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Handler 源码解析(Java 层)

从很早开始就认识到 Handler 了，只不过那时修为尚浅，了解的不够深刻，也没有应用自如。不过随着工作时间的增长，对 Handler 又有了更深层次的认识，于是有了这篇博客，希望尽可能的总结出多的知识点。

Handler 在 Java 层源码主要有 4 个类：Looper、MessageQueue、Message、Handler。我归纳了他们的几个主要知识点：

Looper：sThreadLocal、Looper.loop()；
Message：数据结构、消息缓存池；
MessageQueue：enqueueMessage、next、管道等待、同步消息隔离、idleHandler；
Handler：send/post、dispatchMessage 消息处理优先级。

Looper

Looper 数据结构

static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
private static Looper sMainLooper;  // guarded by Looper.class

final MessageQueue mQueue;

// sThreadLocal
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
    if (sThreadLocal.get() != null) { throw Exception ... }
    sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
public static @Nullable Looper myLooper() {
    return sThreadLocal.get();
}

// sMainLooper
public static void prepareMainLooper() {
    prepare(false);
    synchronized (Looper.class) {
        if (sMainLooper != null) { throw Exception ...}
        sMainLooper = myLooper();
    }
}
public static Looper getMainLooper() {
    synchronized (Looper.class) {
        return sMainLooper;
    }
}

// mQueue
private Looper(boolean quitAllowed) {
    mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
    mThread = Thread.currentThread();
}
public static @NonNull MessageQueue myQueue() {
    return myLooper().mQueue;
}

sThreadLocal：静态常量，保证一个线程只有一个 Looper；
sMainLooper：静态变量，在 prepareMainLooper 中赋值当前线程 Looper；
mQueue：变量，Looper 构造函数中初始化，因为一个线程只有一个 Looper，所以也同样只有一个 mQueue。

通过以上分析，我们可以总结出一下特性：

Looper、MessageQueue 是线程唯一的；
一个进程只有一个 sMainLooper；
根据 ThreadLocal 的特性，可通过 myLooper 方法获取当前线程的 Looper。

Looper.loop()

public static void loop() {
    final Looper me = myLooper();
    final MessageQueue queue = me.mQueue;
    for (;;) { 
        Message msg = queue.next();
        ...
        msg.target.dispatchMessage(msg);
        ...
        msg.recycleUnchecked();
    }
}

Looper.loop() 方法虽然看起来很多，其实他主要就做了三件事：

从消息队列中获取下一个消息；
msg.target 就是 handler，通过 dispatchMessage 方法把消息分发下去，这个方法下面会有说到；
消息回收，放到消息缓存池里。这里需要注意的是 Message 对象并没有释放，会缓存起来。

Message

Message 数据结构

public int what, arg1, arg2;
public Object obj;
public Messenger replyTo;
int flags;
long when;      // 消息发送时间
Bundle data;
Handler target;
Runnable callback;

Message next;

private static final Object sPoolSync = new Object();
private static Message sPool;
private static int sPoolSize = 0;

private static final int MAX_POOL_SIZE = 50;

看到 next 变量，我们会想到单链表，其实 Message 就相当于单链表的 node，MessageQueue 就是一个单链表了，会持有表头的引用；
what、arg1、arg2、obj、data 就是我们发送的一些信息；
值得注意的是 target，他是 Handler 类型，就是本消息的 Handler，会在 Handler 发送消息的时候赋值；
后面的四个对象，都是和消息缓存池有关的。

Message 消息缓存池

public static Message obtain() {
    synchronized (sPoolSync) {
        if (sPool != null) {
            Message m = sPool;
            sPool = m.next;
            m.next = null;
            m.flags = 0; // clear in-use flag
            sPoolSize--;
            return m;
        }
    }
    return new Message();
}

void recycleUnchecked() {
    flags = FLAG_IN_USE;
    what = 0;
    arg1 = 0;
    arg2 = 0;
    obj = null;
    replyTo = null;
    sendingUid = -1;
    when = 0;
    target = null;
    callback = null;
    data = null;

    synchronized (sPoolSync) {
        if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
            next = sPool;
            sPool = this;
            sPoolSize++;
        }
    }
}

事实上缓存池的数据结构也是一个链表，sPool 为链表头引用，最大容量为 50；
回收消息时，会把消息里面所有参数重置，并把当前消息设为链表头；
获取消息时，返回当前链表头，并把 next 置空。

MessageQueue

插入队列

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) {
            // 作为表头，如果队列是阻塞状态则需要唤醒
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
            needWake = mBlocked;
        } else {
            // 根据时间顺序，插入链表中间
            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; // 插入消息
            prev.next = msg;
        }

        // We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
        if (needWake) {
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
    return true;
}

主要作为插入队列的方法，有下列几个特性：

把消息加入消息队列，如果当前表头为空，则把消息作为表头引用；如果不为空，则会根据时间的顺序，插入到对应的时间中；
nativeWake 是调用底层在管道中写操作以唤醒，在队列不是阻塞的状态下是不需要唤醒的；
另外注意其中用了 synchronized 关键字，说明消息队列的插入是线性安全的，删除也是线性安全的，之后我们会说到。

MessageQueue.next()

for (;;) {
    nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
    synchronized (this) {
        final long now = SystemClock.uptimeMillis();
        Message prevMsg = null;
        Message msg = mMessages;
        if (msg != null && msg.target == null) {
            // 如果有同步消息隔离，则会优先查找异步消息
            do {
                prevMsg = msg;
                msg = msg.next;
            } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
        }
        if (msg != null) {
            if (now < msg.when) {
                // 计算距离下一个消息的时间
                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 {
            // 没有更多消息的时候，nextPollTimeoutMillis 会置为 1。
            nextPollTimeoutMillis = -1;
        }

        ...
    }

    // 如果目前没有消息，已经处在空闲状态，则执行 idler.queueIdle
    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);
            }
        }
    }
    ...
}

此方法会从消息队列中读取下一个消息返回，主要做了以下操作：

nativePollOnce 函数会调用底层管道操作函数，nextPollTimeoutMillis 为 -1 时，会阻塞，为 0 时不会阻塞，大于 0 时，会阻塞相应的时间；
如果有同步消息隔离，则会优先查找异步消息；
获取当前时间队列的消息，并返回；
如果队列没有任何消息，则会执行 idler.queueIdle，通知监听者当前队列处于空闲状态。

同步消息隔离

上面我们有提到了同步消息隔离，这里我们介绍一下。同步隔离，有时候也可以叫异步消息，说的是一个意思。在源码中主要用于优先更新 UI。

private IdleHandler[] mPendingIdleHandlers;

public int postSyncBarrier() {
    return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
}

private int postSyncBarrier(long when) {
    // 向消息队列中加入一个 handler 为空的消息
    synchronized (this) {
        final int token = mNextBarrierToken++;
        final Message msg = Message.obtain();
        msg.markInUse();
        msg.when = when;
        msg.arg1 = token;

        Message prev = null;
        Message p = mMessages;
        if (when != 0) {
            while (p != null && p.when <= when) {
                prev = p;
                p = p.next;
            }
        }
        if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
            msg.next = p;
            prev.next = msg;
        } else {
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
        }
        return token;
    }
}

如上 postSyncBarrier 函数中会向消息队列中加入一个 handler(即 Message 的 target) 为空的消息作为标识。在我们上面 MessageQueue.next() 的函数中，当 msg.target == null 时，会优先获取异步消息并返回。

因此想要使用异步消息有两个条件：

消息为异步消息，即 msg.isAsynchronous() 返回 false；
需要获取当前队列并运行 postSyncBarrier() 函数。

IdleHandler

Handler 还提供了消息队列空闲状态通知。

private final ArrayList<IdleHandler> mIdleHandlers = new ArrayList<IdleHandler>();

public void addIdleHandler(@NonNull IdleHandler handler) {
    if (handler == null) {
        throw new NullPointerException("Can't add a null IdleHandler");
    }
    synchronized (this) {
        mIdleHandlers.add(handler);
    }
}

public void removeIdleHandler(@NonNull IdleHandler handler) {
    synchronized (this) {
        mIdleHandlers.remove(handler);
    }
}

IdleHandler 的源码比较简单，就是一个 ArrayList，然后进行增加删除操作。注意，这个也是线性安全的。

Handler

post/sendMessage

public final boolean post(Runnable r){
    return sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}

public final boolean sendMessage(Message msg){
    return sendMessageDelayed(msg, 0);
}

private static Message getPostMessage(Runnable r) {
    Message m = Message.obtain();
    m.callback = r;
    return m;
}

private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
    msg.target = this;
    if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}

sendMessage 和 post 最本质的区别是之后处理任务时的优先级，post 会处理 Runnable 中的任务，而 sendMessage 会回调给 handler 处理；
他们最终都会走 enqueueMessage 方法，并设置当前 Handler 为 msg.target。

dispatchMessage

public void dispatchMessage(Message msg) {
    if (msg.callback != null) {
        handleCallback(msg);
    } else {
        if (mCallback != null) {
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        handleMessage(msg);
    }
}

任务执行时就会运行这个函数，主要是一个优先级的问题：