Android Handler原理

HFW發表於2019-04-01
Android

前言

Handler訊息處理機制在Android開發中起著舉足輕重的作用，我們有必要好好理解下其原理，先前我寫的一篇文章，感覺疏漏了好多東西，因此打算寫這篇文章，下面我們先從一個簡單的例子出發

一、日常使用

假設我們有這麼一個需要，請求網路然後將圖片展示出來，我們知道網路請求是不允許在主執行緒執行的，而UI是不能在子執行緒(具體是不允許在非建立UI的原始執行緒)更新的，因此我們需要在子執行緒請求網路獲得了資料以後再切換回主執行緒更新UI，這個例子中Handler就是起著切換執行緒的作用，下面的程式碼演示了這個例子

class MainActivity : AppCompatActivity() {
    private lateinit var mImageView: ImageView
    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_main)
        mImageView = findViewById(R.id.iv)
        loadImage()
    }
    private fun loadImage() {
        Thread {
            val url = URL("https://img-my.csdn.net/uploads/201309/01/1378037235_7476.jpg")
            val conn = url.openConnection()
            val bitmap = BitmapFactory.decodeStream(conn.inputStream)
            runOnUiThread {
                mImageView.setImageBitmap(bitmap)
            }
        }.start()
    }
}
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咦！，說好的Handler去哪了？這裡的runOnUIThread方法內部實現其實就是利用了Handler，我們來看看它的原始碼

public final void runOnUiThread(Runnable action) {
    if (Thread.currentThread() != mUiThread) {
        mHandler.post(action);
    } else {
        action.run();
    }
}
複製程式碼

該方法首先判斷了當前執行緒是否是主執行緒，如果不是主執行緒就呼叫mHandler.post()，如果當前執行緒就是主執行緒就直接執行，下面我們來分析看看Handler的原理

二、Handler原理

要想分析Handler的原理，我們先從Handler的建立過程開始分析

Handler的建立

Activity的這個mHandler是怎麼來的呢？原來mHandler是Activity的成員變數，在Activity例項建立的時候就建立了

final Handler mHandler = new Handler();
複製程式碼

接著看看Handler的構造方法

public Handler() {
    this(null, false);
}
public Handler(Callback callback, boolean async) {
    if (FIND_POTENTIAL_LEAKS) {
        final Class<? extends Handler> klass = getClass();
        if ((klass.isAnonymousClass() || klass.isMemberClass() || klass.isLocalClass()) &&
                (klass.getModifiers() & Modifier.STATIC) == 0) {
            Log.w(TAG, "The following Handler class should be static or leaks might occur: " +
                klass.getCanonicalName());
        }
    }
    mLooper = Looper.myLooper();
    if (mLooper == null) {
        throw new RuntimeException(
            "Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
                    + " that has not called Looper.prepare()");
    }
    mQueue = mLooper.mQueue;
    mCallback = callback;
    // 代表傳送的訊息是否是非同步的
    mAsynchronous = async;
}
複製程式碼

首先判斷了該Handler派生類是否是非靜態內部類，如果是的話就列印出日誌提示可能導致記憶體洩露，然後呼叫了Looper.myLooper獲取到當前執行緒的Looper物件，如果當前執行緒沒有Looper就會丟擲異常，最後將Looper中的MessageQueue物件賦值給mQueue，callback賦值給mCallback，aync賦值給mAsynchronous，我們來看看Looper.myLooper做了些什麼

public static @Nullable Looper myLooper() {
    return sThreadLocal.get();
}
複製程式碼

從ThreadLocal裡面去Looper，那麼是在哪裡把Looper設定到ThreadLocal裡面去的呢？其實Looper提供了prepare方法來建立當前執行緒的Looper，我們來看看程式碼

public static void prepare() {
    // 表示允許退出迴圈
    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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只有在當前執行緒拿不到Looper的時候才會去建立Looper物件並將其設定到ThreadLocal中去，不然就丟擲異常說一個執行緒只能擁有一個Looper，繼續看看Looper的構造方法

// 這裡的quitAllowed是true
private Looper(boolean quitAllowed) {
    mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
    mThread = Thread.currentThread();
}
複製程式碼

又建立了一個MessageQueue物件，繼續看看它的構造方法

// 這裡的quitAllowed是true
MessageQueue(boolean quitAllowed) {
    mQuitAllowed = quitAllowed;
    mPtr = nativeInit();
}
複製程式碼

呼叫了一個Native方法就結束了，其實mPtr是NativeMessageQueue與MessageQueue之間的橋樑內部會呼叫epoll.create()、epoll.ctl()，暫時不看native層程式碼

原始碼看到這裡就會產生一個疑問，既然建立Handler的時候判斷了當前執行緒的Looper是否為null，為null就會丟擲異常，那麼Activity的Handler是怎麼建立成功的呢？其實在Activity例項建立前主執行緒就已經有Looper物件了，這個得從ActivityThread開始說起。ActivityThread是一個應用程式的入口裡面有一個main方法，我們來看看

// 忽略其它程式碼
public static void main(String[] args) {
    ...
    Looper.prepareMainLooper();
    Looper.loop();
    ...
}
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Looper.loop()後面會講到先忽略，main方法內部呼叫了Looper.prepareMainLooper()這個方法跟上面講到的Looper.prepare()有什麼異同點呢？我們來看看它的原始碼

public static void prepareMainLooper() {
    prepare(false);
    synchronized (Looper.class) {
        if (sMainLooper != null) {
            throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
        }
        sMainLooper = myLooper();
    }
}
複製程式碼

prepare方法前面已經分析過了但是主執行緒是不允許退出的，所以傳入了false，後面判斷了如果sMainLooper不為空那麼就丟擲異常，至此主執行緒的Looper建立成功這也就解釋了為什麼Activity中可以直接建立Handler，接著我們分析那個post方法幹了些什麼事情

Handler的訊息傳送

Handler提供了很多方法用於傳送訊息，比如以下幾種

  • sendEmptyMessage(int what) 傳送一個空訊息，what用於判斷訊息類別
  • sendEmptyMessageDelayed(int what, long delayMillis) 傳送一個空訊息，延遲delayMillis毫秒執行，what用於判斷訊息類別
  • sendEmptyMessageAtTime(int what, long uptimeMillis) 傳送一個空訊息，在uptimeMillis的時候執行，what用於判斷訊息類別
  • sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis) 傳送一個訊息，延遲delayMillis毫秒執行
  • sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) 傳送一個訊息，在uptimeMillis的時候執行
  • sendMessageAtFrontOfQueue(Message msg) 傳送一個訊息，該訊息會排在訊息佇列的隊首
  • executeOrSendMessage(Message msg) 如果Handler中的Looper與當前執行緒的Looper一致就直接分開訊息，不然就傳送一個訊息

我們繼續著看post方法的實現

public final boolean post(Runnable r) {
   return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}
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其實post方法內部也就是傳送了一個訊息

private static Message getPostMessage(Runnable r) {
    // message內部維護了一個Message連結串列，以達到複用的目的，記得不要直接new
    Message m = Message.obtain();
    m.callback = r;
    return m;
}
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);
}
複製程式碼

最終呼叫到了sendMessageAtTime，其實幾乎所有傳送訊息的方法最終都會呼叫到該方法，繼續看enqueueMessage的實現

private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
    msg.target = this;
    if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
複製程式碼

這裡將本Handler的例項賦值給了msg.target，這個很重要以後會用到，然後判斷下當然Handler是否是非同步的，是的話就將訊息設定成非同步，我們這裡不是非同步的，接著繼續看enqueueMessage

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;
        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 {
            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;
}
複製程式碼

該方法首先判斷了msg.target是否為空，這個我們剛才看到已經設定了，然後判斷msg是否正在被使用，然後再判斷訊息佇列是否已經退出了，如果已經退出了就將msg回收並丟擲個異常，下面那個同步程式碼塊其實處理的邏輯就是將msg放入到訊息佇列中去，插入過程分為以下兩步，至於needWake是用於判斷是否要喚醒處於nativePollOnce而阻塞的Message.next方法

  • 如果滿足p == null || when == 0 || when < p.when其實也就是如果訊息佇列的頭指標為空，或者當前訊息的執行時間為0，或者當前訊息的執行時間先與訊息佇列隊首的執行時間，那麼將當前msg當做頭指標
  • 如果不滿足第一種情況就根據當前msg.when決定插入的位置

現在已經將訊息放到的訊息佇列中，但是什麼時候這個訊息才能得到執行呢？這就要看看前面跳過的ActivityThread的main方法中的Looper.loop()

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;
    boolean slowDeliveryDetected = false;
    for (;;) {
        Message msg = queue.next(); // might block
        if (msg == null) {
            return;
        }
        final Printer logging = me.mLogging;
        if (logging != null) {
            logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
                    msg.callback + ": " + msg.what);
        }
        final long traceTag = me.mTraceTag;
        long slowDispatchThresholdMs = me.mSlowDispatchThresholdMs;
        long slowDeliveryThresholdMs = me.mSlowDeliveryThresholdMs;
        if (thresholdOverride > 0) {
            slowDispatchThresholdMs = thresholdOverride;
            slowDeliveryThresholdMs = thresholdOverride;
        }
        final boolean logSlowDelivery = (slowDeliveryThresholdMs > 0) && (msg.when > 0);
        final boolean logSlowDispatch = (slowDispatchThresholdMs > 0);
        final boolean needStartTime = logSlowDelivery || logSlowDispatch;
        final boolean needEndTime = logSlowDispatch;
        if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
            Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
        }
        final long dispatchStart = needStartTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
        final long dispatchEnd;
        try {
            msg.target.dispatchMessage(msg);
            dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
        } finally {
            if (traceTag != 0) {
                Trace.traceEnd(traceTag);
            }
        }
        if (logSlowDelivery) {
            if (slowDeliveryDetected) {
                if ((dispatchStart - msg.when) <= 10) {
                    Slog.w(TAG, "Drained");
                    slowDeliveryDetected = false;
                }
            } else {
                if (showSlowLog(slowDeliveryThresholdMs, msg.when, dispatchStart, "delivery",
                        msg)) {
                    // Once we write a slow delivery log, suppress until the queue drains.
                    slowDeliveryDetected = true;
                }
            }
        }
        if (logSlowDispatch) {
            showSlowLog(slowDispatchThresholdMs, dispatchStart, dispatchEnd, "dispatch", msg);
        }
        if (logging != null) {
            logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
        }
        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();
    }
}
複製程式碼

這個程式碼有點長，主要流程如下

  • 首先判斷一下當前執行緒是否包含Looper不包含就丟擲異常
  • 呼叫MessageQueue的next方法獲取Message，如果返回了null，標誌了MessageQueue已經退出了，所以Looper也要退出
  • 獲取Looper中的mLogging用於列印日誌，我們可以通過setMessageLogging進行設定，設定後每次收到訊息和訊息處理完畢都會有日誌我們可以根據這些日誌分析ANR是由於處理哪個訊息超時造成的
  • 設定慢分發時間和慢交付時間，可以通過adb進行設定，慢分發時間表示如果這個訊息的實際執行時間比其設定的slowDeliveryThresholdMs要長就會列印警告日誌，慢交付時間表示這個訊息從訊息佇列取出時間比其設定的when超過slowDispatchThresholdMs就會列印警告日誌
  • 記錄開始分發的時間
  • 呼叫msg.target.dispatchMessage進行分發訊息，其中msg.target就是一個Handler例項，上文說到過的
  • 記錄結束分發的時間
  • 根據實際情況列印日誌
  • 回收msg

loop方法呼叫queue.next取出訊息，我們來看看該方法的實現

Message next() {
    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) {
            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) {
                    nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                } else {
                    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;
            }
            if (mQuitting) {
                dispose();
                return null;
            }
            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);
                }
            }
        }
        pendingIdleHandlerCount = 0;
        nextPollTimeoutMillis = 0;
    }
}
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該方法主要流程如下

  • 呼叫nativePollOnce，阻塞等待下一個可執行訊息，該方法離開阻塞
  • 判斷第一個訊息的target是否為空，如果不為空表示是一個普通的訊息，如果為空則表示是一個同步屏障訊息(在螢幕重新整理的時候會傳送)，遍歷訊息佇列找到第一個非同步訊息賦值給msg
  • 判斷msg是否為空，如果為空那麼進行無超時的等待，直到被喚醒
  • 判斷msg是否到了執行時間，如果不到就執行阻塞等待msg.when - now，如果已經到了就將該訊息返回
  • 如果訊息佇列已經退出就返回null

拿到了訊息以後就呼叫了handler.dispatchMessage我們來看看其實現

public void dispatchMessage(Message msg) {
    if (msg.callback != null) {
        handleCallback(msg);
    } else {
        if (mCallback != null) {
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        handleMessage(msg);
    }
}
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首先判斷是否該Message是否設定了callBack，設定了就直接執行，然後判斷Handler是否設定了callBack，設定了就呼叫callback.handleMessage如果返回false，繼續呼叫handleMessage

三、總結

  • Handler的作用就是把想要執行的操作從當前執行緒切換到Handler中Looper所在的執行緒進行執行
  • 每次通過Handler傳送訊息其實就是把訊息插入到了訊息佇列中，然後根據情況判斷是否要喚醒處於呼叫nativePollOnce阻塞狀態的執行緒

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