Android 一起来看看面试必问的消息机制
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() 和 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() 和 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() 和 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) 和 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。