Android訊息機制原始碼解讀
- 不要心急,一點一點的進步才是最靠譜的。
讀完本文你將瞭解:
前言
本來我以為自己很瞭解 Handler,在印象中 Android 訊息機制無非就是:
- Handler 給 MessageQueue 新增訊息
- 然後 Looper 無限迴圈讀取訊息
- 再呼叫 Handler 處理訊息
整體的流程有了,但是一直沒有結合原始碼捋一捋。
直到有一天在使用 Handler 傳送訊息時遇到了一個問題:
This message is already in use.
這才去翻了翻原始碼,今天總結一下。
Android 訊息機制主要涉及 4 個類:
Message
MessageQueue
Handler
Looper
我們依次結合原始碼分析一下。
Message
“訊息機制”,其中要傳遞的就是 Message,官方對它的描述是:
包含任意型別的物件和描述資訊,可以被髮送給 Handler。
Message
的主要屬性如下:
//用來標識一個訊息,接收訊息方可以根據它知道這個訊息是做什麼的
public int what;
//如果你的訊息要傳遞的資料是整型的,可以直接使用 arg1 和 arg2,而不需要使用構造一個 Bundle
public int arg1;
public int arg2;
//一個任意型別的物件,在使用 Messenger 跨程序傳遞訊息時,通常使用它傳遞給接收者
//在其他場景下我們一般使用 setData() 方法
public Object obj;
//負責回覆訊息的 Messenger,有的場景下(比如接受者、傳送者模型)需要使用它
public Messenger replyTo;
//當前訊息的標誌,只在被 Messenger 傳遞訊息時使用,其他情況下都是 -1
public int sendingUid = -1;
//標識當前訊息是否在被使用
//當一個訊息入隊時這個標誌會被改變,在被重新獲取後重置
//當一個訊息已經在被使用時,二次入隊或者回收會報錯(這就是我前言中提到的錯誤原因)
/*package*/static final int FLAG_IN_USE = 1 << 0;
//標識當前 訊息是否是非同步的
/*package*/static final int FLAG_ASYNCHRONOUS = 1 << 1;
//在 copyFrom 方法中要清除的標誌
/*package*/static final int FLAGS_TO_CLEAR_ON_COPY_FROM = FLAG_IN_USE;
/*package*/int flags;
/*package*/long when;
//很關鍵的資料部分
/*package*/Bundle data;
//傳送和處理訊息關聯的 Handler
/*package*/Handler target;
//訊息的回撥
/*package*/Runnable callback;
//在有些場景下還會以連結串列的形式關聯後一個訊息
/*package*/Message next;
//訊息池
private static final Object sPoolSync = new Object();
private static Message sPool; //回收訊息連結串列
private static int sPoolSize = 0;
private static final int MAX_POOL_SIZE = 50;
private static boolean gCheckRecycle = true;
Pasted from: http://book2s.com/java/src/package/android/os/message.html#a940ebe121994bfb7f9629bca79beab6
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可以看到,Message 中比較關鍵的屬性有:
- 標識幹什麼的 what
- 兩個簡易的整型資料儲存物件 arg1 arg2
- 儲存複雜點的物件 Bundle
- 跨程序通訊繫結資料的 object
- 與之關聯的 Handler
- 還有一些標誌位,和訊息池什麼的
如何獲取一個訊息
訊息機制最開始肯定需要構建一個訊息。
雖然 Message 的建構函式是 public
的,但是官方還是建議我們使用以下 2 種方式獲取一個 Message 物件:
Message.obtain()
Handler.obtainMessage()
原因是這兩個方法會從一個訊息回收池裡獲取訊息,而不是新建一個,這樣可以節省記憶體。
Handler.obtainMessage()
也是呼叫的 Message.obtain()
:
public final Message obtainMessage() {
return Message.obtain(this);
}
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去看一下 Message.obtain()
原始碼。
Message.obtain()
Message.obtain()
有 7 個過載方法,基本就是在獲取一個 Message 物件的同時直接賦值:
我們選最複雜的一個看下原始碼:
public static Message obtain(Handler h, int what, int arg1, int arg2,
Object obj) {
Message m = obtain();
m.target = h;
m.what = what;
m.arg1 = arg1;
m.arg2 = arg2;
m.obj = obj;
return m;
}
Pasted from: http://book2s.com/java/src/package/android/os/message.html#50de1a696587dcd5ae3c91eb63985af2
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的確就是在 obtainI()
的基礎上加了一些賦值。
Message.obtain()
原始碼如下:
public static Message obtain() {
synchronized (sPoolSync) {
if (sPool != null) {
Message m = sPool;
sPool = m.next;
m.next = null;
m.flags = 0; // 獲取一個複用的訊息時,會重置標誌位,之前它是 FLAG_IN_USE
sPoolSize--;
return m;
}
}
return new Message();
}
Pasted from: http://book2s.com/java/src/package/android/os/message.html#62dadbbac34056e7ad4fad36d757d6ef
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可以看到,這個方法會獲取前面提到的 private static Message sPool;
,如果 sPool
存在就從複用訊息連結串列頭部取一個訊息,然後重置它的標誌位;如果不存在複用訊息連結串列就新建一個訊息。
那什麼時候往訊息池中新增訊息呢?
訊息的回收利用
訊息的回收在 Message.recyclerUnchecked()
方法:
void recycleUnchecked() {
flags = FLAG_IN_USE; //當前訊息被回收時,會標誌為 FLAG_IN_USE
what = 0;
arg1 = 0;
arg2 = 0;
obj = null;
replyTo = null;
sendingUid = -1;
when = 0;
target = null;
callback = null;
data = null;
synchronized (sPoolSync) {
if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
next = sPool;
sPool = this;
sPoolSize++;
}
}
}
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可以看到 recycleUnchecked
方法將當前 Message 標誌為 FLAG_IN_USE,這樣如果這個方法在被入隊,就會報錯。此外它還清除了其他資料,然後把這個訊息加入了回收訊息的連結串列中。
那 recycleUnchecked()
什麼時候會被呼叫呢?
在 MessageQueue
和 Looper
中都有。
MessageQueue.removeMessages()
方法:
void removeMessages(Handler h, int what, Object object) {
if (h == null) {
return;
}
synchronized (this) {
Message p = mMessages;
// Remove all messages at front.
while (p != null && p.target == h && p.what == what
&& (object == null || p.obj == object)) {
Message n = p.next;
mMessages = n;
p.recycleUnchecked(); //這裡呼叫了
p = n;
}
// Remove all messages after front.
while (p != null) {
Message n = p.next;
if (n != null) {
if (n.target == h && n.what == what
&& (object == null || n.obj == object)) {
Message nn = n.next;
n.recycleUnchecked(); //這裡也呼叫了
p.next = nn;
continue;
}
}
p = n;
}
}
}
Pasted from: http://book2s.com/java/src/package/android/os/messagequeue.html#0dbba2b975383e8b440199e5d69c73de
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Looper.loop()
方法:
public static void loop() {
//...
for (;;) {
Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
//...
msg.recycleUnchecked();
}
}
Pasted from: http://book2s.com/java/src/package/android/os/looper.html
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至此我們可以看到,一個訊息在被 Looper 處理時或者移出佇列時會被標識為 FLAG_IN_USE
,然後會被加入回收的訊息連結串列,這樣我們呼叫 Message.obtain()
方法時就可以從回收的訊息池中獲取一箇舊的訊息,從而節約成本。
MessageQueue
MessageQueue
管理著一個 Message
的列表,Handlers
為它新增訊息,Looper
從中取訊息。
MessageQueue
的屬性
// 佇列是否可以退出
private final boolean mQuitAllowed;
@SuppressWarnings("unused")
private long mPtr; //底層使用的 code
//訊息連結串列的開頭
Message mMessages;
private final ArrayList<IdleHandler> mIdleHandlers = new ArrayList<IdleHandler>();
private SparseArray<FileDescriptorRecord> mFileDescriptorRecords;
private IdleHandler[] mPendingIdleHandlers;
private boolean mQuitting;
//指出獲取下一個訊息的方法 next() 是否阻塞
private boolean mBlocked;
// Barriers are indicated by messages with a null target whose arg1 field carries the token.
//後一個屏障的 token
private int mNextBarrierToken;
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可以看到,MessageQueue
雖然叫“訊息佇列”,持有的其實是一個訊息連結串列的節點。
何時初始化
MessageQueue
一般不直接訪問,都是通過 Looper.myQueue()
方法獲取一個訊息佇列。
訊息佇列在 Looper 的建構函式中初始化:
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
MessageQueue(boolean quitAllowed) {
mQuitAllowed = quitAllowed;
mPtr = nativeInit();
}
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MessageQueue 的建構函式中傳入一個是否允許中途退出的標誌,然後呼叫 Native 方法初始化。
這篇文章暫不研究 Native 層原始碼。
訊息入隊的過程
訊息入隊的方法是 enqueueMessage()
方法:
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
if (msg.target == null) { //這裡要求訊息必須跟 Handler 關聯
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) { //如果訊息佇列已經退出,還入隊就報錯
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(); //訊息入隊後就標記為 在被使用
msg.when = when;
Message p = mMessages;
boolean needWake;
//新增訊息到連結串列中
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
//之前是空連結串列的時候讀取訊息會阻塞,新新增訊息後喚醒
msg.next = p;
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
//插入訊息到佇列時,只有在佇列頭部有個屏障並且當前訊息是非同步的時才需要喚醒佇列
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;
}
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Message.enqueueMessage()
方法中會檢查入隊的訊息是否在被使用,如果是的話會報錯:
if (msg.isInUse()) {
throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
}
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現在我們清楚了,文章開頭我遇到的:
This message is already in use.
是因為我二次使用了已經在使用的訊息,在入隊時 MessageQueue 檢查發現後報的錯。
所以每次呼叫 Handler.sendMessage()
時,都必須是 obtain()
或者 new 一個新的 Message 物件才行。
此外,如果訊息佇列已經退出,還新增訊息入隊就會報錯。
訊息出隊的過程
訊息出隊的方法是 MessageQueue.next()
方法:
Message next() {
//如果訊息的 looper 退出,就退出這個方法
final long ptr = mPtr;
if (ptr == 0) {
return null;
}
int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
int nextPollTimeoutMillis = 0;
//也是一個迴圈,有合適的訊息就返回,沒有就阻塞
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) { //如果有需要過段時間再處理的訊息,先呼叫 Binder 的這個方法
Binder.flushPendingCommands();
}
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
//獲取下一個訊息
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
Message msg = mMessages; //當前連結串列的頭結點
if (msg != null && msg.target == null) {
//如果訊息沒有 target,那它就是一個屏障,需要一直往後遍歷找到第一個非同步的訊息
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
if (msg != null) {
if (now < msg.when) { //如果這個訊息還沒到處理時間,就設定個時間過段時間再處理
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
// 訊息是正常的、可以立即處理的
mBlocked = false;
//取出當前訊息,連結串列頭結點後移一位
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
mMessages = msg.next;
}
msg.next = null;
if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
msg.markInUse(); //標記這個訊息在被使用
return msg;
}
} else {
// 訊息連結串列裡沒有訊息了
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
//如果收到退出的訊息,並且所有等待處理的訊息都處理完時,呼叫 Native 方法銷燬佇列
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
//有訊息等待過段時間執行時,pendingIdleHandlerCount 增加
if (pendingIdleHandlerCount < 0
&& (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
}
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
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);
}
}
}
// 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;
}
}
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可以看到,MessageQueue.next()
方法裡有一個迴圈,在這個迴圈中遍歷訊息連結串列,找到下一個可以處理的、target 不為空的訊息並且執行時間不在未來的訊息,就返回,否則就繼續往後找。
如果有阻塞(沒有訊息了或者只有 Delay 的訊息),會把 mBlocked這個變數標記為 true,在下一個 Message 進隊時會判斷這個message 的位置,如果在隊首就會呼叫 nativeWake() 方法喚醒執行緒!
其中看到個 IdleHandler
是什麼呢?
public static interface IdleHandler {
//當訊息佇列沒有訊息時會回撥這個方法,阻塞等待有訊息進入
//返回 true 的話表示喚醒阻塞的執行緒,false 表示移除
//如果訊息佇列中有訊息等待在將來執行,也會呼叫這個方法
boolean queueIdle();
}
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根據原始碼和註釋我們可以知道 IdleHandler
是一個執行緒阻塞時回撥的介面。
MessageQueue 中提供了監聽阻塞回調的註冊和移除介面:
public void addIdleHandler(@NonNull IdleHandler handler) {
if (handler == null) {
throw new NullPointerException("Can't add a null IdleHandler");
}
synchronized (this) {
mIdleHandlers.add(handler);
}
}
public void removeIdleHandler(@NonNull IdleHandler handler) {
synchronized (this) {
mIdleHandlers.remove(handler);
}
}
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當訊息佇列阻塞時,會回撥這些監聽阻塞的觀察者,告訴他們:我有空了!來找我玩啊!
在 queueIdle()
中做的操作,它會在 handler 空閒時被呼叫,可以充分利用 handler,我們可以在程式碼裡這樣使用:
Handler handler = new Handler();
try {
Field field = Looper.class.getDeclaredField("mQueue");
field.setAccessible(true);
MessageQueue queue = (MessageQueue) field.get(handler.getLooper());
queue.addIdleHandler(new MessageQueue.IdleHandler() {
@Override
public boolean queueIdle() {
//這裡做一些操作
return true;
}
});
} catch (Exception e) {
}
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Looper
前面介紹了 Android 訊息機制中訊息和訊息佇列,有了傳遞的訊息和儲存的佇列,接下來我們結合原始碼瞭解下進行排程的 Looper。
官方文件對 Looper 的介紹:
Looper 是用於執行一個執行緒中的訊息的類。
Looper 的屬性很簡單:
// sThreadLocal.get() will return null unless you've called prepare().
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
private static Looper sMainLooper; // 主執行緒中的 Looepr
final MessageQueue mQueue; //與之管理的訊息佇列
final Thread mThread; //所在的執行緒
private Printer mLogging;
private long mTraceTag;
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執行緒中預設沒有 Looper,我們需要呼叫 Looper.prepare()
方法為當前執行緒建立一個 Looper,然後就可以呼叫 loop()
方法排程訊息。
樣例程式碼如下:
classLooperThreadextendsThread {
public Handler mHandler;
public void run() {
Looper.prepare();
mHandler = new Handler() {
public void handleMessage(Message msg) {
// process incoming messages here
}
};
Looper.loop();
}
}
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執行緒相關 ThreadLocal
前面講了在一個執行緒中需要呼叫 Looper.prepare()
方法建立一個 Looper:
public static void prepare() {
prepare(true);
}
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));
}
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可以看到,一個執行緒中只能有一個 Looper。
建立一個或者或許當前執行緒的 Looper 都通過 ThreadLocal
,我們來了解下它的主要原始碼。
ThreadLocal.get()
和 ThreadLocal.set()
原始碼:
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null)
return (T)e.value;
}
return setInitialValue();
}
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
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ThreadLocalMap
中持有一個 Entry
的陣列:
private Entry[] table;
static classEntryextendsWeakReference<ThreadLocal> {
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
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可以看到,ThreadLocal
先通過當前執行緒獲取 ThreadLocalMap
,然後在 ThreadLocalMap
中儲存 ThreadLocal
和 資料的關聯。
也就是一個類似 Map
無限迴圈排程
線上程中建立一個 Looper
以後,就可以呼叫 Looper.loop()
迴圈處理訊息了,看下它的原始碼:
/**
* Run the message queue in this thread. Be sure to call
* {@link #quit()} to end the loop.
*/
public static void loop() {
final Looper me = myLooper();
if (me == null) { //當前執行緒必須建立 Looper 才可以執行
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
final MessageQueue queue = me.mQueue;
//底層對 IPC 標識的處理,不用關心
Binder.clearCallingIdentity();
final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
for (;;) { //無限迴圈模式
Message msg = queue.next(); //從訊息佇列中讀取訊息,可能會阻塞
if (msg == null) { //當訊息佇列中沒有訊息時就會返回,不過這隻發生在 queue 退出的時候
return;
}
//...
try {
msg.target.dispatchMessage(msg); //呼叫訊息關聯的 Handler 處理訊息
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
//...
msg.recycleUnchecked(); //標記這個訊息被回收
}
}
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可以看到,Looper.loop()
也很簡單,就是呼叫 MessageQueue.next()
方法取訊息,如果沒有訊息的話會阻塞,直到有新的訊息進入或者訊息佇列退出。
拿到訊息後呼叫訊息關聯的 Handler 處理訊息。
可以看到,Looper 並沒有執行訊息,真正執行訊息的還是新增訊息到佇列中的那個 Handler,真應了那句:解鈴還須繫鈴人啊!
如何停止
loop()
原始碼中的註釋就提醒我們,開啟迴圈排程訊息後不要忘記呼叫 quit()
方法結束迴圈。
Looper.quit() 和 quitSafely ()
原始碼:
public void quit() {
mQueue.quit(false);
}
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