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Android消息机制

原文 http://blog.csdn.net/fighting_sxw/article/details/79053449

2018-01-14 02:00:48阅读(176)

一、Android消息机制概述
      消息驱动是一种进程或者线程的运行模式。内部、外部的各种事件都可以转化为一个消息放到消息队列中按序处理。这种模式特别适合处理大量的交互事件。Android应用同样是消息(事件)驱动的, 所有外部来的按键事件、触屏事件、各种系统Intent、广播等,每个事件都会转化为一个系统消息,即Message。消息中包含了事件相关的信息以及这个消息的处理人—–Handler。由Handler将消息发送至Handler所在线程的消息队列MessageQueue中,这个消息队列维护了一个待处理的消息列表,有一个消息循环Looper不断的从这个队列中取出消息,处理消息,这样就使得应用动态地运作起来。Message、MessageQueue、Looper、Handler的工作原理就像工厂的生产线,Looper就是发动机,MessageQueue就是传送带,Handler就是工人,Message则是待处理的产品。结构图如下:
Android消息机制

二、Android消息机制简要分析

Android消息机制相关的类主要是Looper、Handler、Message、MessageQueue。


2.1 ThreadLocal
在分析之前,先了解一下ThreadLocal。ThreadLocal是一个线程内部的数据存书类,通过它可以在指定的线程中存储数据,数据存储后,只有在指定线程中可以获取到存储的数据,对于其他线程来说则无法获取到数据。

下面分析ThreadLocal的内部实现,ThreadLocal是一个泛型类,它的定义为public class ThreadLocal,只要弄清楚ThreadLocal的set与get 方法就可以明白其工作原理。

     首先看ThreadLocal的set方法,如下所示

public void set(T value) {
        //获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }

首先,在每个线程Thread内部有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量threadLocals,这个threadLocals就是用来存储实际的变量副本的,键值为当前ThreadLocal变量,value为变量副本(即T类型的变量)。通俗一点说,就是在一个线程中,创建了一个ThreadLocal变量sThreadLocal,sThreadLocal将自己作为键值,需要保存的变量作为Value,存入每一个Thread私有的threadLocals中,这样Thread、ThreadLocal、value都是一一对应的。再来看get()函数

public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

当调用ThreadLocal.get()时,首先获取当前Thread的ThreadLocalMap,并使用该ThreadLocal作为key来取值,如果ThreadLocal不是在当前线程中创建,自然也就取不到值,所以可以这样认为 Thread+ThreadLocal 作为整体的key来取值。因此不同的线程访问同一个ThreadLocal的get方法,ThreadLocal内部会从各自线程中取出一个ThreadLocalMap,然后以ThreadLocal为索引去查找对应的value,很显然,不同的线程中ThreadLocalMap是不同的,取出来的值,自然也是不一样的。


2.2 MessageQueue类
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,插入和读取对应的方法分别为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叫消息队列,但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列表,单链表在插入和删除上比较有优势。


2.3 Looper类
先来看一下Looper的源码

public final class Looper {
    //...省略部分代码...
    //用来存放当前线程的Looper对象
    static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
    //主线程Looper对象
    private static Looper sMainLooper;  // guarded by Looper.class
    //消息队列
    final MessageQueue mQueue;
    final Thread mThread;
    public static void prepare() {
        prepare(true);
    }
    //将Looper对象存入sThreadLocal中,可以看出每个线程中只存在一个Looper对象,否则会报错
    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));
    }
    //初始化主线程的Looper对象
    public static void prepareMainLooper() {
        prepare(false);//调用prepare方法
        synchronized (Looper.class) {
            if (sMainLooper != null) {
                throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
            }
            sMainLooper = myLooper();
        }
    }
    /**
     *返回一个与当前线程相关联的Looper对象(从sThreadLocal中读取),如果当前线程没有Looper则返回空
     */
    public static @Nullable Looper myLooper() {
        return sThreadLocal.get();
    }
    /**
     * 返回当前线程的消息队列
     */
    public static @NonNull MessageQueue myQueue() {
        return myLooper().mQueue;
    }
    //构造函数 quitAllowed表示是否可以退出循环,新建消息队列,获取当前线程对象
    private Looper(boolean quitAllowed) {
        mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
        mThread = Thread.currentThread();
    }
    //主要作用是分发消息队列中的消息
    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;
        //...省略部分代码...
    }
    //...省略部分代码...
}

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的从MessageQueue中查看是否有新消息,如果有新消息就会立刻处理,否则就一直阻塞在那里。首先来看一下它的构造方法,在构造方法中它会创建一个MessageQueue即消息队列,然后将当前线程的对象保存起来。

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

在应用层开发中,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()即可为当前线程创建一个Looper,接着通过Looper.loop()来开启消息循环,如下所示:

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

再来看一下prepare()

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));
    }

第一次调用prepare方法时会执行sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed)),新建一个Looper对象,并以sThreadLocal为键值存入当前线程的ThreadLocalMap中,使得当前线程,sThreadLocal,Looper对象一一对应,如果再次调用preprare则会抛错:Only one Looper may be created per thread,这样便保证了一个线程最多有一个Looper对象。

Looper除了提供prepare方法外,还提供了prepareMainLooper方法:

    //初始化主线程的Looper对象
    public static void prepareMainLooper() {
        prepare(false);//调用prepare方法
        synchronized (Looper.class) {
            if (sMainLooper != null) {
                throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
            }
            sMainLooper = myLooper();
        }
    }

prepareMainLooper主要是提供给主线程创建Looper使用,在ActivityThread的main方法中调用,其本质也是通过prepare方法来实现的。

再来看一下myLooper():

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

获取当前线程的Looper对象。

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作用。

    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();
        }
    }

loop方法是一个死循环,唯一跳出循环的方式是MessageQueue的next方法返回了null。loop方法会调用MessageQueue的next方法来回去新消息,而next是一个阻塞操作,当没有消息时,next方法会一直阻塞在那里,这也导致loop方法一直阻塞在那里。如果MessageQueue的next方法返回了新消息,Looper就会处理这条消息:msg.target.dispatchMessage(msg),这里的msg.target是发送这条消息的Handler对象,这样Handler发送的消息最终又交给它的dispatchMessage方法来处理。但这里不同的是,Handler的dispatchMessage方法是在创建Handler时所使用的Looper中执行的,这样就成功的将代码逻辑切换到指定的线程中去执行了。


2.4 Handler类
Handler对象是Message的接受者和处理者。用户使用Handler对象把Message添加到消息队列中;同时通过Handler的会掉方法handleMessage()来对消息队列中的Message进行处理。Handler对象在构造时和某个Looper对象关联在一起。Handler和Looper是多对一的关系,多个Handler对象可以和一个Looper对象关联起来,反之则不行。

这是Handler的默认构造方法

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

这个构造方法会调用下面的构造方法

public Handler(Callback callback, boolean async) {
        //省略部分代码
        //获取当前
        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;
    }

在构造函数中获取的当前线程的Looper对象,获取了当前线程Looper中的队列,根据对Looper的分析我们知道,一个线程最多只有一个Looper,Looper中含有一个消息队列,所以一个线程中也最多有一个消息队列,每创建一个Handler就会获得当前线程的Looper对象和消息队列MessageQueue,Looper与MessageQueue与当前线程一一对应,但是当前线程可以拥有多个Handler。


Handler的工作主要是包含消息的发送和接受过程。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) {
    //将发送这条消息的handler对象也包装进入了msg
        msg.target = this;
        if (mAsynchronous) {
            msg.setAsynchronous(true);
        }
        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
    }

在private boolean enqueueMessage 将发送这条消息的handler对象也包装进入了msg,然后将消息插入消息队列中。MessageQueue的next方法就会返回这条消息给Looper,Looper收到消息后就开始处理了,最终消息有Looper交由Handler处理,即Handler的dispatchMessage方法会被调用(msg.target.dispatchMessage(msg)),这是Handler就进入了处理消息的阶段,此Handler即target,是发送此消息的Handler。还有一种发送消息的方式如下:

    public final boolean post(Runnable r)
    {
       return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
    }

其中getPostMessager是将Runnable对象包装成Message对象,后面和第一种方式一样。

dispatchMessage的实现如下:

    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的逻辑也很简单,如下:

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

其次检查mCallback是否为null,不为null就调用mCallback的handleMessage方法处理消息。Callback是个接口。最后调用Handler的handleMessage方法来处理消息。


三、主线程的消息循环

Android的主线程就是ActivityThread,主线程的入口方法为main,在main方法中系统会通过Looper.prepareMainLooper()来创建主线程的Looper以及MessageQueue,并通过Looper.loop()来开启主线程的消息循环,这个过程如下:

    public static void main(String[] args) {
        //省略部分代码
        Process.setArgV0("<pre-initialized>");
        Looper.prepareMainLooper();
        ActivityThread thread = new ActivityThread();
        thread.attach(false);
        if (sMainThreadHandler == null) {
            sMainThreadHandler = thread.getHandler();
        }
        if (false) {
            Looper.myLooper().setMessageLogging(new
                    LogPrinter(Log.DEBUG, "ActivityThread"));
        }
        // End of event ActivityThreadMain.
        Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
        Looper.loop();
        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
    }

主线程的消息循环开始了以后,ActivityThread还需要一个Handler来和消息队列进行交互,这个Handler就是ActivityThread.H,它内部定义了一组消息类型,主要包含了四大组件的启动和停止等过程,如下所示。

    private class H extends Handler {
        public static final int LAUNCH_ACTIVITY         = 100;
        public static final int PAUSE_ACTIVITY          = 101;
        public static final int PAUSE_ACTIVITY_FINISHING= 102;
        public static final int STOP_ACTIVITY_SHOW      = 103;
        public static final int STOP_ACTIVITY_HIDE      = 104;
        public static final int SHOW_WINDOW             = 105;
        public static final int HIDE_WINDOW             = 106;
        public static final int RESUME_ACTIVITY         = 107;
        public static final int SEND_RESULT             = 108;
        public static final int DESTROY_ACTIVITY        = 109;
        public static final int BIND_APPLICATION        = 110;
        public static final int EXIT_APPLICATION        = 111;
        public static final int NEW_INTENT              = 112;
        public static final int RECEIVER                = 113;
        public static final int CREATE_SERVICE          = 114;
        public static final int SERVICE_ARGS            = 115;
        public static final int STOP_SERVICE            = 116;
        //省略部分代码
        public void handleMessage(Message msg) {
            if (DEBUG_MESSAGES) Slog.v(TAG, ">>> handling: " + codeToString(msg.what));
            switch (msg.what) {
                case LAUNCH_ACTIVITY: {
                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityStart");
                    final ActivityClientRecord r = (ActivityClientRecord) msg.obj;
                    r.packageInfo = getPackageInfoNoCheck(
                            r.activityInfo.applicationInfo, r.compatInfo);
                    handleLaunchActivity(r, null, "LAUNCH_ACTIVITY");
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                } break;
                case RELAUNCH_ACTIVITY: {
                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityRestart");
                    ActivityClientRecord r = (ActivityClientRecord)msg.obj;
                    handleRelaunchActivity(r);
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                } break;
                case PAUSE_ACTIVITY: {
                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityPause");
                    SomeArgs args = (SomeArgs) msg.obj;
                    handlePauseActivity((IBinder) args.arg1, false,
                            (args.argi1 & USER_LEAVING) != 0, args.argi2,
                            (args.argi1 & DONT_REPORT) != 0, args.argi3);
                    maybeSnapshot();
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                } break;
                case PAUSE_ACTIVITY_FINISHING: {
                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityPause");
                    SomeArgs args = (SomeArgs) msg.obj;
                    handlePauseActivity((IBinder) args.arg1, true, (args.argi1 & USER_LEAVING) != 0,
                            args.argi2, (args.argi1 & DONT_REPORT) != 0, args.argi3);
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                } break;
                case STOP_ACTIVITY_SHOW: {
                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityStop");
                    SomeArgs args = (SomeArgs) msg.obj;
                    handleStopActivity((IBinder) args.arg1, true, args.argi2, args.argi3);
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                } break;
                case STOP_ACTIVITY_HIDE: {
                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityStop");
                    SomeArgs args = (SomeArgs) msg.obj;
                    handleStopActivity((IBinder) args.arg1, false, args.argi2, args.argi3);
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                } break;
                case SHOW_WINDOW:
                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityShowWindow");
                    handleWindowVisibility((IBinder)msg.obj, true);
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                    break;
                case HIDE_WINDOW:
                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityHideWindow");
                    handleWindowVisibility((IBinder)msg.obj, false);
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                    break;
                case RESUME_ACTIVITY:
                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityResume");
                    SomeArgs args = (SomeArgs) msg.obj;
                    handleResumeActivity((IBinder) args.arg1, true, args.argi1 != 0, true,
                            args.argi3, "RESUME_ACTIVITY");
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                    break;
               //省略部分代码
            }
            Object obj = msg.obj;
            if (obj instanceof SomeArgs) {
                ((SomeArgs) obj).recycle();
            }
            if (DEBUG_MESSAGES) Slog.v(TAG, "<<< done: " + codeToString(msg.what));
        }
        }

ActivityThread通过ApplicationThread和AMS进行进程间通信,ApplicationThread是内部类,继承ApplicationThreadNative,而ApplicationThreadNative继承了Binder对象,AMS以进程间通信的方式(Binder机制)完成ActivityThread的请求后会回掉ApplicationThread中的Binder方法,然后Application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。

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