原则,每天花半个小时开始看源码,从 Android 消息机制开始。本文的内容借鉴了「Android 开发艺术探索」,在此强烈向大家推荐这本书,可以说是 Android 进阶必备,质量真的相当高。

一、Android 消息机制的概述


Android 消息机制的主要是指的是 Handler 的运行机制以及 Handler 所附带的 MessageQueue 和 Looper 的工作过程,这三者实际上是一个整体,只不过我们在开发过程中比较多地接触 Handler 而已。

Handler 的主要功能是将任务切换到某个指定的线程中去执行,那么 Android 为什么要提供这个功能呢?这是因为 Android 规定访问 UI 只能在主线程中进行,如果在子线程中访问 UI,那么程序就会抛出异常。

那为什么 Android 不允许子线程中访问 UI 呢?这是因为 Android 的 UI 控件并不是线程安全的,如果在多线程中并发访问可能会导致 UI 控件处于不可预期的状态,那还有一个问题,为什么系统不对 UI 控件的访问加上锁机制呢?缺点有两个:

  • 加上锁机制会让 UI 访问的逻辑变得复杂
  • 锁机制会降低 UI 访问的效率,因为锁机制会阻塞某些线程的执行

Handler 创建完毕后,这个时候其内部的 Looper 以及 MessageQueue 就可以和 Handler 一起协同工作了,然后通过 Handler 的 post() 方法将一个 Runnable 投递到 Handler 的内部的 Looper 中去处理,也可以通过 Handler 的 send() 方法发送一个消息,这个消息同样会在 Looper 中去处理。其实 post() 方法最终也是通过 send() 方法来完成的。

接下来谈下 send() 的工作过程。当 Handler 的 send() 方法被调用时,它会调用 MessageQueue 的 enqueueMessage() 方法将这个消息放入消息队列中,然后 Looper 发现有新消息到来时,就会处理这个消息,最终消息中的 Runnable 或 Handler 的 handleMessage() 就会被调用。注意 Looper 是运行在创建 Handler 所在的线程中去执行的,这样一来 Handler 中的业务逻辑就被切换到创建 Handler 所在的线程中去执行了。

Android 消息机制流程图.png

二、消息队列的工作原理


消息队列在 Anroid 中指的是 MessageQueue,MessageQueue 主要包含两个操作:插入和读取。读取操作本身会伴随着删除操作,插入和删除对应的方法分别为:enqueueMessage()next(),其中 enqueueMessage() 的作用是往消息队列中插入一条消息,而 next() 的作用是从消息队列中取出一条消息并将其从消息队列中移除。尽管 MessageQueue 叫做消息队列,但是它的内部实现并不是用的队列,实际上它是通过一个单链表的数据结构来维护消息队列的,因为单链表在插入和删除上比较有优势。

接下来看下它的 enqueueMessage()next() 方法的实现,enqueueMessage() 的源码如下所示:

    boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {

        synchronized (this) {
            ...
            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;
    }

可以看到 enqueueMessage() 中,主要就是进行了单链表的插入操作。

接下来看看 next() 的源码:

    Message next() {
        // Return here if the message loop has already quit and been disposed.
        // This can happen if the application tries to restart a looper after quit
        // which is not supported.
        final long ptr = mPtr;
        if (ptr == 0) {
            return null;
        }

        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) {
                    // Stalled by a barrier.  Find the next asynchronous message in the queue.
                    do {
                        prevMsg = msg;
                        msg = msg.next;
                    } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
                }
                if (msg != null) {
                    if (now < msg.when) {
                        // Next message is not ready.  Set a timeout to wake up when it is ready.
                        nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                    } else {
                        // Got a message.
                        mBlocked = false;
                        if (prevMsg != null) {
                            prevMsg.next = msg.next;
                        } else {
                            mMessages = msg.next;
                        }
                        msg.next = null;
                        if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
                        msg.markInUse();
                        return msg;
                    }
                } else {
                    // No more messages.
                    nextPollTimeoutMillis = -1;
                }

                // Process the quit message now that all pending messages have been handled.
                if (mQuitting) {
                    dispose();
                    return null;
                }

                // If first time idle, then get the number of idlers to run.
                // Idle handles only run if the queue is empty or if the first message
                // in the queue (possibly a barrier) is due to be handled in the future.
                if (pendingIdleHandlerCount < 0
                        && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
                    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;

            // While calling an idle handler, a new message could have been delivered
            // so go back and look again for a pending message without waiting.
            nextPollTimeoutMillis = 0;
        }
    }

可以看到 next() 方法是一个无限循环的方法,如果消息队列中没有消息,那么 next() 方法会一直阻塞在这里,当有新消息到来时,next() 方法会返回这条消息并将其从消息队列中删除。

三、Looper 的工作原理


Looper 在 Android 的消息机制中扮演着消息循环的角色,具体来说就是它会不停地从 MessageQueue 中查看是否有新的消息,如果有新消息就回立刻处理,否则就一直阻塞在那里。

先来看下它的构造方法:

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

在构造方法中,它会创造一个 MessageQueue 即消息队列,然后将当前的线程对象进行保存。

我们知道,Handler 的工作需要 Looper,没有 Looper 的线程就会报错,那么如何为一个线程创建 Looper 呢?其实很简单,通过 Looper.prepare() 就可以为当前线程创建一个 Looper,接着通过 Looper.loop() 来开启消息循环。

Looper 除了 prepare() 方法外,还提供了 prepareMainLooper() 方法,这个方法主要是给主线程创建 Looper 使用的,其本质也是通过 prepare() 方法来实现的。Looper 还提供了 quit()quitSafely() 两个方法来退出一个 Looper,两者的区别是:quit() 会直接退出 Looper,而 quitSafely() 只是设定一个退出标识,然后把消息队列中的消息处理完毕后才安全地退出。

    public void quitSafely() {
        mQueue.quit(true);
    }

Looper 最重要的一个方法是 loop() 方法,只有调用了 loop() 后,消息循环系统才会真正地起作用,Looper 的 loop() 方法的工作过程也比较好理解,loop() 方法是一个死循环,唯一跳出循环的方式是 MessageQueue 返回 null,当 Looper 的 quit() 被调用时,Looper 就会调用 MessageQueue 的 quit() 或者 quitSafely() 方法来通知消息队列退出,当前消息队列被标记为退出状态时,它的 next 方法就回返回 null。

四、Handler 的工作原理


Handler 的工作主要包括消息的发送和接收过程。消息的发送可以通过 post() 的一系列方法以及 send() 的一系列方法来实现,post() 的一系列方法最终也是通过 send() 的一系列方法来实现的。发送一条消息的典型过程如下所示。

    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);
    }

可以发现,Handler 发送消息的过程仅仅是向消息队列中插入一条消息,MessageQueue 的 next() 方法就会返回这条消息给 Looper,Looper 收到消息就开始处理,最终消息由 Looper 交给 Handler 进行处理,即 dispatchMessage() 方法会被调用,这时 Handler 就进入了处理消息的阶段,dispatchMessage() 的具体实现如下所示:

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

Handler 处理消息的过程如下:

首先检查 Message 的 callback 是否为 null,不为 null,就通过 handleCallback() 来处理消息,Message 的 callback 是一个 Runnable 对象,实际上就是 Handler 的 post() 方法所传递的 Runnable 参数。handleCallback 的逻辑也比较简单,如下所示。

    private static void handleCallback(Message message) {
        message.callback.run();
    }

其次,检查 mCallback 是否为 null,不为 null 则调用 mCallback.handleMessage() 方法来处理消息。最后调用 Handler 的 handleMessage() 方法来处理消息。

总结


Android 的消息机制主要指 Handler 的运行机制,以及 Handler 所附带的 MessageQueue 和 Looper 的工作过程,三者是一个整体。当我们要将任务切换到某个指定的线程(如 UI 线程)中执行的时候,会通过 Handler 的 send(Message message msg)post(Runnable r) 进行消息的发送,post()方法最终也是通过 send() 方法来完成的。

发送的消息会插入到 MessageQueue 中(MessageQueue 虽然叫做消息队列,但是它的内部实现并不是队列,而是单链表,因为单链表在插入和删除上比较有优势),然后 Looper 通过 loop() 方法进行无限循环,判断 MessageQueue 是否有新的消息,有的话就立刻进行处理,否则就一直阻塞在那里,loop() 跳出无限循环的唯一条件是 MessageQueue 返回 null。

Looper 将处理后的消息交给 Handler 进行处理,然后 Handler 就进入了处理消息的阶段,此时便将任务切换到 Handler 所在的线程,我们的目的也就达到了。


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