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：
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 handler=new Handler(); <关键点2> handler.post(new Runnable() { @Override public void run() { //TODO } });
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; }
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)); }
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(); }
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handler.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(); }
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); }
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) { <!--关键点1--> msg.next = p; mMessages = msg; needWake = mBlocked; } else { <!--关键点2--> 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; } <!--关键点3--> if (needWake) { nativeWake(mPtr); } } return true; }
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() { `<!--关键点1 确保MessageQueue准备好--> final Looper me = myLooper(); if (me == null) { throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread."); } ... <!--关键点2--> for (;;) { <!--关键点3 获取一个消息，如果队列为空，阻塞等待--> Message msg = queue.next(); // might block if (msg == null) { // No message indicates that the message queue is quitting. return; } <!--关键点4 执行消息回调--> msg.target.dispatchMessage(msg); ... <!--关键点5 清理，回收到缓存池--> msg.recycleUnchecked(); } }
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 (;;) { <!--关键点1 是否需要阻塞等待，第一次一定不阻塞--> nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis); <!--关键点2 同步互斥--> synchronized (this) { final long now = SystemClock.uptimeMillis(); Message prevMsg = null; Message msg = mMessages; <!--关键点3 是否存在barier--> if (msg != null && msg.target == null) { do { prevMsg = msg; msg = msg.next; } while (msg != null && !msg.isAsynchronous()); } <!--关键点4 第一个消息是否需要阻塞等待，并计算出阻塞等待时间--> 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 { <!--关键点5 需要无限等待--> nextPollTimeoutMillis = -1; } <!--关键点6 没有可以即刻执行的Message，查看是否存在需要处理的IdleHandler，如果不存在，则返回，阻塞等待，如果存在则执行IdleHandler--> 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); } <!--关键点7处理IdleHandler--> 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); } } } <!--处理完IdleHandler ，需要重新判断Message队列 nextPollTimeoutMillis赋值为0--> pendingIdleHandlerCount = 0; nextPollTimeoutMillis = 0; } }
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(); }
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<jlong>(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) { <!--关键点1--> <!-- eventfd 这个函数会创建一个 事件对象 老版本用管道来实现--> 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 union eventItem.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)); } }
}
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<NativeMessageQueue*>(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; }
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); } }
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; <!--关键点1--> struct epoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS]; int eventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis); <!--关键点2--> mPolling = false; mLock.lock(); <!--关键点3 查看那个fd上又写入操作--> for (int i = 0; i < eventCount; i++) { int fd = eventItems[i].data.fd; uint32_t epollEvents = eventItems[i].events; <!--关键点5 唤醒fd 上有写入操作 返回Java层继续执行--> if (fd == mWakeEventFd) { if (epollEvents & EPOLLIN) { awoken(); } else { } } else { <!--关键点6 本地MessageQueue有消息，执行本地消息--> } }
以上牵扯到Linux中的epoll机制：epoll_create、epoll_ctl、epoll_wait、close等， 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：
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); }
Android异步消息与栅栏
为了保证某些消息优先执行Android采用了一个栅栏机制。大概流程是，先发一个栅栏消息到消息队列，这个消息仅仅是为了占位，为队列后面的异步消息做哨兵，发送栅栏消息后，一般还会发送一个异步消息到消息队列，这个异步消息跟栅栏消息之间可能会有很多同步消息，如果按照正常的执行流程，一定是中间的同步消息先执行，但是如果存在栅栏，那就会先找到异步消息执行。
Message next() { for (;;) { synchronized (this) { // Try to retrieve the next message. Return if found. final long now = SystemClock.uptimeMillis(); Message prevMsg = null; Message msg = mMessages; if (msg != null && msg.target == null) { <!--关键点 如果存在栅栏，则找到第一个异步消息执行--> // Stalled by a barrier. Find the next asynchronous message in the queue. do { prevMsg = msg; msg = msg.next; } while (msg != null && !msg.isAsynchronous()); }
如上面代码所示，如果找到一个barrier，则找到一个异步消息执行，一般这个异步消息执行时会将这个同步栅栏移除，这样就能接着执行其他消息了。
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。
