Android 8.1 Handler 源码解析

基于Android 8.1（API27） 源码，分析 Handler 的工作流程。

在 Android 系统中，Zygote 进程是首个 java 进程，同时也是所有 java 进程的父进程。上层应用开发工程师所关注的 App 进程 fork 自 Zygote 进程，App 进程创建后最后会通过反射，调用 ActivityThread 的 main() 方法，进而初始化主线程的 looper 和 handler。

二. 主线程 Looper 初始化

2.1 ActivityThread.main

ActivityThread.java

public static void main(String[] args) {
        // 省略...
		
        // 初始化 UI 线程的 looper 对象
        Looper.prepareMainLooper();
        
        // 初始化 ActivityThread，进而初始化其成员变量 mH(Handler子类)
        ActivityThread thread = new ActivityThread();
        // 将 ApplicationThread(Binder) 对象 attach 到 ActivityManagerService(AMS)
        // 注：AMS 运行在 SystemServer 进程的一个线程中，负责调度四大组件等，通过 Binder 与 App 进程进行 IPC
        thread.attach(false);
        
        // 省略...
		
        // 主线程进入循环
        Looper.loop();
    }
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2.2 Looper.prepareMainLooper

Looper.java

public static void prepareMainLooper() {
        // 初始化主线程 looper，不允许退出
        prepare(false);
        synchronized (Looper.class) {
            if (sMainLooper != null) {
                throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
            }
            // 初始化 sMainLooper，便于通过 new Handler(Looper.getMainLooper()) 方式向主线程发消息
            sMainLooper = myLooper();
        }
    }
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2.3 Looper.prepare

Looper.java

// sThreadLocal 为 ThreadLocal<Looper> 类型的静态变量
    static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
    
    private static void prepare(boolean quitAllowed) {
        // 一个线程只能有一个 looper 对象，否则抛出异常
        if (sThreadLocal.get() != null) {
            throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
        }
        // 此处实际是将 looper 对象存储到了 Thread.java 的成员变量 threadLocals（ThreadLocalMap） 中
        sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
    }
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sThreadLocal 对象是 Looper.java 中的静态变量，故只要 Looper.class 不被 jvm 卸载，该变量就不会重新初始化。

2.4 Looper

Looper.java

private Looper(boolean quitAllowed) {
        // 初始化 MessageQueue，因为一个线程只有一个 looper，所以也只有一个 MessageQueue 对象
        // 无论 new 多少个 Handler，其成员变量 mQueue 对象皆指向此处创建的 mQueue 对象 
        mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
        mThread = Thread.currentThread();
    }
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2.5 ThreadLocal.set

ThreadLocal.java

public void set(T value) {
        // 入参 values 是上面新建的 looper 对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取当前线程的成员变量 threadLocals 
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 此时 map == null
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            // 走这个分支
            createMap(t, value);
    }

	ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

    void createMap(Thread t, T firstValue) {
	    // 入参 firstValue 是上面新建的 looper 对象
	    // 创建一个 ThreadlocalMap 对象，并把 looper 存至其中，最后赋值给成员变量 threadLocals
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }
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ThreadLocal 是一个泛型类，此处泛型为 Looper，它能实现每个线程拥有各自的 looper 而不产生竞争的原因是：它将每个线程的 looper 存储到了各自的成员变量 threadLocals 中。

2.6 ThreadLocalMap

Thread.java

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    
    ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
	    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
	    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
	    // 保存 looper 对象
	    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
	    size = 1;
	    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
    }
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ThreadLocalMap 是自定义的一个数据结构，由数组实现，其元素类型为 Entry。Entry 保存一个键值对，key 始终为 ThreadLocal<?> 类型，value 为 Object 类型。此处 key 即为 Looper.java 中的静态变量 sThreadLocals，而 value 为之前创建的 looper 对象。

2.7 sMainLooper

Looper.java

public static void prepareMainLooper() {
        prepare(false);
        synchronized (Looper.class) {
            if (sMainLooper != null) {
                throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
            }
            // 初始化 sMainLooper，便于通过 new Handler(Looper.getMainLooper()) 方式向主线程发消息
            sMainLooper = myLooper();
        }
    }

    public static @Nullable Looper myLooper() {
        return sThreadLocal.get();
    }
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2.8 ThreadLocal.get

ThreadLocal.java

public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取当前线程的 threadLocals 对象，此处为 UI 线程
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 已经调用 prepare(false)，此处 map 不为 null
        if (map != null) {
			// 这个 this 就是 sThreadLocal
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                // 此处 value 为 Object 类型，需要强转为 Looper 类型
                T result = (T)e.value;
                // 返回该线程的 looper 对象
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }
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至此，UI 线程的 looper 对象已经创建并且保存到了 UI 线程的 threadLocals 对象中，并且赋值给了 Looper.java 的静态变量 sMainLooper，以便在其它线程中，通过 new Handler(Looper.getMainLooper()) 方式向主线程发消息。接下来看 Handler 的初始化。

三. Handler 初始化

3.1 Handler

Hanlder.java

public Handler() {
        this(null, false);
    }

    public Handler(Callback callback, boolean async) {
        // 省略...
	
        // Handler 在哪个线程创建，取出来的就是哪个线程的 looper	
        mLooper = Looper.myLooper();
        // 未调用 Looper.prepare() 的线程，无法创建 Handler
        if (mLooper == null) {
            throw new RuntimeException(
                "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
        }
        // 指向创建 looper 时所创建的 MessageQueue 对象
        mQueue = mLooper.mQueue;
        mCallback = callback;
        mAsynchronous = async;
    }
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没有 looper 就无法创建 Handler，同样创建 Handler 时也可以为其指定 looper。

四. Handler 发送消息

4.1 Handler.sendEmptyMessage

Handler.java

public final boolean sendEmptyMessage(int what)
    {
        return sendEmptyMessageDelayed(what, 0);
    }

    public final boolean sendEmptyMessageDelayed(int what, long delayMillis) {
        // 从对象池中取出一个 Message 对象
        // 注：Message 对象使用后会被回收进对象池（大小为50），以便下次复用
        Message msg = Message.obtain();
        msg.what = what;
        return sendMessageDelayed(msg, delayMillis);
    }

    public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
    {
        // 入参保护
        if (delayMillis < 0) {
            delayMillis = 0;
        }
        // 立即发送消息
        return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
    }

    public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis) {
        // mQueue 就是这个 handler 所在线程对应的 looper 对象中的 mQueue 对象
        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) {
        // 将 handler 对象赋值给 msg 的 target
        msg.target = this;
        // mAsynchronous 默认是 false
        if (mAsynchronous) {
            msg.setAsynchronous(true);
        }
        // 调用 MessageQueue 的 enqueueMessage() 将消息投入 MessageQueue
        // 注：不想翻译成消息队列，因为一般说消息队列指的是 Linux IPC 方式的一种。
        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
    }
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4.2 MessageQueue.enqueueMessage

MessageQueue.java

// MessageQueue 是由单向链表实现的、总是按照 msg.when 升序排序的队列。
    // 其成员变量 mMessages 代表表头。
    Message mMessages;

    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(TAG, e.getMessage(), e);
                msg.recycle();
                return false;
            }
			
            msg.markInUse();
            msg.when = when;
            // 初始状态下，mMessages 为 null
            Message p = mMessages;
            boolean needWake;
            // 如果表头为 null 或者新消息的 when 小于表头的 when，进入这个分支
            if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
                // 入参 msg 的下一个节点指向当前表头，即入参 msg 成为新的表头
                msg.next = p;
                // 代表表头的成员变量重新赋值
                mMessages = msg;
                needWake = mBlocked;
            } else {
                // 如果表头不为 null 且新消息的 when 大于等于 表头的 when，则进入这个分支
                needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
                // 遍历链表，找出下一节点为 null(即表尾) 或者 when 大于等于新消息 when 的节点
                Message prev;
                for (;;) {
                    prev = p;
                    p = p.next;
                    if (p == null || when < p.when) {
                        break;
                    }
                    if (needWake && p.isAsynchronous()) {
                        needWake = false;
                    }
                }
                // 如果未找到 when 大于等于新消息 when 的节点，则将 msg 追加到表尾。
                // 否则将 msg 插入到该结点之前
                msg.next = p; // invariant: p == prev.next
                prev.next = msg;
            }

            // We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
            if (needWake) {
                // 新消息入队，需要唤醒，nativePollOnce() 才能返回
                nativeWake(mPtr);
            }
        }
        return true;
    }
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MessageQueue 是由单向链表实现的，总是按照 msg.when 升序排序的队列。新发送的消息会插入到发送时间比它晚的消息之前。

五. Handler 处理消息

5.1 Looper.loop()

Looper.java

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;

        // 循环读取消息并处理，无消息时阻塞。这种写法是最常用的 Linux IO 操作方式。
        for (;;) {
            // 取出一个消息，若没有消息要处理，则阻塞
            Message msg = queue.next(); // 可能阻塞
            if (msg == null) {
                // No message indicates that the message queue is quitting.
                return;
            }

            final long traceTag = me.mTraceTag;
            if (traceTag != 0 && Trace.isTagEnabled(traceTag)) {
                Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
            }
            try {
                // 调用 handler 的 dispatchMassage() 分发消息
                msg.target.dispatchMessage(msg);
                end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
            } finally {
                if (traceTag != 0) {
                    Trace.traceEnd(traceTag);
                }
            }
			
            // 回收进对象池
            msg.recycleUnchecked();
        }
    }
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5.2 MessageQueue.next()

MessageQueue.java

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;
        // 注意此处也是一个 for 循环
        for (;;) {
            if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
                Binder.flushPendingCommands();
            }
			
            // native 层阻塞函数，nextPollTimeoutMillis 为超时时间，首次循环时值为0，即直接返回
            nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

            synchronized (this) {
                // Try to retrieve the next message.  Return if found.
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                Message prevMsg = null;
                // 待取的消息就是表头，如果表头没到处理时间就阻塞
                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) {
                        // 下一个消息还没到处理时间，则设置超时时间为还需等待的时间，进入阻塞状态.
                        nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                    } else {
                        // Got a message.
                        mBlocked = false;
                        if (prevMsg != null) {
                            prevMsg.next = msg.next;
                        } else {
                            // 下一个节点成为表头
                            mMessages = msg.next;
                        }
                        // msg 需要取走处理，故需要从链表中断开
                        msg.next = null;
                        if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
                        // 标记为使用中
                        msg.markInUse();
                        // 返回要处理的消息
                        return msg;
                    }
                } else {
                    // 没有消息要处理，超时时长为-1，循环并等待
                    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 标记为 true，进入阻塞状态，有新消息入队时，会调用 nativeWake() 唤醒
                    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;
        }
    }
复制代码

5.3 Handler.dispatchMessage###

Handler.java

public void dispatchMessage(Message msg) {
        if (msg.callback != null) {
	        // 如果 msg 的 callback 不为 null，则执行 msg 的 callback
            handleCallback(msg);
        } else {
            if (mCallback != null) {
                 // 如果 handler的 callback 不为 null，则执行 handler的 callback
                if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                    // 如果 callback 的 handleMessage() 返回 true，则不再调用 handler 的 handleMessage()
                    return;
                }
            }
            // 调用 handler 的 handleMessage()
            handleMessage(msg);
        }
    }
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六. 总结

• 一个线程只有一个 looper 和 一个 messageQueue，handler 可以创建无数个
• MessageQueue 是单向链表实现的，新消息入队时，会根据 when 找到合适的位置并插入（即总是按照 msg.when 升序）
• Message 运用了对象池技术，可通过 obtain()、recycle() 获取和回收消息
• 没有消息处理时，线程会被挂起，直到有新消息时才会被唤醒执行，底层是通过 IO 多路复用机制中的epoll 实现的，详见 MIUI 系统工程师 Gityuan 的 Android消息机制2-Handler(Native层) 。
• 除了 Java 层有消息需要处理，Native 层也有自己的消息需要处理，二者是独立的，只不过共用了 Native 层的 MessageQueue 和阻塞唤醒机制。由于消息处理流程总是先处理 Native Message，再处理 Native Request，最后处理 Java Message，所以有时候 Java 层消息很少，但响应时间却较长：

图片来自 MIUI 系统工程师 Gityuan 的 Android消息机制2-Handler(Native层) 。