前言
談到 Android 的消息機制，相信大家應該不陌生，在日常開發中不可避免要接觸到這方面的內容，而且這也是面試中常被問到的內容，最近本著「Read the Fucking Source Code」的原則，每天花半個小時開始看源碼，從 Android 消息機制開始。本文的內容借鑒了「Android 開發藝術探索」，在此強烈向大家推薦這本書，可以說是 Android 進階必備，質量真的相當高。
一、Android 消息機制的概述
Android 消息機制的主要是指的是 Handler 的運行機制以及 Handler 所附帶的 MessageQueue 和 Looper 的工作過程，這三者實際上是一個整體，只不過我們在開發過程中比較多地接觸 Handler 而已。
Handler 的主要功能是將任務切換到某個指定的線程中去執行，那么 Android 為什么要提供這個功能呢？這是因為 Android 規定訪問 UI 只能在主線程中進行，如果在子線程中訪問 UI，那么程序就會拋出異常。
那為什么 Android 不允許子線程中訪問 UI 呢？這是因為 Android 的 UI 控件并不是線程安全的，如果在多線程中并發訪問可能會導致 UI 控件處于不可預期的狀態，那還有一個問題，為什么系統不對 UI 控件的訪問加上鎖機制呢？缺點有兩個：
- 加上鎖機制會讓 UI 訪問的邏輯變得復雜
- 鎖機制會降低 UI 訪問的效率，因為鎖機制會阻塞某些線程的執行
Handler 創建完畢后，這個時候其內部的 Looper 以及 MessageQueue 就可以和 Handler 一起協同工作了，然后通過 Handler 的 post() 方法將一個 Runnable 投遞到 Handler 的內部的 Looper 中去處理，也可以通過 Handler 的 send() 方法發送一個消息，這個消息同樣會在 Looper 中去處理。其實 post() 方法最終也是通過 send() 方法來完成的。
接下來談下 send() 的工作過程。當 Handler 的 send() 方法被調用時，它會調用 MessageQueue 的 enqueueMessage() 方法將這個消息放入消息隊列中，然后 Looper 發現有新消息到來時，就會處理這個消息，最終消息中的 Runnable 或 Handler 的 handleMessage() 就會被調用。注意 Looper 是運行在創建 Handler 所在的線程中去執行的，這樣一來 Handler 中的業務邏輯就被切換到創建 Handler 所在的線程中去執行了。
二、消息隊列的工作原理
消息隊列在 Anroid 中指的是 MessageQueue，MessageQueue 主要包含兩個操作：插入和讀取。讀取操作本身會伴隨著刪除操作，插入和刪除對應的方法分別為：enqueueMessage() 和 next()，其中 enqueueMessage() 的作用是往消息隊列中插入一條消息，而 next() 的作用是從消息隊列中取出一條消息并將其從消息隊列中移除。盡管 MessageQueue 叫做消息隊列，但是它的內部實現并不是用的隊列，實際上它是通過一個單鏈表的數據結構來維護消息隊列的，因為單鏈表在插入和刪除上比較有優勢。
接下來看下它的 enqueueMessage() 和 next() 方法的實現，enqueueMessage() 的源碼如下所示：
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
synchronized (this) {
...
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;
}
可以看到 enqueueMessage() 中，主要就是進行了單鏈表的插入操作。
接下來看看 next() 的源碼：
Message next() {
// Return here if the message loop has already quit and been disposed.
// This can happen if the application tries to restart a looper after quit
// which is not supported.
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 (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
msg.markInUse();
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(TAG, "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;
}
}
可以看到 next() 方法是一個無限循環的方法，如果消息隊列中沒有消息，那么 next() 方法會一直阻塞在這里，當有新消息到來時，next() 方法會返回這條消息并將其從消息隊列中刪除。
三、Looper 的工作原理
Looper 在 Android 的消息機制中扮演著消息循環的角色，具體來說就是它會不停地從 MessageQueue 中查看是否有新的消息，如果有新消息就回立刻處理，否則就一直阻塞在那里。
先來看下它的構造方法：
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
在構造方法中，它會創造一個 MessageQueue 即消息隊列，然后將當前的線程對象進行保存。
我們知道，Handler 的工作需要 Looper，沒有 Looper 的線程就會報錯，那么如何為一個線程創建 Looper 呢？其實很簡單，通過 Looper.prepare() 就可以為當前線程創建一個 Looper，接著通過 Looper.loop() 來開啟消息循環。
Looper 除了 prepare() 方法外，還提供了 prepareMainLooper() 方法，這個方法主要是給主線程創建 Looper 使用的，其本質也是通過 prepare() 方法來實現的。Looper 還提供了 quit() 和 quitSafely() 兩個方法來退出一個 Looper，兩者的區別是：quit() 會直接退出 Looper，而 quitSafely() 只是設定一個退出標識，然后把消息隊列中的消息處理完畢后才安全地退出。
public void quitSafely() {
mQueue.quit(true);
}
Looper 最重要的一個方法是 loop() 方法，只有調用了 loop() 后，消息循環系統才會真正地起作用，Looper 的 loop() 方法的工作過程也比較好理解，loop() 方法是一個死循環，唯一跳出循環的方式是 MessageQueue 返回 null，當 Looper 的 quit() 被調用時，Looper 就會調用 MessageQueue 的 quit() 或者 quitSafely() 方法來通知消息隊列退出，當前消息隊列被標記為退出狀態時，它的 next 方法就回返回 null。
四、Handler 的工作原理
Handler 的工作主要包括消息的發送和接收過程。消息的發送可以通過 post() 的一系列方法以及 send() 的一系列方法來實現，post() 的一系列方法最終也是通過 send() 的一系列方法來實現的。發送一條消息的典型過程如下所示。
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);
}
可以發現，Handler 發送消息的過程僅僅是向消息隊列中插入一條消息，MessageQueue 的 next() 方法就會返回這條消息給 Looper，Looper 收到消息就開始處理，最終消息由 Looper 交給 Handler 進行處理，即 dispatchMessage() 方法會被調用，這時 Handler 就進入了處理消息的階段，dispatchMessage() 的具體實現如下所示：
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
Handler 處理消息的過程如下：
首先檢查 Message 的 callback 是否為 null，不為 null，就通過 handleCallback() 來處理消息，Message 的 callback 是一個 Runnable 對象，實際上就是 Handler 的 post() 方法所傳遞的 Runnable 參數。handleCallback 的邏輯也比較簡單，如下所示。
private static void handleCallback(Message message) {
message.callback.run();
}
其次，檢查 mCallback 是否為 null，不為 null 則調用 mCallback.handleMessage() 方法來處理消息。最后調用 Handler 的 handleMessage() 方法來處理消息。
總結
Android 的消息機制主要指 Handler 的運行機制，以及 Handler 所附帶的 MessageQueue 和 Looper 的工作過程，三者是一個整體。當我們要將任務切換到某個指定的線程（如 UI 線程）中執行的時候，會通過 Handler 的 send(Message message msg) 和 post(Runnable r) 進行消息的發送，post()方法最終也是通過 send() 方法來完成的。
發送的消息會插入到 MessageQueue 中（MessageQueue 雖然叫做消息隊列，但是它的內部實現并不是隊列，而是單鏈表，因為單鏈表在插入和刪除上比較有優勢），然后 Looper 通過 loop() 方法進行無限循環，判斷 MessageQueue 是否有新的消息，有的話就立刻進行處理，否則就一直阻塞在那里，loop() 跳出無限循環的唯一條件是 MessageQueue 返回 null。
Looper 將處理后的消息交給 Handler 進行處理，然后 Handler 就進入了處理消息的階段，此時便將任務切換到 Handler 所在的線程，我們的目的也就達到了。
