1.前言
本篇所要讲的是Android消息机制，在开发和面试中经常会涉及的内容。有些同学可能知道消息机制是创建Handler、发送消息、更新UI一系列的操作，但并没有了解到底是为什么要这样做或者内部到底如何实现。
本篇文章，将由基础深入源码，为大家全面解析Android的消息机制。俗话说得好“知己知彼百战百胜”，接下来咱们深入浅出的交流一下！
2.概念
本节都是基础，我化身十万个为什么提出以下几个问题！如果读者都明了那就直接跳向下一节！
Android的消息机制是什么？
Android的消息机制主要是指Handler的运行机制，主要作用是将当前线程任务切换到指定线程中去执行。-
为什么会有消息机制？
因为Android在内部规定访问UI必须在主线程中去执行，如果在子线程中执行UI会抛出异常。有的同学会说：“那我们全部在主线程中操作不就好啦？”。这样也是不行的，如若该UI有访问网络等耗时操作在主线程中，会阻塞程序，并且导致ANR异常。这样我们只能在子线程中执行耗时操作，在主线程中更新UI，所以这就是Android提供消息机制的原因。
总结一下，主要有两个原因：- 子线程访问UI会抛出异常
- 主线程中执行耗时操作会发生ANR异常
-
消息机制的原理是什么？
说到原理，就不得不说3+1兄弟！
Handler、MessageQueue、Looper + ThreadLocal
3+1兄弟是消息机制的核心，只要掌握了这几兄弟，掌握消息机制就不在话下了！- Handler：它的工作主要包含消息的发送和接收过程。
- MessageQueue：它是消息队列，是用来存储消息Handler发来的消息。它的内部并不是真正的队列，而是采用单链表来存储消息。
- Looper：MessageQueue只能存储消息，但并不能发送消息，这点就由Looper来解决。Looper内部是一个无限循环，从MessageQueue查找是否有新消息，如果有就将消息传递给目标线程的Handler，如果没有就一直等待。
- ThreadLocal：为啥把ThreadLocal说成+1兄弟呢？因为这小伙子起到一个辅助作用。Handler创建的时候都会使用当前线程的Looper来构建循环系统，那么怎么样在Handler内部找到这个线程的Looper呢？那就用到了ThreadLocal，ThreadLocal可以在不同线程中互不干扰的存储并提供数据，那找到不同线程Looper就很简单啦。
-
消息机制的流程？
说完了3+1兄弟，是时候把他们合起来了。以访问网络获取数据并展示到TextView为例：- 创建Handler：在Activity的主线程中创建Handler，主线程自带Looper，所以不需要创建。
- 发送消息到MessageQueue：创建子线程获取登录信息，成功后，使用Handler的send或者post方法发送结果到MessageQueue的enqueueMessage方法将这个消息放入消息队列中。
- Looper处理消息：此时Looper发现了这个消息，然后将它转发给目标Handler。此时已经到了主线程中，将数据摆放在TextView上。
消息机制的原理到这已经差不多有了头绪。具体的深入分析咱们下一章跟着源码一起来！
3.原理分析
上一节对Android的消息机制做了一个概括的描述，本节会对Android消息机制的源码和实现原理做一个全面的分析，主要包括Handler、MessageQueue、Looper和ThreadLocal。通过本节的学习，同学们会对消息机制有一个深入的理解。
3.1 ThreadLocal
咱们先来介绍ThreadLocal，会对Looper有一个更好的理解。
ThreadLocal是一个数据储存类，并保证在每个线程的数据互相独立，可以在指定的线程储存数据，并且只有在指定的线程能够获取数据，对于其他线程无法获取到。
ThreadLoacl在什么情况下使用呢？
平时在开发的时候使用的并不多，以下两种情况可以考虑使用：
1.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的时候
2.如果某些数据需要贯穿线程的执行过程，就可以考虑使用ThreadLoaclThreadLocal为什么会有数据独立效果呢？
因为ThreadLocal的内部有set()和get()方法，并且set()和get()方法操作的数据源都保存在各个Thread（线程）中，互相独立，互不影响。
那这样接下来咱们就来分析一下源码看看我所说的到底对不对！
首先来看ThreadLoacl的set()方法。
public void set(T value) {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
Values values = values(currentThread);
if (values == null) {
values = initializeValues(currentThread);
}
values.put(this, value);
}
这个方法非常的简单，根据当前线程获取当前的数据，但是有几点疑问
-
传入参数的T是什么？
ThreadLocal是一个泛型类，它的定义是public class ThreadLocal<T>，所以T是泛型，是咱们想要保存的类 。 -
Values是什么类？
Values是ThreadLocal的内部类，用来在Thread中存储ThreadLocal的数据。在Thread中有一个成员变量ThreadLocal.Values localValues。 -
values(currentThread)方法做了什么？
将当前线程的Values取出。
Values values(Thread current) {
return current.localValues;
}
-
initializeValues(currentThread)方法做了什么？
给当前线程的localValues，赋值一个初始值。
Values initializeValues(Thread current) {
return current.localValues = new Values();
}
解答完以上这几点疑问，set()的源码就可以理解的非常清晰了。
先获取当前线程的Values数据，如果数据为null，则给当前线程的Values赋一个初值，然后将要传递的数据传入这个Values。
那又有一个问题来了，Values是究竟如何保存这些数据的呢？
下面是Values中put的源码。
void put(ThreadLocal<?> key, Object value) {
cleanUp();
// Keep track of first tombstone. That's where we want to go back
// and add an entry if necessary.
int firstTombstone = -1;
for (int index = key.hash & mask;; index = next(index)) {
Object k = table[index];
if (k == key.reference) {
// Replace existing entry.
table[index + 1] = value;
return;
}
if (k == null) {
if (firstTombstone == -1) {
// Fill in null slot.
table[index] = key.reference;
table[index + 1] = value;
size++;
return;
}
// Go back and replace first tombstone.
table[firstTombstone] = key.reference;
table[firstTombstone + 1] = value;
tombstones--;
size++;
return;
}
// Remember first tombstone.
if (firstTombstone == -1 && k == TOMBSTONE) {
firstTombstone = index;
}
}
}
从源码中可以看到一个数组table[]出现频率非常的高，可能大家也明白了，没错Values中就是用数组来保存数据的！在代码中的定义是这样的private Object[] table。
这个逻辑比较简单，咱们不再去分析逻辑，但是可以看出其中数据存储的规则。根据table[index] = key.reference; table[index + 1] = value，可以发现要保存的数据总是保存在ThreadLocal的reference字段的下一个位置。比如ThreadLocal的reference作为key保存在index位置，那咱们保存的数据就保存在index+1的位置。
上面详解了set()方法，那咱们继续来看get()方法，如下所示。
public T get() {
// Optimized for the fast path.
Thread currentThread = Thread.currentThread();
Values values = values(currentThread);
if (values != null) {
Object[] table = values.table;
int index = hash & values.mask;
if (this.reference == table[index]) {
return (T) table[index + 1];
}
} else {
values = initializeValues(currentThread);
}
return (T) values.getAfterMiss(this);
}
get()的方法就比较简单了，获取当前线程的Values，如果Values是空的就创建一个新的Values。如果不是空的就从中取出table[]，获取key的index并进行对比，如果table[index]是该ThreadLocal的reference，那么table[index+1]就是我们所保存的数据。
从ThreadLocal的 set 和 get 和方法可以看出，操作的数据就是ThreadLocal里面Values的table[]数组，并且每个线程都有独立的Values，互不干扰。这样就算不同线程使用同一个ThreadLocal的set和get方法，也不会互相干扰，所做的都是在各自线程中独立的。
3.2 MessageQueue
MessageQueue是接收Handler数据保存并传递的地方。之前介绍它叫消息队列，然而它的内部并不是一个队列，实际上是通过一个单链表的数据结构来保存删除数据的，因为单链表在插入和删除上比较快。
MessageQueue主要有两个操作：插入和读取。插入使用enqueueMessage方法来向消息队列中插入消息，读取使用next方法来从消息队列中读取一条消息并将其从消息队列中移除。
接下来是插入的enqueueMessage方法源码。
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("MessageQueue", 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 {
// Inserted within the middle of the queue. Usually we don't have to wake
// up the event queue unless there is a barrier at the head of the queue
// and the message is the earliest asynchronous message in the queue.
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;
}
// We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}
可以看出该方法就是典型的单链表的插入操作，具体细节大家可以研究下源码，咱们以理解流程为主。
接下来咱们看一下读取的next方法。
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) {
// 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) {
// Stalled by a barrier. Find the next asynchronous message in the queue.
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
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;
if (false) Log.v("MessageQueue", "Returning message: " + msg);
return msg;
}
} else {
// No more messages.
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
// Process the quit message now that all pending messages have been handled.
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
// If first time idle, then get the number of idlers to run.
// Idle handles only run if the queue is empty or if the first message
// in the queue (possibly a barrier) is due to be handled in the future.
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);
}
// Run the idle handlers.
// We only ever reach this code block during the first iteration.
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("MessageQueue", "IdleHandler threw exception", t);
}
if (!keep) {
synchronized (this) {
mIdleHandlers.remove(idler);
}
}
}
// Reset the idle handler count to 0 so we do not run them again.
pendingIdleHandlerCount = 0;
// While calling an idle handler, a new message could have been delivered
// so go back and look again for a pending message without waiting.
nextPollTimeoutMillis = 0;
}
}
可以发现next方法是一个无限循环，如果队列中没有消息的时候就会堵塞，当队列中有消息就把这条消息返回并从队列中删除。
3.3 Looper
Looper是消息循环器，它的内部是一个无限循环，从MessageQueue中不停查找是否有新消息，如果没有就堵塞，如果有就立刻处理。
3.3.1 Looper的创建
线程如果想要使用Handler那必须有Looper，否则会报错，那么如何为一个线程创建Looper呢？创建过程如下所示。
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Looper.prepare();
Handler handler = new Handler();
Looper.loop();
}
}).start();
Looper.prepare()的功能是创建Looper，具体原理，直接看一下源码。
public static void prepare() {
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));
}
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
代码中Looper.prepare()直接调用了prepare(boolean quitAllowed)方法，prepare(boolean quitAllowed)中有之前所说的ThreadLocal，每个线程只保存自己的Looper。
- 如果当前线程中已经创建过Looper，重复创建会抛出异常，所以在同一个线程中只能调用一次Looper.prepare()。
- 如果没有创建过Looper，就向ThreadLocal中保存一份新的Looper。
- Looper的构造方法中创建了MessageQueue，也保存了当前的线程的对象。
以上是Looper的初始化过程，创建Looper时同时创建了MessageQueue，保存了当前线程的对象，并将其放到ThreadLocal中保证每个线程中都使用自己的Looper。
3.3.2 Looper的循环
在上面的创建过程中，并没有看到Looper的工作机制，那Looper的工作在哪里开始进行呢？
创建过程当中，Handler创建之后，有一行代码Looper.loop()，字面翻译就是消息循环器开始循环吧！所以loop()方法就是开始循环的地方，下面看一下源码。
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;
// Make sure the identity of this thread is that of the local process,
// and keep track of what that identity token actually is.
Binder.clearCallingIdentity();
final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
for (;;) {
Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
// This must be in a local variable, in case a UI event sets the logger
Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
msg.target.dispatchMessage(msg);
if (logging != null) {
logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
}
// Make sure that during the course of dispatching the
// identity of the thread wasn't corrupted.
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();
}
}
上面代码是不是看起来也很清晰？
myLooper()方法会从ThreadLocal中获取当前Thread的Looper，如果没有就会抛出异常，所以在执行loop方法之前一定要先执行prepare方法进行初始化。
再往下看loop()方法内部有一个死循环，死循环中会不停的执行MessageQueue 的 next 方法获取消息，唯一能跳出死循环的方式是 next 方法返回了 null 。
Looper 的 loop 方法是一个死循环，等待next方法返回消息，而MessageQueue 的 next 方法也是一个死循环，当没有消息的时候处于堵塞状态，所以 next 方法的阻塞导致了 loop 方法的阻塞。
当有消息传递过来，Looper 的 loop 方法执行msg.target.dispatchMessage(msg) 来处理这条消息，msg.target 是发送这条消息的 Handler 对象，会将消息传递给该 Handler 的 dispatchMessage 方法。这个传递会从发送消息的线程的 Looper 传递给创建 Handler 的线程的 Looper，这样就完成了线程的切换。
3.3.3 Looper的退出
Looper虽然是死循环但也是可以退出的，上面说到唯一退出循环的方式就是 MessageQueue 的 next 方法返回了 null。
那 Looper 退出的意义是啥？举个栗子，如果一个线程已经结束任务了，然而 Looper 依然在不停地循环，那这个 Thread 就无法释放处于等待状态，只有 Looper 退出，这个线程才会终止。推荐在线程执行完毕的时候结束Looper。
Looper 提供了一个退出方法叫 quit(boolean safe)，会让 Looper 退出循环，传入参数若为 true，会等所有的消息执行完毕再退出，若为false，则直接退出。
3.4 Handler
Handler的工作主要包括发送和接收消息，本章主要介绍handler的发送接收和创建。
3.4.1 Handler的创建
Handler的创建一定要有Looper，咱们看源码来揭示原因。
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 that has not called Looper.prepare()");
}
mQueue = mLooper.mQueue;
mCallback = callback;
mAsynchronous = async;
}
咱们看到了熟悉的代码，Looper.myLooper()，用来获取当前线程的Looper，如果当前线程没有Looper则抛出异常。
有的同学会问了，为什么主线程创建Handler不需要创建Looper呢？因为主线程在创建的时候已经在内部创建了Looper，咱们来看一下ActivityThread的main方法。
public static void main(String[] args) {
......
Looper.prepareMainLooper();
ActivityThread thread = new ActivityThread();
thread.attach(false);
if (sMainThreadHandler == null) {
sMainThreadHandler = thread.getHandler();
}
AsyncTask.init();
if (false) {
Looper.myLooper().setMessageLogging(new
LogPrinter(Log.DEBUG, "ActivityThread"));
}
Looper.loop();
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
Looper内部提供了 prepareMainLooper 方法来创建主线程的 Looper，然后在其后执行了 Looper.loop()。具体 ActivityThread 何时执行这里就不讲了，大家有兴趣可以去学习下。
3.4.2 Handler发送消息
Handler 的发送有 post 和 send 两类方法，所有的 post 方法都会执行到 send 方法中，所以咱们直接来看send的代码，以sendMessage为例。
public final boolean sendMessage(Message msg){
return sendMessageDelayed(msg, 0);
}
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);
}
private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
msg.target = this;
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
最后消息被传递到 enqueueMessage 方法中，将 Message 的 target 设置为当前 Handler，然后将 Message 传递给 MessageQueue 的 enqueueMessage当中，插入到消息队列里面。这就是发送的全部逻辑。
3.4.3 Handler接收消息
当 Looper 将消息传递给 Handler 的 dispatchMessage 方法时，Handler 已经接收到这个消息了，看一下是如何处理的。
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
private static void handleCallback(Message message) {
message.callback.run();
}
当 Handler 初始化的时候如果 msg.callback 不为空的时候就执行 handleCallback 方法，callback 是一个 Runnable ，直接执行run方法。
如果 msg.callback 为 null，那再判断是否有 mCallBack，它是一个Callback的对象，它的赋值是在 Handler 初始化的时候，Handler handler = new Handler(callback) 。如果 mCallback 不为空，就调用 mCallback 的 handleMessage 方法。
那 Callback 存在的意义是什么？可以用来创建一个 Handler 的实例并且不需要创建新的子类。平时我们在做的时候一定会创建一个新的子类来接受数据。这给了我们创建 Handler 一种新的方式。
如果 mCallback 为 null，那就执行Handler的 handleMessage 方法。
到这里所有的 Handler、Looper、MessageQueue、ThreadLocal 都分析完了。
4.总结
咱们再来把消息机制的流程顺一遍！
- 在线程中创建 Looper ，主线程除外，Looper.prepare(); Looper.loop()。在Looper的内部，初始化 Looper 的同时初始化MessageQueue。
- 使用 Handler 的 send 或者 post 方法发送消息，调用 MessageQueue 的 enqueueMessage 方法插入到消息队列中。
- Looper 无限循环调用 MessageQueue 的 next 方法获取消息，如果获取到就传递给 Handler 的 dispatchMessage 方法，如果没有消息就堵塞住。
这样消息机制的流程就走完一遍了，希望大家读完这篇文章，会对消息机制有一个更深入的了解。如果我的文章能给大家带来一点点的福利，那在下就足够开心了。
下次再见！
