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Android Handler与Looper原理简析
阅读量:5873 次
发布时间:2019-06-19

本文共 15044 字,大约阅读时间需要 50 分钟。

本文分析下Android的消息处理机制,主要是针对Handler、Looper、MessageQueue组成的异步消息处理模型,先主观想一下这个模型需要的材料:

  • 消息队列:通过Handler发送的消息并是即刻执行的,因此需要一个队列来维护
  • 工作线程:需要一个线程不断摘取消息,并执行回调,这种线程就是Looper线程
  • 互斥机制,会有不同的线程向同一个消息队列插入消息,这个时候就需要同步机制进行保证
  • 空消息队列时候的同步机制,生产者消费者模型

上面的三个部分可以简单的归结为如下图:

Looper运行模型.jpg

APP端UI线程都是Looper线程,每个Looper线程中维护一个消息队列,其他线程比如Binder线程或者自定义线程,都能通过Handler对象向Handler所依附消息队列线程发送消息,比如点击事件,都是通过InputManagerService处理后,通过binder通信,发送到App端Binder线程,再由Binder线程向UI线程发送送Message,其实就是通过Handler向UI的MessageQueue插入消息,与此同时,其他线程也能通过Handler向UI线程发送消息,显然这里就需要同步,以上就是Android消息处理模型的简单描述,之后跟踪源码,浅析一下具体的实现,以及里面的一些小手段,首先,从Handler的常见用法入手,分析其实现原理,

Handler的一种基本用法--消息Message的插入

<关键点1>
Handler hanlder=new Handler();
<关键点2>
hanlder.post(new Runnable() { @Override public void run() { //TODO } });复制代码

这里有两个点需要注意,先看关键点1,Handler对象的创建,直观来看可能感觉不到有什么注意的地方,但是如果你在普通线程创建Handler,就会遇到异常,因为普通线程是不能创建Handler对象的,必须是Looper线程才能创建,才有意义,可以看下其构造函数:

public Handler(Callback callback, boolean async) {    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;}复制代码

从上面的代码可以看出,Looper.myLooper()必须非空,否则就会抛出 RuntimeException异常,Looper.myLooper()什么时候才会非空?

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

上面的两个函数牵扯到稍微拧巴的数据存储模型,不分析,只要记住只有调用过Looper.prepare的线程,才会生成一个线程单利的Looper对象,Looper.prepare只能调用一次,再次调用会抛出异常。其实prepare的作用就是新建一个Looper对象,而在new Looper对象的时候,会创建关键的消息队列对象:

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

之后,一个线程就有了MessageQueue,虽然还没有调用Loop.loop()将线程变成loop线程,但是new Handler已经没问题。接着看hanlder.post函数,它将会创建一个Message(如果需要),并将Message插入到MessageQueue,供loop线程摘取并执行。

public final boolean post(Runnable r)    {       return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);    }  private static Message getPostMessage(Runnable r) {    Message m = Message.obtain();    m.callback = r;    return m;}// 静态方法,同步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();}复制代码

上面的Message新建流程,其实主要是涉及了一个Message线程池,默认线程池大小50,当然,不采用线程池,全部新建Message也是可以的,采用线程池主要是为了提高效率,避免重复创建对象,因为Handler与Message的时候实在是太频繁了,Message线程池消息池常用的方法有两个:obtain()和recycle(),前者是用于从线程池取出一个干净的Message,而后者是用于将使用完的Message清理干净,并放回线程池,当然以上方法都是需要同步的。之后,通过Looper对象将Message插入到MessageQueue,Handler发消息最终都会调用sendMessageAtTime函数

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);}复制代码

mAsynchronous可以先不关心,我们使用的一般是mAsynchronous=false的,可以看到,Handler最后通过MessageQueue的enqueueMessage函数来进行插入,

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.");        }      // 需要同步    synchronized (this) {        msg.markInUse();        msg.when = when;        Message p = mMessages;        boolean needWake;        if (p == null || when == 0 || when < p.when) {        
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; }} msg.next = p; // invariant: p == prev.next prev.next = msg; }
if (needWake) { nativeWake(mPtr); } } return true; }复制代码

很明显enqueueMessage需要同步,因为存在多个线程往一个Loop线程的MessageQueue中插入消息的场景。 这里其实是将Message根据延时插入到特定的地方,先看下关键点1,mMessages其实代表消息队列的头部,如果mMessages为空,说明还没有消息,如果当前插入的消息不需要延时,或者说延时比mMessages头消息的延时要小,那么当前要插入的消息就需要放在头部,至于是否需要唤醒队列,则需要根据当前的Loop线程的状态来判断,后面讲Loop线程的时候再回过头说;再来看下关键点2,这个时候需要将消息插入到队列中间,其实就是找到第一个Delay事件小于当前Message的非空Message,并插入到它的前面,往队列中插入消息时,如果Loop线程在睡眠,是不应该唤醒的,异步消息的处理会更加特殊一些,先不讨论。最后看关键点3,如果需要唤醒Loop线程,通过nativeWake唤醒,以上,普通消息的插入算结束了,接下来看一下消息的执行。

MessageQueue中Message消息的执行

在消息的发送部分已经消息模型的两个必要条件:消息队里+互斥机制,接下来看一下其他两个条件,Loop线程+消费者模型的同步机制。MessageQueue只有同Loop线程(死循环线程)配合起来才有意义,普通线程必须可以通过Looper的loop函数变成Loop线程,loop函数除了是个死循环,还包含了从MessageQueue摘取消息并执行的逻辑。看一下这个函数:

public static void loop() {  `
final Looper me = myLooper(); if (me == null) { throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread."); } ...
for (;;) {
Message msg = queue.next(); // might block if (msg == null) { // No message indicates that the message queue is quitting. return; }
msg.target.dispatchMessage(msg); ...
msg.recycleUnchecked(); }}复制代码

先看下关键点1,它要确保当前线程已经调用过Looper.prepare函数,并且准备好了MessageQueue消息队列;再看关键点2,其实就是将线程化身成Looper线程,变成死循环,不断的读取执行消息;关键点3,就是从MessageQueue摘取消息的函数,如果当前消息队列上没有消息,Loop线程就会进入阻塞,直到其他线程插入消息,唤醒当前线程。如果消息读取成功,就走到关键点4,执行target对象的回调函数,执行完毕,进入关键点5,回收清理Message对象,放入Message缓存池。直接看关键点3,消息的摘取与阻塞:

Message next() {        int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration        int nextPollTimeoutMillis = 0;        for (;;) {           
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) { final long now = SystemClock.uptimeMillis(); Message prevMsg = null; Message msg = mMessages;
if (msg != null && msg.target == null) { 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; msg.markInUse(); return msg; } } else {
nextPollTimeoutMillis = -1; }
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); }
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); } } }
pendingIdleHandlerCount = 0; nextPollTimeoutMillis = 0; } }复制代码

先看下关键点1 nativePollOnce,这是个native函数,其主要作用是设置一个定时的睡眠,其参数timeoutMillis,不同的值意义不同

  • timeoutMillis =0 :无需睡眠,直接返回
  • timeoutMillis >0 :睡眠如果超过timeoutMillis,就返回
  • timeoutMillis =-1:一直睡眠,知道其他线程唤醒它

next函数中,nextPollTimeoutMillis初始值=0 ,所以for循环第一次是一定不会阻塞的,如果能找到一个Delay倒计时结束的消息,就返回该消息,否则,执行第二次循环,睡眠等待,直到头部第一个消息Delay时间结束,所以next函数一定会返回一个Message对象。再看MessageQueue的nativePollOnce函数之前,先走通整个流程,接着看关键点2,这里其实是牵扯到一个互斥的问题,防止多个线程同时从消息队列取消息,关键点3主要是看看是否需要处理异步消息,关键点4,是常用的入口,看取到的消息是不是需要立即执行,需要立即执行的就返回当前消息,如果需要等待,计算出等待时间。最后,如果需要等待,还要查看,IdleHandler列表是否为空,不为空的话,需要处理IdleHandler列表,最后,重新计算一遍。

接着分析nativePollOnce函数,该函数可以看做睡眠阻塞的入口,该函数是一个native函数,牵扯到native层的Looper与MessageQueue,因为java层的MessageQueue只是一个简单的类,没有处理睡眠与唤醒的机制,首先看一下Java层MessageQueue构造函数,这里牵扯到后面的线程阻塞原理:

MessageQueue(boolean quitAllowed) {    mQuitAllowed = quitAllowed;    mPtr = nativeInit();}复制代码

MessageQueue的nativeInit函数在Native层创建了NativeMessageQueue与Looper,不过对于Java层来说,Native层的NativeMessageQueue只用来处理线程的睡眠与唤醒,Java层发送的消息还是在Java层被处理

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
(nativeMessageQueue);}NativeMessageQueue::NativeMessageQueue() : mPollEnv(NULL), mPollObj(NULL), mExceptionObj(NULL) { mLooper = Looper::getForThread(); if (mLooper == NULL) { mLooper = new Looper(false); Looper::setForThread(mLooper); }}Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) : mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks), mSendingMessage(false), mPolling(false), mEpollFd(-1), mEpollRebuildRequired(false), mNextRequestSeq(0), mResponseIndex(0), mNextMessageUptime(LLONG_MAX) {
mWakeEventFd = eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC); AutoMutex _l(mLock); rebuildEpollLocked();}void Looper::rebuildEpollLocked() {if (mEpollFd >= 0) { close(mEpollFd);}mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);struct epoll_event eventItem;memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event)); // zero out unused members of data field unioneventItem.events = EPOLLIN;eventItem.data.fd = mWakeEventFd;int result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeEventFd, & eventItem);for (size_t i = 0; i < mRequests.size(); i++) { const Request& request = mRequests.valueAt(i); struct epoll_event eventItem; request.initEventItem(&eventItem); int epollResult = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, request.fd, & eventItem); if (epollResult < 0) { ALOGE("Error adding epoll events for fd %d while rebuilding epoll set: %s", request.fd, strerror(errno)); }}复制代码

}

看一下关键点1,这里其实是采用了Linux的新API,这里用的是7.0的源码,eventfd函数会创建一个eventfd,这是一个计数器相关的fd,计数器不为零是有可读事件发生,read以后计数器清零,write递增计数器;返回的fd可以进行如下操作:read、write、select(poll、epoll)、close,现在我们知道了,Native层有也有一套MessageQueue与Looper,简单看一下Java层如何使用Native层对象的,接着走nativePollOnce

static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env, jobject obj,        jlong ptr, jint timeoutMillis) {    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast
(ptr); nativeMessageQueue->pollOnce(env, obj, timeoutMillis);}void NativeMessageQueue::pollOnce(JNIEnv* env, jobject pollObj, int timeoutMillis) { mPollEnv = env; mPollObj = pollObj; mLooper->pollOnce(timeoutMillis); mPollObj = NULL; mPollEnv = NULL;}复制代码

所以最终调用Looper::pollOnce,Java层有自己的消息队列,pollOnce也没有更新Java层对象,那么Native层的消息队里对于Java层有什么用呢,其实只有睡眠与唤醒的作用,比如2.3之前的版本,Native层的MessageQueue都不具备发送消息的能力。不过后来Native添加了发送消息的功能,但是日常开发我们用不到,不过如果native层如果有消息,一定会优先执行native层的消息

int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData) {    int result = 0;            ...        result = pollInner(timeoutMillis);    }}复制代码

pollInner 函数比较长,主要是通过利用epoll_wait监听上面的管道或者eventfd,等待超时或者其他线程的唤醒,不过多分析

int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {       mPolling = true;        
struct epoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS]; int eventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);
mPolling = false; mLock.lock();
for (int i = 0; i < eventCount; i++) { int fd = eventItems[i].data.fd; uint32_t epollEvents = eventItems[i].events;
if (fd == mWakeEventFd) { if (epollEvents & EPOLLIN) { awoken(); } else { } } else {
} }复制代码

以上牵扯到Linux中的, 用一句话概括:线程阻塞监听多个fd句柄,其中一个fd有写入操作,当前线程就被唤醒。这里不用太过于纠结,只要理解,这是线程间通信的一种方式,为了处理多线程间生产者与消费者通信模型用的,看下7.0源码中native层实现的同步逻辑:

Looper Java层与native层关系7.0.jpg

在更早的Android版本中,同步逻辑是利用管道通信实现的,不过思想是一致的,看一下4.3的代码

Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) :        mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks), mSendingMessage(false),        mResponseIndex(0), mNextMessageUptime(LLONG_MAX) {    int wakeFds[2];    int result = pipe(wakeFds);    mWakeReadPipeFd = wakeFds[0];    mWakeWritePipeFd = wakeFds[1];    result = fcntl(mWakeReadPipeFd, F_SETFL, O_NONBLOCK);    result = fcntl(mWakeWritePipeFd, F_SETFL, O_NONBLOCK);    // Allocate the epoll instance and register the wake pipe.    mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mEpollFd < 0, "Could not create epoll instance.  errno=%d", errno);    struct epoll_event eventItem;    memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event)); // zero out unused members of data field union    eventItem.events = EPOLLIN;    eventItem.data.fd = mWakeReadPipeFd;    result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeReadPipeFd, & eventItem);}复制代码

Looper Java层与native层关系4.3.jpg

小结

  • loop线程睡眠的原理 :在MessageQueue中找到下一个需要执行的消息,没有消息的话,需要无限睡眠等待其他线程插入消息唤醒,如果有消息,计算出执行下一个消息需要等待的时间,阻塞等待,直到超时。
  • Java层与Native层两份消息队列:Java层的主要是为了业务逻辑,native层,主要为了睡眠与唤醒
  • 睡眠与唤醒的实现手段:早期版本通过管道,后来如6.0、7.0的版本,是通过eventfd来实现,思想一致。

转载地址:http://zvhnx.baihongyu.com/

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