本文转载自：Handler源码解析
本文基于Android 10.0源码分析
1.基本原理回顾
在android开发中，经常会在子线程中进行一些操作，当操作完毕后会通过handler发送一些数据给主线程，通知主线程做相应的操作。最常见一种用法就是在子线程中处理耗时操作，然后在主线程中更新UI显示。
探索其背后的原理：子线程-handler-主线程，其实构成了线程模型中的经典问题：生产者-消费者模型。 生产者-消费者模型：生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间，生产者往存储空间中添加数据，消费者从存储空间中取走数据。
Handler1-1.PNG
优点：
-
保证数据生产消费的顺序（通过MessageQueue，先进先出）；
-
不管是生产者（子线程）还是消费者（主线程）都只依赖缓冲区（handler）；
-
生产者消费者之间不会相互持有，使他们之间没有任何耦合。
2.Handler机制的相关类
-
Hanlder：发送和接收消息；
-
Thread（ThreadLocal）：存储Looper对象的；
-
Looper：用于轮询消息队列，一个线程只能有一个Looper；
-
Message： 消息实体；
-
MessageQueue： 消息队列用于存储消息和管理消息。
2.1 Thread（ThreadLocal）
Handler机制用到的跟Thread相关的，而根本原因是Handler必须和对应的Looper绑定，而Looper的创建和保存是跟Thread一一对应的，也就是说每个线程都可以创建唯一一个且互不相关的Looper，这是通过ThreadLocal来实现的，也就是说是用ThreadLocal对象来存储Looper对象的，从而达到线程隔离的目的。
// frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
if (sThreadLocal.get() != null) { // 不为空表示当前线程已经创建了Looper
// 每个线程只能创建一个Looper
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
// 创建Looper并设置给sThreadLocal,这样get的时候就不会为null了
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
2.2 Handler
Handler()
Handler(Callback callback)
Handler(Looper looper)
Handler(Looper looper, Callback callback)
Handler(boolean async)
Handler(Callback callback, boolean async)
Handler(Looper looper, Callback callback, boolean async)
2.2.1 创建Handler
创建Handler大体上有两种方式。
（1）不传Looper
这种就需要在创建Handler前，预先调用Looper.prepare来创建当前线程的默认Looper，否则会报错。最常见的创建handler：
Handler handler = new Handler(){
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
super.handleMessage(msg);
}
};
在内部调用this(null, false)。
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
public Handler(@Nullable Callback callback, boolean async) {
...
mLooper = Looper.myLooper();;//获取Looper，注意不是创建Looper！
if (mLooper == null) {
throw new RuntimeException(
"Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
+ " that has not called Looper.prepare()");
}
mQueue = mLooper.mQueue;//创建消息队列MessageQueue
mCallback = callback;//初始化了回调接口
mAsynchronous = async;
}
Looper.myLooper()：
// frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java
//这是Handler中定义的ThreadLocal，ThreadLocal主要解多线程并发的问题
// sThreadLocal.get() will return null unless you've called prepare().
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
public static @Nullable Looper myLooper() {
return sThreadLocal.get();
}
sThreadLocal.get() will return null unless you’ve called prepare()。这句话告诉我们get可能返回null，除非先调用prepare()方法创建Looper。下面Looper里会介绍。
（2）传入指定的Looper
这种就是Handler和指定的Looper进行绑定，也就是说Handler其实是可以跟任意线程进行绑定的，不局限于在创建Handler所在的线程里。
2.2.2 async参数
这里Handler有个async参数，通过这个参数表明通过这个Handler发送的消息全都是异步消息，因为在把消息压入队列的时候，会把这个标志设置到message里。这个标志是全局的，也就是说通过构造Handler函数传入的async参数，就确定了通过这个Handler发送的消息都是异步消息，默认是false，即都是同步消息。至于这个异步消息有什么特殊的用途，我们在后面讲了屏障消息后，再联系起来讲。
// frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java
private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
msg.target = this;
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
2.2.3 callback参数
这个回调参数是消息被分发之后的一种回调，最终是在msg调用Handler的dispatchMessage时，根据实际情况进行回调：
// Looper.loop()中会调用
msg.target.dispatchMessage(msg);
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
2.3 Looper
用于为线程运行消息循环的类。默认线程没有与它们相关联的Looper；所以要在运行循环的线程中调用prepare()，然后调用loop()让它循环处理消息，直到循环停止。
// frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java
// prepare()关联Looper
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));
}
//------------------------------------
// 循环处理消息
public static void loop() {
...
for (;;) {
...
}
...
}
//------------------------------------
// 线程中调用prepare()，然后调用loop()让它循环处理消息
class LooperThread extends Thread {
public Handler mHandler;
public void run() {
Looper.prepare();
mHandler = new Handler() {
public void handleMessage(Message msg) {
Message msg=Message.obtain();
}
};
Looper.loop();
}
}
2.3.1 创建Looper
既然在使用Looper前，必须调用prepare创建Looper，为什么我们平常在主线程里没有看到调用prepare呢？这是因为Android主线程创建的时候，在ActivityThread的入口main方法里就已经默认创建了Looper。
// frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java
public static void main(String[] args) {
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ActivityThreadMain");
...
Looper.prepareMainLooper(); // 初始化Looper和MessageQueue
// Find the value for {@link #PROC_START_SEQ_IDENT} if provided on the command line.// It will be in the format "seq=114"long startSeq = 0;
if (args != null) {
for (int i = args.length - 1; i >= 0; --i) {
if (args[i] != null && args[i].startsWith(PROC_START_SEQ_IDENT)) {
startSeq = Long.parseLong(
args[i].substring(PROC_START_SEQ_IDENT.length()));
}
}
}
ActivityThread thread = new ActivityThread(); // 创建ActivityThread
thread.attach(false, startSeq);
if (sMainThreadHandler == null) {
sMainThreadHandler = thread.getHandler();
}
if (false) {
Looper.myLooper().setMessageLogging(newLogPrinter(Log.DEBUG, "ActivityThread"));
}
// End of event ActivityThreadMain.Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
Looper.loop(); // 开始轮循操作
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
2.3.2 Looper.prepareMainLooper()
// frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false); // 消息队列不可以quit
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
sMainLooper = myLooper();
}
}
prepare有两个重载的方 法，主要看prepare(boolean quitAllowed)，quitAllowed的作用是在创建MessageQueue时标识消息队列是否可以销毁，主线程不可被销毁下面有介绍。
2.3.3 prepare()
// frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java
public static void prepare() {
prepare(true); // 消息队列可销毁
}
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
if (sThreadLocal.get() != null) { // 不为空表示当前线程已经创建了Looper
// 每个线程只能创建一个Looper
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
// 创建Looper并设置给sThreadLocal,这样get的时候就不会为null了
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
2.4 MessageQueue
MessageQueue是一个消息队列，Handler将Message发送到消息队列中，消息队列会按照一定的规则取出要执行的Message。Message并不是直接加到MessageQueue的，而是通过Handler对象和Looper关联到一起。
2.4.1 创建MessageQueue
（1）创建MessageQueue以及Looper与当前线程的绑定
// frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed); // 创建MessageQueue
mThread = Thread.currentThread(); // 当前线程的绑定
}
（2）MessageQueue的构造方法
// frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java
MessageQueue(boolean quitAllowed) {
// mQuitAllowed决定队列是否可以销毁
// 主线程的队列不可以被销毁需要传入false
// 在MessageQueue的quit()方法就不贴源码了
mQuitAllowed = quitAllowed;
mPtr = nativeInit();
}
2.4.2 Looper.loop()
同时是在main方法中Looper.prepareMainLooper()后Looper.loop()，开始轮询操作。
// frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java
public static void loop() {
final Looper me = myLooper(); // 里面调用了sThreadLocal.get()获得刚才创建的Looper对象
if (me == null) { // 如果Looper为空，抛出异常
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
final MessageQueue queue = me.mQueue;
...
for (;;) {
// 这是一个死循环,从消息队列不断的取消息
Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) {
//由于刚创建MessageQueue就开始轮询,队列里是没有消息的
//等到Handler#sendMessageenqueueMessage后队列里才有消息
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
// This must be in a local variable, in case a UI event sets the loggerfinal Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
msg.callback + ": " + msg.what);
}
final long traceTag = me.mTraceTag;
long slowDispatchThresholdMs = me.mSlowDispatchThresholdMs;
long slowDeliveryThresholdMs = me.mSlowDeliveryThresholdMs;
if (thresholdOverride > 0) {
slowDispatchThresholdMs = thresholdOverride;
slowDeliveryThresholdMs = thresholdOverride;
}
final boolean logSlowDelivery = (slowDeliveryThresholdMs > 0) && (msg.when > 0);
final boolean logSlowDispatch = (slowDispatchThresholdMs > 0);
final boolean needStartTime = logSlowDelivery || logSlowDispatch;
final boolean needEndTime = logSlowDispatch;
if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
}
final long dispatchStart = needStartTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
final long dispatchEnd;
try {
// msg.target就是绑定的Handler,详见后面Message的部分,Handler开始
msg.target.dispatchMessage(msg);
dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
...
msg.recycleUnchecked();
}
}
2.5 Message
MessageQueue里的message是按时间排序的，越早加入队列的消息放在队列头部，优先执行，这个时间就是sendMessage的时候传过来的，默认是用的当前系统从启动到现在的非休眠的时间SystemClock.uptimeMillis()。
2.5.1 创建Message
可以直接new Message()，但是有更好的方式Message.obtain。因为可以检查是否有可以复用的Message，通过复用避免过多的创建、销毁Message对象达到优化内存和性能的目地。
// frameworks/base/core/java/android/os/Message.java
public static Message obtain(Handler h) {
Message m = obtain();//调用重载的obtain方法
m.target = h;//并绑定的创建Message对象的handler
return m;
}
//-------------------------------------
public static Message obtain() {
synchronized (sPoolSync) {//sPoolSync是一个Object对象，用来同步保证线程安全
if (sPool != null) {//sPool是就是handler#dispatchMessage后 通过recycleUnchecked回收用以复用的Message
Message m = sPool;
sPool = m.next;
m.next = null;
m.flags = 0; // clear in-use flag
sPoolSize--;
return m;
}
}
return new Message();
}
2.5.2 Message和Handler的绑定
创建Message的时候可以通过Message.obtain(Handler h)这个构造方法绑定。当然可以在Handler中的enqueueMessage()也绑定了，所有发送Message的方法（比如：sendMessageAtTime()，sendMessageAtFrontOfQueue()，sendMessageDelayed()）都会调用此方法入队，所以在创建Message的时候是可以不绑定的。
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
msg.target = this; //Message绑定Handler
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
3.Handler发送消息
Handler发送消息的重载方法很多，但是主要只有2种。sendMessage()方法通过重载方法的调用sendMessageDelayed，继续调用sendMessageAtTime，继续调用enqueueMessage，继续调用messageQueue的enqueueMessage方法，将消息保存在了消息队列中，而最终由Looper取出，交给Handler的dispatchMessage进行处理。
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
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);
}
//-------------------------------------
// frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
......
synchronized (this) {
if (mQuitting) {
IllegalStateException e = new IllegalStateException(
msg.target + " sending message to a Handler on a dead thread");
Log.w(TAG, 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;
}
//-------------------------------
// frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java
public static void loop() {
......
try {
msg.target.dispatchMessage(msg);//msg.target就是绑定的Handler，详见后面Message的部 分，Handler开始
dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
} finally {
if (traceTag != 0) {
Trace.traceEnd(traceTag);
}
}
......
}
}
我们可以看到在dispatchMessage方法中，message中callback是一个Runnable对象，如果callback不为空，则直接调用callback的run方法，否则判断mCallback是否为空，mCallback在Handler构造方法中初始化，在主线程通直接通过无参的构造方法new出来的为null,所以会直接执行后面的handleMessage()方法。
// frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
public void dispatchMessage(Message msg) {
//callback在message的构造方法中初始化或者使用handler.post(Runnable)时候才不为空
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
//mCallback是一个Callback对象，通过无参的构造方法创建出来的handler， 该属性为null，此段不执行
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg); // new Handler时重写该方法
}
}
private static void handleCallback(Message message) {
message.callback.run();
}
4.Handler处理消息
在handleMessage( Message)方法中，我们可以拿到message对象，根据不同的需求进行处理，整个Handler机制的流程就结束了。
class MyHandler extends Handler {
//重写handleMessage（）方法
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
super.handleMessage(msg);
switch(msg.what){
case 0:
//执行的UI操作
case 1:
...
}
}
}
5.线程同步问题
Handler是用于线程间通信的，但是它产生的根本并不只是用于UI处理，而更多的是handler是整个app通信的框架，大家可以在ActivityThread里面感受到，整个App都是用它来进行线程间的协调。Handler既然这么重要，那么它的线程安全就至关重要了，那么它是如何保证自己的线程安全呢？
Handler机制里面最主要的类MessageQueue，这个类就是所有消息的存储仓库，在这个仓库中，我们如何的管理好消息，这个就是一个关键点了。消息管理就2点：消息入库（enqueueMessage），消息出库（next），所以这两个接口是确保线程安全的主要接口。
（1）消息入库（enqueueMessage）
// frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java
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.");
}
// 锁开始的地方
synchronized (this) {
if (mQuitting) {
IllegalStateException e = new IllegalStateException(
msg.target + " sending message to a Handler on a dead thread");
Log.w(TAG, 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);
}
}// 锁结束的地方
return true;
}
synchronized锁是一个内置锁，也就是由系统控制锁的lock unlock时机的。
synchronized (this)
这个锁，说明的是对所有调用同一个MessageQueue对象的线程来说，他们都是互斥的，然而，在我们的Handler里面，一个线程是对应着一个唯一的Looper对象，而Looper中又只有一个唯一的MessageQueue（这个在上文中也有介绍）。所以，我们主线程就只有一个MessageQueue对象，也就是说，所有的子线程向主线程发送消息的时候，主线程一次都只会处理一个消息，其他的都需要等待，那么这个时候消息队列就不会出现混乱。
（2）消息出库（next）
Message next() {
......
for (;;) {
......
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);
}}//synchronized 结束之处
// 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;
}
}
next函数很多同学会有疑问：我从线程里面取消息，而且每次都是队列的头部取，那么它加锁是不是没有意义呢？答案是否定的，我们必须要在next里面加锁，因为，这样由于synchronized（this）作用范围是所有this正在访问的代码块都会有保护作用，也就是它可以保证next函数和enqueueMessage函数能够实现互斥。这样才能真正的保证多线程访问的时候messagequeue的有序进行。
6.总结
handler.sendMessage()发送消息到消息队列MessageQueue，然后looper调用自己的loop()函数带动MessageQueue从而轮询。messageQueue里面的每个Message，当Message达到了可以执行的时间的时候开始执行，执行后就会调用message绑定的Handler来处理消息。大致的过程如下图所示：
Handler1-2.png
Handler机制就是一个传送带的运转机制。
-
MessageQueue就像履带；
-
Thread就像背后的动力，就是我们通信都是基于线程而来的；
-
传送带的滚动需要一个开关给电机通电，那么就相当于我们的loop函数，而这个loop里面的for循环就会带着不断的滚动，去轮询messageQueue；
-
Message就是我们的货物了。
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