3.3 Android消息机制
3.3.1 概述
Android有大量的消息驱动方式来进行交互，比如Android的四大组件Activity、Service、Broadcast和ContentProvider的启动过程的交互，都离不开消息机制，Android某种意义上也可以说成是一个以消息驱动的系统。消息机制涉及MessageQueue/Message/Looper/Handler这4个类。
消息模型
Android消息机制主要包含：
- Message：消息分为硬件产生的消息(如按钮、触摸)和软件生成的消息。
- MessageQueue：消息队列的主要功能向消息池投递消息(MessageQueue.enqueueMessage)和取走消息池的消息(MessageQueue.next)。
- Looper：不断循环执行(Looper.loop)，按分发机制将消息分发给目标处理者。
- Handler：消息辅助类，主要功能向消息池发送各种消息事件(Handler.sendMessage)和处理相应消息事件(Handler.handleMessage)。
其基本结构如下所示：
其中：Looper有一个MessageQueue消息队列，MessageQueue有一组待处理的Message，Message中有一个用于处理消息的Handler，Handler中有Looper和MessageQueue。
3.3.2 Looper
我们先看一个关于Handler/Looper的使用例子：
class LooperThread extends Thread {
public Handler mHandler;
public void run() {
Looper.prepare(); //创建looper
mHandler = new Handler() {
public void handleMessage(Message msg) {
... //消息处理逻辑
}
};
Looper.loop(); //开始looper循环
}
}
接下来我们将围绕这个实例展开详细分析：
Looper.prepare()
Looper.prepare()在每个线程只允许执行一次，该方法会创建Looper对象，Looper的构造方法中会创建一个MessageQueue对象，再将Looper对象保存到当前线程TLS。对于无参的情况，默认调用prepare(true)，表示的是这个Looper允许退出，而对于false的情况则表示当前Looper不允许退出。
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
//每个线程只允许执行一次该方法，第二次执行时线程的TLS已有数据，则会抛出异常
if (sThreadLocal.get() != null) {
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
//创建Looper对象，并保存到当前线程的TLS区域
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed); //创建MessageQueue对象
mThread = Thread.currentThread(); //记录当前线程
}
另外，与prepare()相近功能的，还有一个prepareMainLooper()方法，该方法主要在ActivityThread类中使用。这里的sThreadLocal是ThreadLocal类型，下面先说说ThreadLocal：
ThreadLocal
ThreadLocal是一个线程内部的数据存储类，通过它可以在指定的线程中存储数据，数据存储以后，只有在指定线程中可以获取到存储的数据，对于其他线程来说则无法获取到数据。一般来说，当某些数据是以线程为作用域并且不同线程具有不同的数据副本的时候，可以考虑使用ThreadLocal。对于Handler来说，它需要获取当前线程的Looper，而Looper的作用域就是线程并且不同线程具有不同的Looper，这个时候通过ThreadLocal就可以实现Looper在线程中的存取了。
ThreadLocal的原理：不同线程访问同一个ThreadLocal的get方法时，ThreadLocal内部会从各自的线程中取出一个数组，然后再从数组中根据当前ThreadLocal的索引去查找出对应的value值，不同线程中的数组是不同的。我们看一下它的set方法和get方法：
public void set(T value) {
Thread currentThread = Thread.currentThread(); //获取当前线程
Values values = values(currentThread); //查找当前线程的本地储存区
if (values == null) {
//当线程本地存储区，尚未存储该线程相关信息时，则创建Values对象
values = initializeValues(currentThread);
}
//保存数据value到当前线程this
values.put(this, value);
}
public T get() {
Thread currentThread = Thread.currentThread(); //获取当前线程
Values values = values(currentThread); //查找当前线程的本地储存区
if (values != null) {
Object[] table = values.table;
int index = hash & values.mask;
if (this.reference == table[index]) {
return (T) table[index + 1]; //返回当前线程储存区中的数据
}
} else {
//创建Values对象
values = initializeValues(currentThread);
}
return (T) values.getAfterMiss(this); //从目标线程存储区没有查询是则返回null
}
Values类是Thread类内部专门用来存储线程的ThreadLocal数据的，它内部有一个数组table，ThreadLocal的值就存在这个table数组中。如果values的值为null，那么就需要对其进行初始化然后再将ThreadLocal的值进行存储。而ThreadLocal数据的存储规则：ThreadLocal的值在table数组中的存储位置总是ThreadLocal的索引+1的位置。
loop()
public static void loop() {
final Looper me = myLooper(); //获取TLS存储的Looper对象
if (me == null) {
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
final MessageQueue queue = me.mQueue; //获取Looper对象中的消息队列
Binder.clearCallingIdentity();
//确保在权限检查时基于本地进程，而不是基于最初调用进程。
final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
for (;;) { //进入loop的主循环方法
Message msg = queue.next(); //可能会阻塞
if (msg == null) { //没有消息，则退出循环
return;
}
...
msg.target.dispatchMessage(msg); //用于分发Message
...
final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity(); //确保分发过程中identity不会损坏
if (ident != newIdent) {
//打印identity改变的log，在分发消息过程中是不希望身份被改变的。
}
msg.recycleUnchecked(); //将Message放入消息池
}
}
loop()进入循环模式，这是消息处理的核心部分：不断重复下面的操作，直到没有消息时退出循环：
- 读取MessageQueue的下一条Message；
- 把Message分发给相应的target，而这个target就是发送这条消息的Handler对象；
- 再把分发后的Message回收到消息池，以便重复利用。
quit()
Looper的quit和quitSafely方法的区别是：前者会直接退出Looper，后者设定一个退出标记，然后把消息队列中的已有消息处理完毕后才安全地退出。Looper退出之后，通过Handler发送的消息就会失败，这个时候Handler的send方法会返回false。quit()方法的实现最终调用的是MessageQueue.quit()方法：
void quit(boolean safe) {
// 当mQuitAllowed为false，表示不运行退出，强行调用quit()会抛出异常
if (!mQuitAllowed) {
throw new IllegalStateException("Main thread not allowed to quit.");
}
synchronized (this) {
if (mQuitting) { //防止多次执行退出操作
return;
}
mQuitting = true;
if (safe) {
removeAllFutureMessagesLocked(); //移除尚未触发的所有消息
} else {
removeAllMessagesLocked(); //移除所有的消息
}
//mQuitting=false，那么认定为 mPtr != 0
nativeWake(mPtr);
}
}
消息退出的方式：当safe=true时，只移除尚未触发的所有消息，对于正在触发的消息并不移除；当safe=flase时，移除所有的消息。
在子线程中，如果手动为其创建了Looper，那么在所有的事情完成以后应该调用quit方法来终止消息循环，否则这个子线程就会一直处于等待的状态。
3.3.3 Handler
Handler类在构造方法中，可指定Looper、Callback回调方法以及消息的处理方式(同步或异步)，对于无参的handler，默认是当前线程的Looper。具体代码如下所示：
public Handler() {
this(null, false);
}
public Handler(Callback callback, boolean async) {
//匿名类、内部类或本地类都必须申明为static，否则会警告可能出现内存泄露
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());
}
}
//必须先执行Looper.prepare()，才能获取Looper对象，否则为null.
mLooper = Looper.myLooper(); //从当前线程的TLS中获取Looper对象
if (mLooper == null) {
throw new RuntimeException("");
}
mQueue = mLooper.mQueue; //消息队列，来自Looper对象
mCallback = callback; //回调方法
mAsynchronous = async; //设置消息是否为异步处理方式
}
消息分发机制
在Looper.loop()中，当发现有消息时，调用消息的目标handler，执行dispatchMessage()方法来分发消息。
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
//当Message存在回调方法，回调msg.callback.run()方法；
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
//当Handler存在Callback成员变量时，回调方法handleMessage()；
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
//Handler自身的回调方法handleMessage()
handleMessage(msg);
}
}
分发消息流程：
- 当Message的回调方法不为空时，则回调方法msg.callback.run()，其中callBack数据类型为Runnable，否则进入步骤2；
- 当Handler的mCallback成员变量不为空时，则回调方法mCallback.handleMessage(msg)，否则进入步骤3；
- 调用Handler自身的回调方法handleMessage()，该方法默认为空，Handler子类通过覆写该方法来完成具体的业务逻辑。
对于很多情况下，消息分发后的处理方法是第3种情况，即Handler.handleMessage()，一般覆写该方法从而实现自己的业务逻辑。
消息发送
发送消息调用链：
从上图，可以发现所有的消息发送方式，最终都是调用MessageQueue.enqueueMessage()，将消息添加到消息队列中;
Handler是消息机制中非常重要的辅助类，更多的实现都是MessageQueue和Message中的方法，Handler的目的是为了更加方便的使用消息机制，比如将一个任务切换到某个指定的线程中去执行，Android中的UI操作只能在主线程中进行，ViewRootImpl的checkThread方法会验证当前线程是否可以进行UI操作。
3.3.4 MessageQueue
MessageQueue是消息机制的Java层和C++层的连接纽带，大部分核心方法都交给native层来处理，其中MessageQueue类中涉及的native方法如下：
private native static long nativeInit();
private native static void nativeDestroy(long ptr);
private native void nativePollOnce(long ptr, int timeoutMillis);
private native static void nativeWake(long ptr);
private native static boolean nativeIsPolling(long ptr);
private native static void nativeSetFileDescriptorEvents(long ptr, int fd, int events);
之后我们会简单介绍这些native方法。
创建MessageQueue
MessageQueue(boolean quitAllowed) {
mQuitAllowed = quitAllowed;
//通过native方法初始化消息队列，其中mPtr是供native代码使用
mPtr = nativeInit();
}
提取消息：next()
Message next() {
final long ptr = mPtr;
if (ptr == 0) { //当消息循环已经退出，则直接返回
return null;
}
int pendingIdleHandlerCount = -1; // 循环迭代的首次为-1
int nextPollTimeoutMillis = 0;
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
//阻塞操作，当等待nextPollTimeoutMillis时长，或者消息队列被唤醒，都会返回
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
Message msg = mMessages;
if (msg != null && msg.target == null) {
//当消息Handler为空时，查询MessageQueue中的下一条异步消息msg，则退出循环。
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
if (msg != null) {
if (now < msg.when) {
//当异步消息触发时间大于当前时间，则设置下一次轮询的超时时长
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
// 获取一条消息，并返回
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
mMessages = msg.next;
}
msg.next = null;
//设置消息的使用状态，即flags |= FLAG_IN_USE
msg.markInUse();
return msg; //成功地获取MessageQueue中的下一条即将要执行的消息
}
} else {
//没有消息
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
//消息正在退出，返回null
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
//当消息队列为空，或者是消息队列的第一个消息时
if (pendingIdleHandlerCount < 0 && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
}
if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
//没有idle handlers 需要运行，则循环并等待。
mBlocked = true;
continue;
}
if (mPendingIdleHandlers == null) {
mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
}
mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
}
//只有第一次循环时，会运行idle handlers，执行完成后，重置pendingIdleHandlerCount为0.
for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
final IdleHandler idler = mPendingIdleHandlers[i];
mPendingIdleHandlers[i] = null; //去掉handler的引用
boolean keep = false;
try {
keep = idler.queueIdle(); //idle时执行的方法
} catch (Throwable t) {
Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
}
if (!keep) {
synchronized (this) {
mIdleHandlers.remove(idler);
}
}
}
//重置idle handler个数为0，以保证不会再次重复运行
pendingIdleHandlerCount = 0;
//当调用一个空闲handler时，一个新message能够被分发，因此无需等待可以直接查询pending message.
nextPollTimeoutMillis = 0;
}
}
nativePollOnce是一个native方法，其是阻塞操作，当nativePollOnce()返回后，next()从mMessages中提取一个消息。其中nextPollTimeoutMillis代表下一个消息到来前，还需要等待的时长；当nextPollTimeoutMillis = -1时，表示消息队列中无消息，会一直等待下去。当处于空闲时，往往会执行IdleHandler中的方法。
添加消息：enqueueMessage()
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
// 每一个Message必须有一个target
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) { //正在退出时，回收msg，加入到消息池
msg.recycle();
return false;
}
msg.markInUse();
msg.when = when;
Message p = mMessages;
boolean needWake;
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
//p为null(代表MessageQueue没有消息） 或者msg的触发时间是队列中最早的， 则进入该该分支
msg.next = p;
mMessages = msg;
needWake = mBlocked; //当阻塞时需要唤醒
} else {
//将消息按时间顺序插入到MessageQueue。一般地，不需要唤醒事件队列，除非
//消息队头存在barrier，并且同时Message是队列中最早的异步消息。
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;
prev.next = msg;
}
//消息没有退出，我们认为此时mPtr != 0
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
MessageQueue是按照Message触发时间的先后顺序排列的，队头的消息是将要最早触发的消息。当有消息需要加入消息队列时，会从队列头开始遍历，直到找到消息应该插入的合适位置，以保证所有消息的时间顺序。
移除消息：removeMessages()
void removeMessages(Handler h, int what, Object object) {
if (h == null) {
return;
}
synchronized (this) {
Message p = mMessages;
//从消息队列的头部开始，移除所有符合条件的消息
while (p != null && p.target == h && p.what == what
&& (object == null || p.obj == object)) {
Message n = p.next;
mMessages = n;
p.recycleUnchecked();
p = n;
}
//移除剩余的符合要求的消息
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();
p.next = nn;
continue;
}
}
p = n;
}
}
}
这个移除消息的方法，采用了两个while循环，第一个循环是从队头开始，移除符合条件的消息，第二个循环是从头部移除完连续的满足条件的消息之后，再从队列后面继续查询是否有满足条件的消息需要被移除。
3.3.6 Java层总结
最后用一张图，来表示整个消息机制
Handler通过sendMessage()发送Message到MessageQueue队列；Looper通过loop()，不断提取出达到触发条件的Message，并将Message交给target（发送Message的Handler）来处理；经过dispatchMessage()后，交回给Handler的handleMessage()来进行相应地处理。
将Message加入MessageQueue时，往管道写入字符，可以唤醒loop线程；如果MessageQueue中没有Message，并处于Idle状态，则会执行IdleHandler接口中的方法，往往用于做一些清理性地工作。
消息分发的优先级：Message的回调方法：message.callback.run()，优先级最高；Handler的回调方法：Handler.mCallback.handleMessage(msg)，优先级其次；Handler的默认方法：Handler.handleMessage(msg)，优先级最低。
3.3.7 native消息机制
前面我们讲解了Java层的消息处理机制，其中MessageQueue类里面涉及到多个native方法，除了MessageQueue的native方法，native层本身也有一套完整的消息机制，用于处理native的消息。在整个消息机制中，而MessageQueue是连接Java层和Native层的纽带，换言之，Java层可以向MessageQueue消息队列中添加消息，Native层也可以向MessageQueue消息队列中添加消息。
MessageQueue
在MessageQueue中的native方法如下：
private native static long nativeInit();
private native static void nativeDestroy(long ptr);
private native void nativePollOnce(long ptr, int timeoutMillis);
private native static void nativeWake(long ptr);
private native static boolean nativeIsPolling(long ptr);
private native static void nativeSetFileDescriptorEvents(long ptr, int fd, int events);
关于这些方法不再进行详述，下面简单提及其实现原理：
nativeInit()方法，最终实现由epoll机制中的epoll_create()/epoll_ctl()完成；
nativeDestroy()方法，最终实现由RefBase::decStrong()完成；
nativePollOnce()方法，最终实现由Looper::pollOnce()完成；
nativeWake()方法，最终实现由Looper::wake()调用write方法，向管道写入字符；
nativeIsPolling()，nativeSetFileDescriptorEvents()这两个方法类似，此处就不一一列举。
总结
MessageQueue通过mPtr变量保存NativeMessageQueue对象，从而使得MessageQueue成为Java层和Native层的枢纽，既能处理上层消息，也能处理native层消息；下面列举Java层与Native层的对应图
红色虚线关系：Java层和Native层的MessageQueue通过JNI建立关联，彼此之间能相互调用，搞明白这个互调关系，也就搞明白了Java如何调用C++代码，C++代码又是如何调用Java代码。
蓝色虚线关系：Handler/Looper/Message这三大类Java层与Native层并没有任何的真正关联，只是分别在Java层和Native层的handler消息模型中具有相似的功能。都是彼此独立的，各自实现相应的逻辑。
WeakMessageHandler继承于MessageHandler类，NativeMessageQueue继承于MessageQueue类
另外，消息处理流程是先处理Native Message，再处理Native Request，最后处理Java Message。理解了该流程，也就明白有时上层消息很少，但响应时间却较长的真正原因。
