Android Handler机制10之Native的实现

Android Handler机制系列文章整体内容如下：

一、简述

前面的文章讲解了Java层的消息处理机制，其中MessageQueue类里面涉及到的多个Native方法，除了MessageQueue的native方法，native本身也有一套完整的消息机制，处理native消息。在整个消息机制中，MessageQueue是连接Java层和Native层的纽带，换而言之，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。

Native的层关系图:

Native关系图.png

二、MessageQueue

在MessageQueue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); /*non-static for callbacks*/
    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);

在Android Handler机制6之MessageQueue简介中的五、native层代码的初始化中 说了MessaegQueue构造函数调用了nativeInit()，为了更好的理解，我们便从MessageQueue构造函数开始说起

(一)、 nativeInit() 函数

nativeInit() 的主要作用是初始化，是在MessageQueue的构造函数中调用

代码在MessageQueue.java 68行

    MessageQueue(boolean quitAllowed) {
        mQuitAllowed = quitAllowed;
        // 通过JNI调用了Native层的相关函数，导致了NativeMessageQueue的创建
        mPtr = nativeInit();
    }

MessageQueue只是有一个构造函数，该构造函数是包内可见的，其内部就两行代码，分别是设置了MessageQueue是否可以退出和native层代码的相关初始化

在MessageQueue的构造函数里面调用 nativeInit()，我们来看下
代码在MessageQueue.java 61行

    private native static long nativeInit();

根据Android跨进程通信IPC之3——关于"JNI"的那些事中知道，nativeInit这个native方法对应的是android_os_MessageQueue.cpp里面的android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* , jclass )函数

1、jlong android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz)方法

代码在android_os_MessageQueue.cpp 172 行

static jlong android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz) {
    // 在Native层又创建了NativeMessageQueue
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = new NativeMessageQueue();
    if (!nativeMessageQueue) {
        jniThrowRuntimeException(env, "Unable to allocate native queue");
        return 0;
    }

    nativeMessageQueue->incStrong(env);
     // 这里返回值是Java层的mPtr，因此mPtr实际上是Java层MessageQueue与NativeMessesageQueue的桥梁
    return reinterpret_cast<jlong>(nativeMessageQueue);
}

此时Java层和Native层的MessageQueue被mPtr连接起来了，NativeMessageQueue只是Java层MessageQueue在Native层的体现，其本身并没有实现Queue的数据结构，而是从其父类MessageQueue中继承mLooper变量。与Java层类型，这个Looper也是线程级别的单列。

代码中是直接new 的NativeMessageQueue无参构造函数，那我们那就来看下

2、NativeMessageQueue无参构造函数

NativeMessageQueue是android_os_MessageQueue.cpp的内部类
代码在android_os_MessageQueue.cpp 78行

NativeMessageQueue::NativeMessageQueue() : mPollEnv(NULL), mPollObj(NULL), mExceptionObj(NULL) {
    // 获取TLS中的Looper对象
    mLooper = Looper::getForThread(); 
    if (mLooper == NULL) {
        // 创建native层的Looper对象
        mLooper = new Looper(false); 
         // 保存native 层的Looper到TLS中(线程级单例)
        Looper::setForThread(mLooper); 
    }
}
  • Looper::getForThread()：功能类比于Java层的Looper.myLooper();
  • Looper::setForThread(mLooper)：功能类比于Java层的ThreadLocal.set()

通过上述代码我们知道：

  • 1、Java层的Looper的创建导致了MessageQueue的创建，而在Native层则刚刚相反，NativeMessageQueue的创建导致了Looper的创建
  • 2、MessageQueue是在Java层与Native层有着紧密的联系，但是此次Native层的Looper与Java层的Looper没有任何关系。
  • 3、Native层的Looper创建和Java层的也完全不一样，它利用了Linux的epoll机制检测了Input的fd和唤醒fd。从功能上来讲，这个唤醒fd才是真正处理Java Message和Native Message的钥匙。

PS:5.0以上的版本Loooer定义在System/core下

上面说了半天，那我们就来看下Native的Looper的构造函数

3、 Native层的Looper的构造函数

代码在Looper.cpp 71行

Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) :
        mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks), mSendingMessage(false),
        mPolling(false), mEpollFd(-1), mEpollRebuildRequired(false),
        mNextRequestSeq(0), mResponseIndex(0), mNextMessageUptime(LLONG_MAX) {
     /**  这才是Linux后来才有的东西，负责线程通信，替换了老版本的pipe */
    //构造唤醒时间的fd
    mWakeEventFd = eventfd(0, EFD_NONBLOCK); 
    AutoMutex _l(mLock);
    rebuildEpollLocked();  
}

这个方法重点就是调用了rebuildEpollLocked(); 函数

PS：这里说一下eventfd，event具体与pipe有点像，用来完成两个线程之间(现在也支持进程级别)，能够用来作为线程之间通讯，类似于pthread_cond_t。

4、 Looper::rebuildEpollLocked() 函数

代码在Looper.cpp 140行

void Looper::rebuildEpollLocked() {
    // Close old epoll instance if we have one.
    if (mEpollFd >= 0) {
#if DEBUG_CALLBACKS
        ALOGD("%p ~ rebuildEpollLocked - rebuilding epoll set", this);
#endif
        // 关闭老的epoll实例
        close(mEpollFd);
    }

    // Allocate the new epoll instance and register the wake pipe.
    // 创建一个epoll实例，并注册wake管道。
    mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mEpollFd < 0, "Could not create epoll instance.  errno=%d", errno);

    struct epoll_event eventItem;
    // 清空，把未使用的数据区域进行置0操作
    memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event)); // zero out unused members of data field union
     //关注EPOLLIN事件，也就是可读
    eventItem.events = EPOLLIN;
     //设置Fd
    eventItem.data.fd = mWakeEventFd;
    //将唤醒事件(mWakeEventFd)添加到epoll实例(mEpollFd)，其实只是为epoll放置一个唤醒机制
    int result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeEventFd, & eventItem);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not add wake event fd to epoll instance.  errno=%d",
            errno);
    // 这里主要添加的是Input事件，如键盘、传感器输入，这里基本上是由系统负责。
    for (size_t i = 0; i < mRequests.size(); i++) {
        const Request& request = mRequests.valueAt(i);
        struct epoll_event eventItem;
        request.initEventItem(&eventItem);
         // 将request的队列事件，分别添加到epoll实例
        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, errno=%d",
                    request.fd, errno);
        }
    }

这里一定要明白的是，添加这些fd除了mWakeEventFd负责解除阻塞让程序继续运行，从而处理Native Message和Java Message外，其他fd与Message的处理其实毫无关系。此时Java层与Native联系如下：

Java与Native.png

这时候大家可能有点蒙，所以我下面补充1个知识点，希望能帮助大家

8、 小结

所有整个流程整理如下图：


流程.png

(二) nativeDestroy()

nativeDestroy是在MessageQueue的dispose()方法中调用，主要用于清空回收

代码在MessageQueue.java 84行

    // Disposes of the underlying message queue.
    // Must only be called on the looper thread or the finalizer.
    private void dispose() {
        if (mPtr != 0) {
            // native方法
            nativeDestroy(mPtr);
            mPtr = 0;
        }
    }

根据Android跨进程通信IPC之3——关于"JNI"的那些事中知道，nativeDestroy()这个native方法对应的是android_os_MessageQueue.cpp里面的android_os_MessageQueue_nativeDestroy()函数

1、android_os_MessageQueue_nativeDestroy()函数

代码在MessageQueue.java 183行

static void android_os_MessageQueue_nativeDestroy(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong ptr) {
    // 强制类型转换为nativeMessageQueue
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    //调用nativeMessageQueue的decStrong()函数
    nativeMessageQueue->decStrong(env);
}

我们看到上面代码是

  • 首先，将Java层传递下来的mPtr转换为nativeMessageQueue
  • 其次，nativeMessageQueue调用decStrong(env)

nativeMessageQueue继承自RefBase类，所以decStrong最终调用的是RefBase.decStrong()。

Android跨进程通信IPC之4——AndroidIPC基础2的第五部分五、智能指针，中对智能指针有详细描述，这里就不过多介绍了

2、总体流程图
nativeDestroy()流程.png

(三) nativePollOnce()

nativePollOnce()是在MessageQueue的next()方法中调用，用于提取消息的调用链

代码在MessageQueue.java 323行

Message next() {
    final long ptr = mPtr;
    if (ptr == 0) {
        return null;
    }

    for (;;) {
        ...
        //阻塞操作
        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
        ...
    }

根据Android跨进程通信IPC之3——关于"JNI"的那些事中知道，nativeDestroy()这个native方法对应的是android_os_MessageQueue.cpp里面的android_os_MessageQueue_nativePollOnce()函数

1、nativePollOnce()

代码在MessageQueue.java 188行

static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env, jobject obj, jlong ptr, jint timeoutMillis) {
    //将Java层传递下来的mPtr转换为nativeMessageQueue
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    nativeMessageQueue->pollOnce(env, obj, timeoutMillis); 
}

我们看到上面代码是

  • 首先，将Java层传递下来的mPtr转换为nativeMessageQueue
  • 其次，nativeMessageQueue调用pollOnce(env, obj, timeoutMillis)

那我们就来看下pollOnce(env, obj, timeoutMillis)方法

2、 NativeMessageQueue::pollOnce(JNIEnv*, jobject, int)函数
void NativeMessageQueue::pollOnce(JNIEnv* env, jobject pollObj, int timeoutMillis) {
    mPollEnv = env;
    mPollObj = pollObj;
    // 重点函数
    mLooper->pollOnce(timeoutMillis);
    mPollObj = NULL;
    mPollEnv = NULL;

    if (mExceptionObj) {
        env->Throw(mExceptionObj);
        env->DeleteLocalRef(mExceptionObj);
        mExceptionObj = NULL;
    }
}

这个函数内容很简答， 主要就是进行赋值，并调用pollOnce(timeoutMillis)

那我们再来看一下pollOnce(timeoutMillis)函数

3、Looper::pollOnce()函数

代码在Looper.h 264 行

inline int pollOnce(int timeoutMillis) {
    return pollOnce(timeoutMillis, NULL, NULL, NULL); 
}

这个函数里面主要是调用的是ollOnce(timeoutMillis, NULL, NULL, NULL);

4、Looper::pollOnce(int, int, int, void**)函数

代码在Looper.cpp 264 行

int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData) {
    int result = 0;
    // 对fd对应的Responses进行处理，后面发现Response里都是活动fd
    for (;;) {
        // 先处理没有Callback的Response事件
        while (mResponseIndex < mResponses.size()) {
            const Response& response = mResponses.itemAt(mResponseIndex++);
            int ident = response.request.ident;
            if (ident >= 0) {
                // ident>=0则表示没有callback，因为POLL_CALLBACK=-2
                int fd = response.request.fd;
                int events = response.events;
                void* data = response.request.data;
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
                ALOGD("%p ~ pollOnce - returning signalled identifier %d: "
                        "fd=%d, events=0x%x, data=%p",
                        this, ident, fd, events, data);
#endif
                if (outFd != NULL) *outFd = fd;
                if (outEvents != NULL) *outEvents = events;
                if (outData != NULL) *outData = data;
                return ident;
            }
        }
         // 注意这里处于循环内部，改变result的值在后面的pollInner
        if (result != 0) {
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
            ALOGD("%p ~ pollOnce - returning result %d", this, result);
#endif
            if (outFd != NULL) *outFd = 0;
            if (outEvents != NULL) *outEvents = 0;
            if (outData != NULL) *outData = NULL;
            return result;
        }
        // 再处理内部轮训
        result = pollInner(timeoutMillis);
    }
}

参数说明：

  • timeoutMillis:超时时长
  • outFd:发生事件的文件描述符
  • outEvents：当前outFd上发生的事件，包含以下4类事件
    • EVENT_INPUT：可读
    • EVENT_OUTPUT：可写
    • EVENT_ERROR：错误
    • EVENT_HANGUP：中断
  • outData：上下文数据

这个函数内部最后调用了pollInner(int)，让我们来看一下

5、Looper::pollInner()函数

代码在Looper.cpp 220 行

int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
    ALOGD("%p ~ pollOnce - waiting: timeoutMillis=%d", this, timeoutMillis);
#endif

    // Adjust the timeout based on when the next message is due.
    if (timeoutMillis != 0 && mNextMessageUptime != LLONG_MAX) {
        nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
        int messageTimeoutMillis = toMillisecondTimeoutDelay(now, mNextMessageUptime);
        if (messageTimeoutMillis >= 0
                && (timeoutMillis < 0 || messageTimeoutMillis < timeoutMillis)) {
            timeoutMillis = messageTimeoutMillis;
        }
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
        ALOGD("%p ~ pollOnce - next message in %" PRId64 "ns, adjusted timeout: timeoutMillis=%d",
                this, mNextMessageUptime - now, timeoutMillis);
#endif
    }

    // Poll.
    int result = POLL_WAKE;
    mResponses.clear();
    mResponseIndex = 0;

    // We are about to idle.
     // 即将处于idle状态
    mPolling = true;
    // fd最大的个数是16
    struct epoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS];
    // 等待时间发生或者超时，在nativeWake()方法，向管道写端写入字符，则方法会返回。
    int eventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);

    // No longer idling.
    // 不再处于idle状态
    mPolling = false;
     // 请求锁 ，因为在Native Message的处理和添加逻辑上需要同步
    // Acquire lock.
    mLock.lock();

    // Rebuild epoll set if needed.
    // 如果需要，重建epoll
    if (mEpollRebuildRequired) {
        mEpollRebuildRequired = false;
        // epoll重建，直接跳转到Done
        rebuildEpollLocked();
        goto Done;
    }

    // Check for poll error.
    if (eventCount < 0) {
        if (errno == EINTR) {
            goto Done;
        }
        ALOGW("Poll failed with an unexpected error, errno=%d", errno);
        // epoll事件个数小于0，发生错误，直接跳转Done
        result = POLL_ERROR;
        goto Done;
    }

    // Check for poll timeout.
    //如果需要，重建epoll
    if (eventCount == 0) {
    //epoll事件个数等于0，发生超时，直接跳转Done
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
        ALOGD("%p ~ pollOnce - timeout", this);
#endif
        result = POLL_TIMEOUT;
        goto Done;
    }

    // Handle all events.
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
    ALOGD("%p ~ pollOnce - handling events from %d fds", this, eventCount);
#endif
   // 循环处理所有的事件
    for (int i = 0; i < eventCount; i++) {
        int fd = eventItems[i].data.fd;
        uint32_t epollEvents = eventItems[i].events;
        //首先处理mWakeEventFd
        if (fd == mWakeEventFd) {
            //如果是唤醒mWakeEventFd有反应
            if (epollEvents & EPOLLIN) {
                /**重点代码*/
                // 已经唤醒了，则读取并清空管道数据
                awoken();  // 该函数内部就是read，从而使FD可读状态被清除
            } else {
                ALOGW("Ignoring unexpected epoll events 0x%x on wake event fd.", epollEvents);
            }
        } else {
            // 其他input fd处理，其实就是将活动放入response队列，等待处理
            ssize_t requestIndex = mRequests.indexOfKey(fd);
            if (requestIndex >= 0) {
                int events = 0;
                if (epollEvents & EPOLLIN) events |= EVENT_INPUT;
                if (epollEvents & EPOLLOUT) events |= EVENT_OUTPUT;
                if (epollEvents & EPOLLERR) events |= EVENT_ERROR;
                if (epollEvents & EPOLLHUP) events |= EVENT_HANGUP;
                 // 处理request，生成对应的response对象，push到响应数组
                pushResponse(events, mRequests.valueAt(requestIndex));
            } else {
                ALOGW("Ignoring unexpected epoll events 0x%x on fd %d that is "
                        "no longer registered.", epollEvents, fd);
            }
        }
    }
Done: ;
    // Invoke pending message callbacks.
    // 再处理Native的Message，调用相应回调方法
    mNextMessageUptime = LLONG_MAX;
    while (mMessageEnvelopes.size() != 0) {
        nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
        const MessageEnvelope& messageEnvelope = mMessageEnvelopes.itemAt(0);
        if (messageEnvelope.uptime <= now) {
            // Remove the envelope from the list.
            // We keep a strong reference to the handler until the call to handleMessage
            // finishes.  Then we drop it so that the handler can be deleted *before*
            // we reacquire our lock.
            { // obtain handler
                sp<MessageHandler> handler = messageEnvelope.handler;
                Message message = messageEnvelope.message;
                mMessageEnvelopes.removeAt(0);
                mSendingMessage = true;
                 // 释放锁
                mLock.unlock();

#if DEBUG_POLL_AND_WAKE || DEBUG_CALLBACKS
                ALOGD("%p ~ pollOnce - sending message: handler=%p, what=%d",
                        this, handler.get(), message.what);
#endif
                // 处理消息事件
                handler->handleMessage(message);
            } // release handler
            // 请求锁
            mLock.lock();
            mSendingMessage = false;
             // 发生回调
            result = POLL_CALLBACK;
        } else {
            // The last message left at the head of the queue determines the next wakeup time.
            mNextMessageUptime = messageEnvelope.uptime;
            break;
        }
    }

    // Release lock.
    // 释放锁
    mLock.unlock();

    // Invoke all response callbacks.
    // 处理带有Callback()方法的response事件，执行Response相应的回调方法
    for (size_t i = 0; i < mResponses.size(); i++) {
        Response& response = mResponses.editItemAt(i);
        if (response.request.ident == POLL_CALLBACK) {
            int fd = response.request.fd;
            int events = response.events;
            void* data = response.request.data;
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE || DEBUG_CALLBACKS
            ALOGD("%p ~ pollOnce - invoking fd event callback %p: fd=%d, events=0x%x, data=%p",
                    this, response.request.callback.get(), fd, events, data);
#endif
            // Invoke the callback.  Note that the file descriptor may be closed by
            // the callback (and potentially even reused) before the function returns so
            // we need to be a little careful when removing the file descriptor afterwards.
            // 处理请求的回调方法
            int callbackResult = response.request.callback->handleEvent(fd, events, data);
            if (callbackResult == 0) {
                // 移除fd
                removeFd(fd, response.request.seq);
            }

            // Clear the callback reference in the response structure promptly because we
            // will not clear the response vector itself until the next poll.
             // 清除response引用的回调方法
            response.request.callback.clear();
             // 发生回调
            result = POLL_CALLBACK;
        }
    }
    return result;
}

pollOnce返回值说明：

  • POLL_WAKE： 表示由wake()出发，即pipe写端的write事件触发
  • POLL_CALLBACK：表示某个被监听fd被触发
  • POLL_TIMEOUT：表示等待超时
  • POLL_ERROR：表示等待期间发生错误

pollInner()方法的处理流程：

  • 1、先调用epoll_wait()，这是阻塞方法，用于等待事件发生或者超时。
  • 2、对于epoll_wait()返回，当且仅当以下3种情况出现
    • POLL_ERROR：发生错误，直接跳转Done
    • POLL_TIMEOUT：发生超时，直接跳转到Done
    • 检测到管道有事情发生，则再根据情况做相应处理：
      • 如果检测到管道产生事件，则直接读取管道的数据
      • 如果是其他事件，则处理request，生成对应的response对象，push到response数组
  • 3、进入Done标记位的代码：
    • 先处理Native的Message，调用Native的Handler来处理该Message
    • 再处理Resposne数组，POLL_CALLBACK类型的事件

从上面的流程，可以发现对于Request先收集，一并放入response数组，而不是马上执行。真正在Done开始执行的时候，先处理Native Message，再处理Request，说明Native Message优先级高于Request请求的优先级。

PS:在polOnce()方法中，先处理Response数组不带Callback的事件，再调用了再调用了pollInner()函数。

6、Looper::awoken()函数

代码在Looper.cpp 418行

void Looper::awoken() {
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
    ALOGD("%p ~ awoken", this);
#endif
    uint64_t counter;
    // 不断的读取管道数据，目的就是为了清空管道内容
    TEMP_FAILURE_RETRY(read(mWakeEventFd, &counter, sizeof(uint64_t)));
}
7、小结

整体的流程图如下：


流程图.png

(四)、nativeDestroy()

nativeWake用于唤醒功能，在添加消息到消息队列enqueueMessage()，或者把消息从消息队列中全部移除quit()，再有需要时会调用nativeWake方法。包含唤醒过程的添加消息的调用链
下面来进一步来看看调用链的过程：

1、enqueueMessage(Message, long)

代码在MessageQueue.java 533行

    boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
          ....
          //将Message按按时间插入MessageQueue
            if (needWake) {
                nativeWake(mPtr);
            }
         ....
    }

在向消息队列添加Message时，需要根据mBlocked情况来就决定是否需要调用nativeWake。

根据Android跨进程通信IPC之3——关于"JNI"的那些事中知道，nativeDestroy()这个native方法对应的是android_os_MessageQueue.cpp里面的android_os_MessageQueue_nativeWake(JNIEnv*, jclass, jlong ) 函数

2、android_os_MessageQueue_nativeWake()

代码在android_os_MessageQueue.cpp 194行

static void android_os_MessageQueue_nativeWake(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong ptr) {
    // 将Java层传递下来的mPtr转换为nativeMessageQueue
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    //调用wake函数
    nativeMessageQueue->wake();
}

我们看到上面代码是

  • 首先，将Java层传递下来的mPtr转换为nativeMessageQueue
  • 其次，nativeMessageQueue调用wake()函数
3、NativeMessageQueue::wake()函数

代码在android_os_MessageQueue.cpp 121行

void NativeMessageQueue::wake() {
    mLooper->wake();
}

这个方法很简单，就是直接调用Looper的wake()函数，

4、Looper::wake()函数

代码在Looper.cpp 404行

void Looper::wake() {
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
    ALOGD("%p ~ wake", this);
#endif

    uint64_t inc = 1;
    // 向管道mWakeEventFd写入字符1
    ssize_t nWrite = TEMP_FAILURE_RETRY(write(mWakeEventFd, &inc, sizeof(uint64_t)));
    if (nWrite != sizeof(uint64_t)) {
        if (errno != EAGAIN) {
            ALOGW("Could not write wake signal, errno=%d", errno);
        }
    }
}

Looper类的 wake()函数只是往mWakeEventfd中写了一些内容，这个fd只是通知而已，类似于pipi，最后会把epoll_wai唤醒，线程就不阻塞了继续发送
Native层的消息，然后处理之前的addFd事件，然后处理Java层的消息。

PS:其中TEMP_FAILURE_RETRY 是一个宏定义，当执行write失败后，会不断重复执行，直到执行成功为止。

5、小结

总结一下流程图如下:

流程图.png

(五)、sendMessage()

前面几篇文章讲述了Java层如何向MessageQueue类添加消息，那么接下来讲讲Native层如何向MessageQueue发送消息。

1、Looper::sendMessage(const sp<MessageHandler>& handler, const Message& message) 函数

代码在Looper.cpp 583行

void Looper::sendMessage(const sp<MessageHandler>& handler, const Message& message) {
    nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
    sendMessageAtTime(now, handler, message);
}

我们看到方法里面调用了sendMessageAtTime(now, handler, message) 函数

2、 Looper::sendMessageDelayed(nsecs_t uptimeDelay, const sp<MessageHandler>& handler,
    const Message& message)函数

代码在Looper.cpp 588行

void Looper::sendMessageDelayed(nsecs_t uptimeDelay, const sp<MessageHandler>& handler,
        const Message& message) {
    nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
    sendMessageAtTime(now + uptimeDelay, handler, message);
}

我们看到方法里面调用了sendMessageAtTime(now, handler, message) 函数

所以我们说：

sendMessage()和sendMessageDelayed()都是调用sendMessageAtTime()来完成消息插入。

那我们就来看一下sendMessageAtTime()

3、 Looper::sendMessageDelayed(nsecs_t uptimeDelay, const sp<MessageHandler>& handler,
    const Message& message)函数

void Looper::sendMessageAtTime(nsecs_t uptime, const sp<MessageHandler>& handler,
        const Message& message) {
#if DEBUG_CALLBACKS
    ALOGD("%p ~ sendMessageAtTime - uptime=%" PRId64 ", handler=%p, what=%d",
            this, uptime, handler.get(), message.what);
#endif

    size_t i = 0;
    { // acquire lock
       // 请求锁
        AutoMutex _l(mLock);

        size_t messageCount = mMessageEnvelopes.size();
       // 找到message应该插入的位置i
        while (i < messageCount && uptime >= mMessageEnvelopes.itemAt(i).uptime) {
            i += 1;
        }

        MessageEnvelope messageEnvelope(uptime, handler, message);
        mMessageEnvelopes.insertAt(messageEnvelope, i, 1);

        // Optimization: If the Looper is currently sending a message, then we can skip
        // the call to wake() because the next thing the Looper will do after processing
        // messages is to decide when the next wakeup time should be.  In fact, it does
        // not even matter whether this code is running on the Looper thread.
        // 如果当前正在发送消息，那么不再调用wake()，直接返回
        if (mSendingMessage) {
            return;
        }
    } // release lock
    // 释放锁
    // Wake the poll loop only when we enqueue a new message at the head.
    // 当消息加入到消息队列的头部时，需要唤醒poll循环
    if (i == 0) {
        wake();
    }
}

(六)、sendMessage()

本节介绍了MessageQueue的native()方法，经过层层调用：

  • nativeInit()方法，最终实现由epoll机制中的epoll_create()/epoll_ctl()完成
  • nativeDestory()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，此处就不一一列举了。

三、Native结构体和类

Looper.h/Looper.cpp文件中定义了Message结构体，消息处理类，回调类，Looper类

(一)、Message结构体

代码在(http://androidxref.com/6.0.1_r10/xref/system/core/include/utils/Looper.h) 50行

struct Message {
    Message() : what(0) { }
    Message(int what) : what(what) { }

    /* The message type. (interpretation is left up to the handler) */
    // 消息类型
    int what;
};

(二)、消息处理类

1、MessageHandler类

代码在Looper.h 67行

/**
 * Interface for a Looper message handler.
 *
 * The Looper holds a strong reference to the message handler whenever it has
 * a message to deliver to it.  Make sure to call Looper::removeMessages
 * to remove any pending messages destined for the handler so that the handler
 * can be destroyed.
 */
class MessageHandler : public virtual RefBase {
protected:
    virtual ~MessageHandler() { }

public:
    /**
     * Handles a message.
     */
    virtual void handleMessage(const Message& message) = 0;
};

这个类很简单，就不多说了，这里说下注释:

  • 处理Looper消息程序的接口。
  • 当一个消息要传递给其对应的Handler时候，Looper持有一个消息Handler的强引用。在这个Handler销毁之前，请确保调用Looper :: removeMessages来删除待处理的消息。
2、WeakMessageHandler类

代码在Looper.h 82行

/**
 * A simple proxy that holds a weak reference to a message handler.
 */
class WeakMessageHandler : public MessageHandler {
protected:
    virtual ~WeakMessageHandler();

public:
    WeakMessageHandler(const wp<MessageHandler>& handler);
    virtual void handleMessage(const Message& message);

private:
    wp<MessageHandler> mHandler;
};

这里并没有handleMessage的代码，我们是不是忽略了什么？再找一下，果然这块的代码在
Looper.cpp 38行

void WeakMessageHandler::handleMessage(const Message& message) {
    sp<MessageHandler> handler = mHandler.promote();
    if (handler != NULL) {
        调用Mes
        handler->handleMessage(message); 
    }
}

(三)、回调类

1、LooperCallback类

代码在Looper.h 98行

/**
 * A looper callback.
 */
class LooperCallback : public virtual RefBase {
protected:
    virtual ~LooperCallback() { }

public:
    /**
     * Handles a poll event for the given file descriptor.
     * It is given the file descriptor it is associated with,
     * a bitmask of the poll events that were triggered (typically EVENT_INPUT),
     * and the data pointer that was originally supplied.
     *
     * Implementations should return 1 to continue receiving callbacks, or 0
     * to have this file descriptor and callback unregistered from the looper.
     */
    // 用于处理指定的文件描述符poll事件
    virtual int handleEvent(int fd, int events, void* data) = 0;
};

简单翻译一下handleEvent方法的注释：

  • 处理给定文件描述符的轮训事件。
  • 用来 将 最初提供的数据指针和轮训事件的掩码(通常为EVENT_INPUT)来关联的文件描述符。
  • 实现子类如果想继续接收回调则返回1，如果未注册文件描述符和回调则返回0
2、SimpleLooperCallback类

代码在Looper.cpp 118行

class SimpleLooperCallback : public LooperCallback {
protected:
    virtual ~SimpleLooperCallback();
public:
    SimpleLooperCallback(Looper_callbackFunc callback);
    virtual int handleEvent(int fd, int events, void* data);
private:
    Looper_callbackFunc mCallback;
};

它和WeakMessageHandler类一样handleEvent的方法在Looper.cpp 55行

int SimpleLooperCallback::handleEvent(int fd, int events, void* data) {
    // 调用回调方法
    return mCallback(fd, events, data); 
}

(四)、Looper类

1 、 Native层的Looper类简介

Looper.cpp

2 、 Native层的Looper类常量
// 每个epoll实例默认的文件描述符个数
static const int EPOLL_SIZE_HINT = 8; 
 // 轮训事件的文件描述符个数上限
static const int EPOLL_MAX_EVENTS = 16;
3、Native Looper类的常用方法：
方法 解释
Looper（bool） Looper的构造函数
static sp<Looper> prepar(int) 如果该线程没有绑定Looper，才创建Loopr，否则直接返回
int pollOnec(int ,int* int,void) 轮训，等待事件发生
void wake() 唤醒Looper
void sendMessage(const sp<MessageHandler>&handler,const Message&message) 发送消息
int addFd(int,int,int,Looper_callbackFunc,void*) 添加要监听的文件描述符fd
4、Request、Resposne、MessageEvent 三个结构体

Looper类的内部定义了Request、Resposne、MessageEnvelope这三个结构体
关系图如下：

结构体关系图.png
4.1、Request 结构体

代码在Looper.h 420行

// 请求结构体
struct Request { 
    int fd;
    int ident;
    int events;
    int seq;
    sp<LooperCallback> callback;
    void* data;
    void initEventItem(struct epoll_event* eventItem) const;
};
4.2、Resposne 结构体

代码在Looper.h 431行

// 响应结构体
struct Response { 
    int events;
    Request request;
};
4.3、MessageEnvelope 结构体

代码在Looper.h 436行

// 信封结构体
struct MessageEnvelope { 
    MessageEnvelope() : uptime(0) { }
    MessageEnvelope(nsecs_t uptime, const sp<MessageHandler> handler,
            const Message& message) : uptime(uptime), handler(handler), message(message) {
    }
    nsecs_t uptime;
    sp<MessageHandler> handler;
    Message message;
};

MessageEnvelope正如其名字，信封。MessageEnvelope里面记录着收信人(handler)，发信时间(uptime)，信件内容(message)。

5、Native Looper类的类图如下：
类图.png
6 Native Looper的监听文件描述符

Native Looper除了提供message机制外，还提供监听文件描述符的方式。通过addFd()接口加入需要被监听的文件描述符。

代码在Looper.cpp 434行

    int addFd(int fd, int ident, int events, Looper_callbackFunc callback, void* data);
    int addFd(int fd, int ident, int events, const sp<LooperCallback>& callback, void* data);

其中：

  • fd:为所需要监听的文件描述符
  • ident:表示为当前发生时间的标识符，必须>=0,或者为POLL_CALLBACK(-2)如果指定了callback
  • events:表示为要监听的文件类型，默认是EVENT_INPUT。
  • callback:当有事件发生时，会回调该callback函数。
  • data:两种使用方式：
    • 指定callback来处理事件：当该文件描述符上有事件来时，该callback会被执行，然后从fd读取数据。这个时候ident是被忽略的。
    • 通过指定的ident来处理事件：当该文件描述符有数据来到时，pollOnce()会返回一个ident，调用者会判断该ident是否等于自己需要处理事件ident，如果是的话，则开始处理事件。

(####) 五、Java层的addFd

我之前一直以为只能在C层的Looper中才能addFd，原来在Java层也通过JNI做了这个功能。我们可以在MessageQueue中的addOnFileDescriptorEventListener来实现这个功能。
代码在MessageQueue.java 186行

    /**
     * Adds a file descriptor listener to receive notification when file descriptor
     * related events occur.
     * <p>
     * If the file descriptor has already been registered, the specified events
     * and listener will replace any that were previously associated with it.
     * It is not possible to set more than one listener per file descriptor.
     * </p><p>
     * It is important to always unregister the listener when the file descriptor
     * is no longer of use.
     * </p>
     *
     * @param fd The file descriptor for which a listener will be registered.
     * @param events The set of events to receive: a combination of the
     * {@link OnFileDescriptorEventListener#EVENT_INPUT},
     * {@link OnFileDescriptorEventListener#EVENT_OUTPUT}, and
     * {@link OnFileDescriptorEventListener#EVENT_ERROR} event masks.  If the requested
     * set of events is zero, then the listener is unregistered.
     * @param listener The listener to invoke when file descriptor events occur.
     *
     * @see OnFileDescriptorEventListener
     * @see #removeOnFileDescriptorEventListener
     */
    public void addOnFileDescriptorEventListener(@NonNull FileDescriptor fd,
            @OnFileDescriptorEventListener.Events int events,
            @NonNull OnFileDescriptorEventListener listener) {
        if (fd == null) {
            throw new IllegalArgumentException("fd must not be null");
        }
        if (listener == null) {
            throw new IllegalArgumentException("listener must not be null");
        }

        synchronized (this) {
            updateOnFileDescriptorEventListenerLocked(fd, events, listener);
        }
    }

通过上面代码分析，我们知道这里面有两个重点

  • 1 onFileDescriptorEventListener 这个回调
  • 2 updateOnFileDescriptorEventListenerLocked()方法
8.1、OnFileDescriptorEventListener

代码在MessageQueue.java 186行

   /**
     * A listener which is invoked when file descriptor related events occur.
     */
    public interface OnFileDescriptorEventListener {
        /**
         * File descriptor event: Indicates that the file descriptor is ready for input
         * operations, such as reading.
         * <p>
         * The listener should read all available data from the file descriptor
         * then return <code>true</code> to keep the listener active or <code>false</code>
         * to remove the listener.
         * </p><p>
         * In the case of a socket, this event may be generated to indicate
         * that there is at least one incoming connection that the listener
         * should accept.
         * </p><p>
         * This event will only be generated if the {@link #EVENT_INPUT} event mask was
         * specified when the listener was added.
         * </p>
         */
        public static final int EVENT_INPUT = 1 << 0;

        /**
         * File descriptor event: Indicates that the file descriptor is ready for output
         * operations, such as writing.
         * <p>
         * The listener should write as much data as it needs.  If it could not
         * write everything at once, then it should return <code>true</code> to
         * keep the listener active.  Otherwise, it should return <code>false</code>
         * to remove the listener then re-register it later when it needs to write
         * something else.
         * </p><p>
         * This event will only be generated if the {@link #EVENT_OUTPUT} event mask was
         * specified when the listener was added.
         * </p>
         */
        public static final int EVENT_OUTPUT = 1 << 1;

        /**
         * File descriptor event: Indicates that the file descriptor encountered a
         * fatal error.
         * <p>
         * File descriptor errors can occur for various reasons.  One common error
         * is when the remote peer of a socket or pipe closes its end of the connection.
         * </p><p>
         * This event may be generated at any time regardless of whether the
         * {@link #EVENT_ERROR} event mask was specified when the listener was added.
         * </p>
         */
        public static final int EVENT_ERROR = 1 << 2;

        /** @hide */
        @Retention(RetentionPolicy.SOURCE)
        @IntDef(flag=true, value={EVENT_INPUT, EVENT_OUTPUT, EVENT_ERROR})
        public @interface Events {}

        /**
         * Called when a file descriptor receives events.
         *
         * @param fd The file descriptor.
         * @param events The set of events that occurred: a combination of the
         * {@link #EVENT_INPUT}, {@link #EVENT_OUTPUT}, and {@link #EVENT_ERROR} event masks.
         * @return The new set of events to watch, or 0 to unregister the listener.
         *
         * @see #EVENT_INPUT
         * @see #EVENT_OUTPUT
         * @see #EVENT_ERROR
         */
        @Events int onFileDescriptorEvents(@NonNull FileDescriptor fd, @Events int events);
    }

    private static final class FileDescriptorRecord {
        public final FileDescriptor mDescriptor;
        public int mEvents;
        public OnFileDescriptorEventListener mListener;
        public int mSeq;

        public FileDescriptorRecord(FileDescriptor descriptor,
                int events, OnFileDescriptorEventListener listener) {
            mDescriptor = descriptor;
            mEvents = events;
            mListener = listener;
        }
    }
8.2、updateOnFileDescriptorEventListenerLocked()方法

代码在MessageQueue.java 222行

    private void updateOnFileDescriptorEventListenerLocked(FileDescriptor fd, int events,
            OnFileDescriptorEventListener listener) {
        final int fdNum = fd.getInt$();

        int index = -1;
        FileDescriptorRecord record = null;
        if (mFileDescriptorRecords != null) {
            index = mFileDescriptorRecords.indexOfKey(fdNum);
            if (index >= 0) {
                record = mFileDescriptorRecords.valueAt(index);
                if (record != null && record.mEvents == events) {
                    return;
                }
            }
        }

        if (events != 0) {
            events |= OnFileDescriptorEventListener.EVENT_ERROR;
            if (record == null) {
                if (mFileDescriptorRecords == null) {
                    mFileDescriptorRecords = new SparseArray<FileDescriptorRecord>();
                }
                //fd保存在FileDescriptorRecord对象
                record = new FileDescriptorRecord(fd, events, listener);
                // mFileDescriptorRecords 保存
                mFileDescriptorRecords.put(fdNum, record);
            } else {
                record.mListener = listener;
                record.mEvents = events;
                record.mSeq += 1;
            }
            // 调用native函数
            nativeSetFileDescriptorEvents(mPtr, fdNum, events);
        } else if (record != null) {
            record.mEvents = 0;
            mFileDescriptorRecords.removeAt(index);
        }
    }
8.2.1、android_os_MessageQueue_nativeSetFileDescriptorEvents()函数

根据Android跨进程通信IPC之3——关于"JNI"的那些事中知道，nativeInit这个native方法对应的是android_os_MessageQueue.cpp里面的android_os_MessageQueue_nativeSetFileDescriptorEvents(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong ptr, jint fd, jint events)函数

代码在android_os_MessageQueue.cpp 204行

static void android_os_MessageQueue_nativeSetFileDescriptorEvents(JNIEnv* env, jclass clazz,
        jlong ptr, jint fd, jint events) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    nativeMessageQueue->setFileDescriptorEvents(fd, events);
}

我们看到这个函数里面调用了nativeMessageQueue的setFileDescriptorEvents(fd, events);函数。

8.2.2、NativeMessageQueue::setFileDescriptorEvents(int fd, int events)函数

代码在android_os_MessageQueue.cpp 125行

void NativeMessageQueue::setFileDescriptorEvents(int fd, int events) {
    if (events) {
        int looperEvents = 0;
        if (events & CALLBACK_EVENT_INPUT) {
            looperEvents |= Looper::EVENT_INPUT;
        }
        if (events & CALLBACK_EVENT_OUTPUT) {
            looperEvents |= Looper::EVENT_OUTPUT;
        }
        // 重点代码
        mLooper->addFd(fd, Looper::POLL_CALLBACK, looperEvents, this,
                reinterpret_cast<void*>(events));
    } else {
        mLooper->removeFd(fd);
    }
}

我们看到了在这个函数内部调用了mLooper的addFd函数。

大家注意一下Looper的addFd函数，中的倒数二个参数是this，侧面说明了NativeMessageQueue继承了LooperCallback。

代码在android_os_MessageQueue.cpp 41行

class NativeMessageQueue : public MessageQueue, public LooperCallback {
public:
    NativeMessageQueue();
    virtual ~NativeMessageQueue();

    virtual void raiseException(JNIEnv* env, const char* msg, jthrowable exceptionObj);

    void pollOnce(JNIEnv* env, jobject obj, int timeoutMillis);
    void wake();
    void setFileDescriptorEvents(int fd, int events);

    virtual int handleEvent(int fd, int events, void* data);
   ...
}

所以说，需要实现handleEvent()函数。handleEvent()函数就是在looper中epoll_wait之后，当我们增加的fd有数据就会调用这个函数。

代码在android_os_MessageQueue.cpp 141行

int NativeMessageQueue::handleEvent(int fd, int looperEvents, void* data) {
    int events = 0;
    if (looperEvents & Looper::EVENT_INPUT) {
        events |= CALLBACK_EVENT_INPUT;
    }
    if (looperEvents & Looper::EVENT_OUTPUT) {
        events |= CALLBACK_EVENT_OUTPUT;
    }
    if (looperEvents & (Looper::EVENT_ERROR | Looper::EVENT_HANGUP | Looper::EVENT_INVALID)) {
        events |= CALLBACK_EVENT_ERROR;
    }
    int oldWatchedEvents = reinterpret_cast<intptr_t>(data);
    // 调用回调
    int newWatchedEvents = mPollEnv->CallIntMethod(mPollObj,
            gMessageQueueClassInfo.dispatchEvents, fd, events); /
    if (!newWatchedEvents) {
        return 0; // unregister the fd
    }
    if (newWatchedEvents != oldWatchedEvents) {
        setFileDescriptorEvents(fd, newWatchedEvents);
    }
    return 1;
}

最后在java的MessageQueue中的dispatchEvent就是在jni层反调过来的，然后调用之前注册的回调函数

代码在MessageQueue.java259行

    // Called from native code.
    private int dispatchEvents(int fd, int events) {
        // Get the file descriptor record and any state that might change.
        final FileDescriptorRecord record;
        final int oldWatchedEvents;
        final OnFileDescriptorEventListener listener;
        final int seq;
        synchronized (this) {
            record = mFileDescriptorRecords.get(fd);
            if (record == null) {
                return 0; // spurious, no listener registered
            }

            oldWatchedEvents = record.mEvents;
            events &= oldWatchedEvents; // filter events based on current watched set
            if (events == 0) {
                return oldWatchedEvents; // spurious, watched events changed
            }

            listener = record.mListener;
            seq = record.mSeq;
        }

        // Invoke the listener outside of the lock.
        int newWatchedEvents = listener.onFileDescriptorEvents(
                record.mDescriptor, events);
        if (newWatchedEvents != 0) {
            newWatchedEvents |= OnFileDescriptorEventListener.EVENT_ERROR;
        }

        // Update the file descriptor record if the listener changed the set of
        // events to watch and the listener itself hasn't been updated since.
        if (newWatchedEvents != oldWatchedEvents) {
            synchronized (this) {
                int index = mFileDescriptorRecords.indexOfKey(fd);
                if (index >= 0 && mFileDescriptorRecords.valueAt(index) == record
                        && record.mSeq == seq) {
                    record.mEvents = newWatchedEvents;
                    if (newWatchedEvents == 0) {
                        mFileDescriptorRecords.removeAt(index);
                    }
                }
            }
        }

        // Return the new set of events to watch for native code to take care of.
        return newWatchedEvents;
    }

四、总结

(一)、Native与Java的对应关系

MessageQueue通过mPtr变量保存了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消息，下图列举了Java层与Native层的对应图

对应图.png

图解：

  • 1、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Java如何调用C++代码，C++代码如何调用Java代码
  • 2、蓝色虚线关系：Handler/Looper/Message这三大类Java层与Native层并没有任何真正的关系，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。
  • 3、WeakMessageHandler继承与MessageHandler类，NativeMessageQueue继承于MessageQueue类。

另外，消息处理流程是先处理NativeMessage，再处理Native Request，最后处理Java Message。理解了该流程也就明白了有时上层消息很少，但响应时间却比较长的真正原因。

(二)、Native的流程

整体流程如下：

整体流程.png

四 总结

Handler机制中Native的实现主要涉及了两个类

  • 1、NativeMessageQueue：在MessageQueue.java的构造函数中，调用了nativeInit创建了NativeMessageQueue对象，并且把指针变量返回给Java层的mPtr。而在NativeMessageQueue的构造函数中，会在当前线程中创建C++的Looper对象。
  • 2、Looper：控制eventfd的读写，通过epoll监听eventfd的变化，来阻塞调用pollOnce和恢复调用wake当前线程
    • 通过 epoll监听其他文件描述符的变化
    • 通过 epoll处理C++层的消息机制，当调用Looper::sendMessageAtTime后，调用wake触发epoll
    • Looper的构造函数，创建一个eventfd(以前版本是pipe)，eventfd它的主要用于进程或者线程间的通信，然后创建epoll来监听该eventfd的变化
    • Looper::pollOnce(int timeoutMillis) 内部调用了pollInner，再调用epoll_wait(mEpollFd, ..., timeoutMillis)阻塞timeoutMills时间，并监听文件描述符mEpollFd的变化，当时间到了或者消息到了，即eventfd被写入内容后，从epoll_wait继续往下执行，处理epoll_wait返回的消息，该消息既有可能是eventfd产生的，也可能是其他文件描述符产生的。处理顺序是，先处理普通的C++消息队列mMessageEnvelopes，然后处理之前addFd的事件，最后从pollOnce返回，会继续MessageQueue.java的next()函数，取得Java层的消息来处理；
    • Looper类的wake，函数只是往mWakeEventfd中写了一些内容，这个fd只是通知而已，类似pipe，最后会把epoll_wait唤醒，线程就不阻塞了，继续先发送C层消息，然后处理之前addFd事件，然后处理Java层消息
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