Android的消息机制概述
Android的消息机制主要是指Handler的运行机制,Handler的运行机制需要底层的MessageQueue和Looper的支撑。
MessageQueue的中文为消息队列,顾名思义,它的内部存储了一组消息,以队列的形式对外提供插入和删除的方法。虽然称为消息队列,但是它的内部存储结构并不是真正的队列,而是采用单链表的数据结构来存储消息列表。
Looper的中文翻译是循环,这里可以理解为消息循环。由于MessageQueue只是一个消息的存储单元,它不能去处理消息,而Looper会以无限循环的形式其查询是否有新的消息,如果有的话就处理消息,否则就一直等待。
Looper中还有一个特殊的概念,那就是ThreadLocal,ThreadLocal并不是线程,它的作用是可以在每个线程中存储数据。我们知道,Handler创建的时候会采用当前线程的Looper来构造消息循环系统,那么Handler内部如何获取到当前线程的Looper呢?这就要使用ThreadLocal了,ThreadLocal可以在不同的线程中互不干扰地存储并提供数据,通过ThreadLocal就可以轻松地获取每个线程的Looper。
需要注意的是,线程是默认没有Looper的,如果需要使用Handler就必须为线程创建Looper。而主线程,即UI线程,它就是ActivityThread,ActivityThread被创建时就会初始化Looper,这也是在主线程中默认可以使用Handler的原因。
Android消息机制分析
Android消息机制主要是指Handler的运行机制以及Handler所附带的MessageQueue和Looper的工作过程,这三者实际上是一个整体。Handler的作用主要是将一个任务切换到某个指定的线程中去执行,那么Android为什么要提供这个功能呢?这是因为Android规定UI只能在主线程中进行,如果在子线程中访问UI,那么程序就会抛出运行时异常。ViewRootImp对UI操作做了验证,这个验证工作是由ViewRootImpl的checkThread方法来完成的,如下所示。
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Android建议我们不要在主线程中进行耗时的操作,否则会导致程序无法响应ANR。考虑一种情况,假如我们需要从服务器拉取一些信息并将其显示在UI上,这个时候必须在子线程中进行拉取工作,拉取完毕之后又不能在子线程中直接访问UI,如果没有Handler,那么我们确实没有办法将访问UI的工作切换到主线程中执行,因此,系统提供Handler的主要原因及时为了解决在子线程中无法访问UI的矛盾。
系统为什么不允许在子线程中访问UI呢?这是 因为Android的UI控件不是线程安全的,如果在多线程中并发访问可能会导致UI控件处于不可预期的状态,而为什么系统不对UI控件的访问加上锁机制呢?缺点有两个:首先加上锁机制会让UI访问的逻辑变得复杂,其次锁机制会降低UI访问的效率,因为锁机制会阻塞某些线程的执行。因此最简单最高效的方法就是采用单线程模型来处理UI操作,对于开发者来说也不是很麻烦,只是需要通过Handler切换到UI访问的执行线程即可。
Handler的工作过程:Handler创建时会采用当前线程的Looper来构建内部的消息循环系统,如果当前线程没有Looper,那么就会报错;Handler创建完毕后,这个时候其内部的MessageQueue和Looper就可以协同工作了,然后通过Handler的post方法将一个Runnable传递到Handler内部的Looper中去处理,也可以通过Handler的send方法来发送一个消息,这个消息同样会在Looper中去处理。其实post方法最终也是在send方法中完成的。当Handler的send方法被调用时,它会调用MessageQueue的enqueueMessage方法将这个消息放入消息队列中,然后Looper发现有新消息到来时,就会处理这个消息,最终消息中的Runnable或者Handler的handleMessage方法就会被调用。
注意:Looper是运行在创建Handler所在的线程中的,这样一来Handler中的业务逻辑就被切换到创建Handler所在的线程中去执行了。
ThreadLocal的工作原理
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。
下面通过实际的例子来演示ThreadLocal的作用。首先定义一个ThreadLocal对象,这里选择Boolean类型的,如下所示:
然后在主线程、子线程1和子线程2中设置和访问它的值,代码如下所示:
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上述代码中,根据对ThreadLocal的描述,主线中mThreadLocal.get()为true,子线程1中mThreadLocal.get()为false,子线程2中mThreadLocal.get()为null。代码运行打印如下:
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从上面的打印可以看出,虽然不同的线程访问的是同一个ThreadLocal对象,但是它们通过ThreadLocal获取的值却是不一样的,这就是ThreadLocal的特点。ThreadLocal之所以有如此特点,是因为不同线程访问同一个ThreadLocal的get方法,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的ThreadLocal索引去查找对应的value值。很显然,不同线程中的数组是不同的,这就是为什么通过ThreadLocal可以在不同的线程中维护一套数据的副本并且互不干扰。
上面描述的ThreadLocal的使用方法和工作过程,下面分析ThreadLocal的内部实现,ThreadLocal是一个泛型类,它的定义为public class ThreadLocal<T>
,只要弄清楚ThreadLocal的get和set方法就可以明白它的工作原理。
首先看get和set方法,如下所示
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在上面的set方法中,首先会通过values方法来获取当前线程中的ThreadLocal数据,如何获取呢?在Thread内部有一个成员变量专门用于存储线程的ThreadLocal数据:ThreadLocal.Values localValues;因此获取当前线程的ThreadLocal数据就变得异常简单。如果localValues的值为null,那么久需要对其进行初始化化,初始化后再将ThreadLocal的值进行存储。
下面看一下ThreadLocal的值到底是如何在localValues中进行存储的。在localValues内部有一个数组:private Object[] table;ThreadLocal的值就存储在这个table数组中。下面看一下localValues是如何使用put方法将ThreadLocal的值存储到table数组中的,如下所示:
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上面的代码实现了数据的存储过程,我们可以由上可以得出一个存储规则,那就是ThreadLocal的值在table数组中的存储位置总是为ThreadLocal的reference字段所标识的对象的下一个位置,比如ThreadLocal的reference对在table数组中的索引为index,那么ThreadLocal的值在table数组中的索引就是index+1.最终ThreadLocal的值会被存储在table数组中:table[index + 1] = value;
接下来,分析get方法,如下所示
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可以发现,ThreadLocal的get方法同样是取出当前线程的localValues对象,如果这个对象不为null,那就取出它的table数组并找出ThreadLocal的reference对象在table数组中的位置,然后table数组中下一个位置所存储的数据就是ThreadLocal的值。如果这个对象为null,则返回初始值,初始值由ThreadLocal的initialValue方法来描述,默认情况下为null,当然也可以重写这个方法,它的默认实现如下
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从ThreadLocal的set和get方法可以看出,它们所操作的对象都是当前线程的Values对象的table数组,因此在不同的线程中访问同一个ThreadLocal的set和get方法,它们对ThreadLocal所在的读/写权限仅限各自线程的内部,这就是ThreadLocal可以在不同线程中互不干扰的储存和修改数据的原因,理解ThreadLocal的工作方式有助于理解Looper的工作原理。
MessageQueue的工作原理
消息队列在Android中指的是MessageQueue,MessageQueue主要包括两个操作:插入和读取,读取操作会伴随着删除操作,插入和读取的方法分别是enqueueMessage和next,其中enqueueMessage的作用往往是往消息队列中插入一条消息,而next的作用是往消息队列中取出一条消息并将其从消息队列中移除。尽管MessageQueue叫消息队列,但是它的内部实现不是用的队列,而是通过一个单链表的数据结构来维护消息列表,单链表在插入和删除上效率较高。enqueueMessage的源码如下:
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从enqueueMessage的实现来看,它的主要操作就是单链表的插入和删除,下面看一下next方法的实现:
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可以发现next方法是一个无限循环的过程,如果消息队列中没有消息,那么next方法会一直阻塞在这里。当有新的消息到来时,next方法会返回这条消息并将其从单链表中移除。
Looper的工作原理
Looper在Android消息机制里面扮演着消息循环的角色,具体来说它会不停地从MessageQueue中查看是否有新消息,如有有新消息就会立刻处理,否则就会一直阻塞在那里。
首先看一下Looper的构造函数,在构造方法中它会创建一个MessageQueue即消息队列,然后将当前线程的对象存储起来,如下所示:
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Handler的工作需要Looper,没有Looper的线程就会报错,那么如何为一个线程创建Looper呢?通过Looper.prepare()即可为当前线程创建一个Looper,接着通过Looper.loop()来开启消息循环,如下所示:
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Looper除了prepare方法外,还提供了prepareMainLooper()方法,这个方法主要是给主线程也就是ActivityThread创建Looper使用的,其本质也是通过prepare方法创建的。由于主线程的Looper比较特殊,所以Looper提供了一个getMainLooper方法,通过它可以在任何位置获取主线程Looper。
Looper也是可以退出的,Looper提供了quit和quitSafely来退出一个Looper,二者的区别在于:quit会直接退出Looper,而quitSafely只是设定一个退出标志,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退出后,提供Handler发送的消息会失败,这时Handler的send方法返回false。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,否则这个子线程会一直处于等待状态,而如果推出Looper以后,这个线程就会立刻终止,因此建议不需要的时候终止Looper。
Looper最重要的一个方法是loop方法,只有调用了loop后,消息循环系统才会真正的运行,实现如下:
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Looper的loop方法工作过程,loop方法是一个死循环,位移跳出循环的方式是MessageQueue的next方法返回null。当Looper的quit方法被调用时,Looper就会调用MessageQueue的quit或者quitSafely方法来通知消息队列退出,当消息队列表计为退出状态时,它的next方法就返回null。
Looper必须退出,否则loop方法会无线循环下去。loop方法会调用MessageQueue的next方法来获取新的消息,而next是一个阻塞操作,当没有消息时,next方法会一直阻塞在那里,这也导致loop方法一直阻塞在那里。如果MessageQueue的next方法返回了新的消息,Looper就会处理这条消息:msg.target.dispatchMessage(msg);这里的msg.target是发送这条消息的Handler对象,这样Handler的发送的消息最终在它的dispatchMessage中处理了。
Handler的工作原理
Handler的主要工作包含消息的发送和接收过程。消息的发送可以通过post的一系列方法以及send的一系列方法实现,post的一系列方法最终是通过send的一系列方法来实现的。发送一条消息典型过程如下所示:
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可以发现,Handler发送消息的过程仅仅是向消息队列插入了一条消息,MessageQueue的next方法就会返回这条消息给Looper,Looper收到消息后就开始处理了,最终消息由Looper交由Handler处理,即Handler的dispatchMessage方法会被调用,这是Handler就进入了消息处理阶段。dispatchMessage实现如下:
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Handler处理消息的过程如下:
首先,检查Message的Callback是否为null,不为null则通过handleCallback来处理消息,Message的callback是一个Runnable对象,实际上就是Handler的post方法所传递的Runnable参数。
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其次,若Message的Callback是为null,则检查mCallback是否为null,不为null就调用mCallback的handleMessage方法来处理消息,Callback是个接口,定义如下:
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通过Callback框图用如下方式创建Handler对象:Handler mHandler = new Handler(mCallback)。那么Callback的意义是什么了?可以用来创建一个Handler的实例但并不需要派生Handler的子类。
最后,若都为null,则直接调用Handler中的handlerMessage方法来处理消息。
Handler还有一种特使的构造函数,那就是通过一个特定的Looper来构造Handler,通过这个构造方法可以实现一些特殊的功能如IntentService,它的实现如下所示
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Handler的一个默认构造方法public Handler(),这个构造方法会调用下面的的构造方法。很明显,如果当前线程没有Looper的话,就会抛出异常,这也解释了在没有Looper的子线程创建Handler会引发程序异常的原因。
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主线程的消息循环
Android的主线程就是ActivityThread,主线程的入口方法为main,在main方法中系统会通过Looper.prepareMainLooper()来创建主线程的Looper以及MessageQueue,并通过Looper.loop()开启主线程的消息循环,如下所示:
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主线程的消息循环开始以后,ActivityThread需要一个Handler来和消息队列进行交互,这个Handler就是ActivityThread.H,它内部定义了一组消息类型,主要包含了四大组件的启动和停止等过程,如下所示
ActivityThread通过ApplicationThread和AMS进行进程间通信,AMS以进程间通信的方式完成ActivityThread的请求后回调ApplicationThread中的Binder方法,然后ApplicationThread会向H发送消息,H收到消息后会将ApplicationThread中的逻辑切换到ActivityThread中去执行,即切换到主线程中执行,这个过程就是主线程的消息循环模型。