Android 8.1 Handler 原始碼解析
阿新 • • 發佈：2019-01-04
原始碼解析，如需轉載，請註明作者：Yuloran (t.cn/EGU6c76)
一. 前言
基於Android 8.1（API27） 原始碼，分析 Handler 的工作流程。
在 Android 系統中，Zygote 程序是首個 java 程序，同時也是所有 java 程序的父程序。上層應用開發工程師所關注的 App 程序 fork 自 Zygote 程序，App 程序建立後最後會通過反射，呼叫 ActivityThread 的 main() 方法，進而初始化主執行緒的 looper 和 handler。
二. 主執行緒 Looper 初始化
2.1 ActivityThread.main
ActivityThread.java
public static void main(String[] args) {
// 省略...
// 初始化 UI 執行緒的 looper 物件
Looper.prepareMainLooper();
// 初始化 ActivityThread，進而初始化其成員變數 mH(Handler子類)
ActivityThread thread = new ActivityThread();
// 將 ApplicationThread(Binder) 物件 attach 到 ActivityManagerService(AMS) 2.2 Looper.prepareMainLooper
Looper.java
public static void prepareMainLooper() {
// 初始化主執行緒 looper，不允許退出 2.3 Looper.prepare
Looper.java
// sThreadLocal 為 ThreadLocal<Looper> 型別的靜態變數
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
// 一個執行緒只能有一個 looper 物件，否則丟擲異常
if (sThreadLocal.get() != null) {
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
// 此處實際是將 looper 物件儲存到了 Thread.java 的成員變數 threadLocals（ThreadLocalMap） 中
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
複製程式碼sThreadLocal 物件是 Looper.java 中的靜態變數，故只要 Looper.class 不被 jvm 解除安裝，該變數就不會重新初始化。
2.4 Looper
Looper.java
private Looper(boolean quitAllowed) {
// 初始化 MessageQueue，因為一個執行緒只有一個 looper，所以也只有一個 MessageQueue 物件
// 無論 new 多少個 Handler，其成員變數 mQueue 物件皆指向此處建立的 mQueue 物件
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
複製程式碼2.5 ThreadLocal.set
ThreadLocal.java
public void set(T value) {
// 入參 values 是上面新建的 looper 物件
Thread t = Thread.currentThread();
// 獲取當前執行緒的成員變數 threadLocals
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 此時 map == null
if (map != null)
map.set(this, value);
else
// 走這個分支
createMap(t, value);
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
// 入參 firstValue 是上面新建的 looper 物件
// 建立一個 ThreadlocalMap 物件，並把 looper 存至其中，最後賦值給成員變數 threadLocals
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
複製程式碼ThreadLocal 是一個泛型類，此處泛型為 Looper，它能實現每個執行緒擁有各自的 looper 而不產生競爭的原因是：它將每個執行緒的 looper 儲存到了各自的成員變數 threadLocals 中。
2.6 ThreadLocalMap
Thread.java
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
// 儲存 looper 物件
table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
size = 1;
setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}
複製程式碼ThreadLocalMap 是自定義的一個數據結構，由陣列實現，其元素型別為 Entry。Entry 儲存一個鍵值對，key 始終為ThreadLocal<?> 型別，value 為 Object 型別。此處 key 即為 Looper.java 中的靜態變數 sThreadLocals，而 value 為之前建立的 looper 物件。
2.7 sMainLooper
Looper.java
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
// 初始化 sMainLooper，便於通過 new Handler(Looper.getMainLooper()) 方式向主執行緒發訊息
sMainLooper = myLooper();
}
}
public static @Nullable Looper myLooper() {
return sThreadLocal.get();
}
複製程式碼2.8 ThreadLocal.get
ThreadLocal.java
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
// 獲取當前執行緒的 threadLocals 物件，此處為 UI 執行緒
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 已經呼叫 prepare(false)，此處 map 不為 null
if (map != null) {
// 這個 this 就是 sThreadLocal
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
// 此處 value 為 Object 型別，需要強轉為 Looper 型別
T result = (T)e.value;
// 返回該執行緒的 looper 物件
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
複製程式碼至此，UI 執行緒的 looper 物件已經建立並且儲存到了 UI 執行緒的 threadLocals 物件中，並且賦值給了 Looper.java 的靜態變數 sMainLooper，以便在其它執行緒中，通過 new Handler(Looper.getMainLooper()) 方式向主執行緒發訊息。接下來看 Handler 的初始化。
三. Handler 初始化
3.1 Handler
Hanlder.java
public Handler() {
this(null, false);
}
public Handler(Callback callback, boolean async) {
// 省略...
// Handler 在哪個執行緒建立，取出來的就是哪個執行緒的 looper
mLooper = Looper.myLooper();
// 未呼叫 Looper.prepare() 的執行緒，無法建立 Handler
if (mLooper == null) {
throw new RuntimeException(
"Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
}
// 指向建立 looper 時所建立的 MessageQueue 物件
mQueue = mLooper.mQueue;
mCallback = callback;
mAsynchronous = async;
}
複製程式碼沒有 looper 就無法建立 Handler，同樣建立 Handler 時也可以為其指定 looper。
四. Handler 傳送訊息
4.1 Handler.sendEmptyMessage
Handler.java
public final boolean sendEmptyMessage(int what)
{
return sendEmptyMessageDelayed(what, 0);
}
public final boolean sendEmptyMessageDelayed(int what, long delayMillis) {
// 從物件池中取出一個 Message 物件
// 注：Message 物件使用後會被回收進物件池（大小為50），以便下次複用
Message msg = Message.obtain();
msg.what = what;
return sendMessageDelayed(msg, delayMillis);
}
public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
{
// 入參保護
if (delayMillis < 0) {
delayMillis = 0;
}
// 立即傳送訊息
return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}
public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {
// mQueue 就是這個 handler 所線上程對應的 looper 物件中的 mQueue 物件
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) {
// 將 handler 物件賦值給 msg 的 target
msg.target = this;
// mAsynchronous 預設是 false
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
// 呼叫 MessageQueue 的 enqueueMessage() 將訊息投入 MessageQueue
// 注：不想翻譯成訊息佇列，因為一般說訊息佇列指的是 Linux IPC 方式的一種。
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
複製程式碼4.2 MessageQueue.enqueueMessage
MessageQueue.java
// MessageQueue 是由單向連結串列實現的、總是按照 msg.when 升序排序的佇列。
// 其成員變數 mMessages 代表表頭。
Message mMessages;
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");
Log.w(TAG, e.getMessage(), e);
msg.recycle();
return false;
}
msg.markInUse();
msg.when = when;
// 初始狀態下，mMessages 為 null
Message p = mMessages;
boolean needWake;
// 如果表頭為 null 或者新訊息的 when 小於表頭的 when，進入這個分支
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
// 入參 msg 的下一個節點指向當前表頭，即入參 msg 成為新的表頭
msg.next = p;
// 代表表頭的成員變數重新賦值
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
// 如果表頭不為 null 且新訊息的 when 大於等於 表頭的 when，則進入這個分支
needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
// 遍歷連結串列，找出下一節點為 null(即表尾) 或者 when 大於等於新訊息 when 的節點
Message prev;
for (;;) {
prev = p;
p = p.next;
if (p == null || when < p.when) {
break;
}
if (needWake && p.isAsynchronous()) {
needWake = false;
}
}
// 如果未找到 when 大於等於新訊息 when 的節點，則將 msg 追加到表尾。
// 否則將 msg 插入到該結點之前
msg.next = p; // invariant: p == prev.next
prev.next = msg;
}
// We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
if (needWake) {
// 新訊息入隊，需要喚醒，nativePollOnce() 才能返回
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
複製程式碼MessageQueue 是由單向連結串列實現的，總是按照 msg.when 升序排序的佇列。新發送的訊息會插入到傳送時間比它晚的訊息之前。
五. Handler 處理訊息
5.1 Looper.loop()
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;
// 迴圈讀取訊息並處理，無訊息時阻塞。這種寫法是最常用的 Linux IO 操作方式。
for (;;) {
// 取出一個訊息，若沒有訊息要處理，則阻塞
Message msg = queue.next(); // 可能阻塞
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
final long traceTag = me.mTraceTag;
if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
}
try {
// 呼叫 handler 的 dispatchMassage() 分發訊息
msg.target.dispatchMessage(msg);
end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
// 回收進物件池
msg.recycleUnchecked();
}
}
複製程式碼5.2 MessageQueue.next()
MessageQueue.java
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;
// 注意此處也是一個 for 迴圈
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
// native 層阻塞函式，nextPollTimeoutMillis 為超時時間，首次迴圈時值為0，即直接返回
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
// Try to retrieve the next message. Return if found.
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
// 待取的訊息就是表頭，如果表頭沒到處理時間就阻塞
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) {
// 下一個訊息還沒到處理時間，則設定超時時間為還需等待的時間，進入阻塞狀態.
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
// Got a message.
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
// 下一個節點成為表頭
mMessages = msg.next;
}
// msg 需要取走處理，故需要從連結串列中斷開
msg.next = null;
if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
// 標記為使用中
msg.markInUse();
// 返回要處理的訊息
return msg;
}
} else {
// 沒有訊息要處理，超時時長為-1，迴圈並等待
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 標記為 true，進入阻塞狀態，有新訊息入隊時，會呼叫 nativeWake() 喚醒
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;
}
}
複製程式碼5.3 Handler.dispatchMessage###
Handler.java
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
// 如果 msg 的 callback 不為 null，則執行 msg 的 callback
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
// 如果 handler的 callback 不為 null，則執行 handler的 callback
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
// 如果 callback 的 handleMessage() 返回 true，則不再呼叫 handler 的 handleMessage()
return;
}
}
// 呼叫 handler 的 handleMessage()
handleMessage(msg);
}
}
複製程式碼六. 總結
- 一個執行緒只有一個 looper 和 一個 messageQueue，handler 可以建立無數個
- MessageQueue 是單向連結串列實現的，新訊息入隊時，會根據 when 找到合適的位置並插入（即總是按照 msg.when 升序）
- Message 運用了物件池技術，可通過 obtain()、recycle() 獲取和回收訊息
- 沒有訊息處理時，執行緒會被掛起，直到有新訊息時才會被喚醒執行，底層是通過 IO 多路複用機制中的 epoll 實現的，詳見 MIUI 系統工程師 Gityuan 的 Android訊息機制2-Handler(Native層)。
- 除了 Java 層有訊息需要處理，Native 層也有自己的訊息需要處理，二者是獨立的，只不過共用了 Native 層的 MessageQueue 和阻塞喚醒機制。由於訊息處理流程總是先處理 Native Message，再處理 Native Request，最後處理 Java Message，所以有時候 Java 層訊息很少，但響應時間卻較長：
圖片來自 MIUI 系統工程師 Gityuan 的 Android訊息機制2-Handler(Native層)。