Android 消息机制解析
一、前言
Android 应用开发中离不开 Handler 来处理一些逻辑任务，比如发送延迟消息处理业务等，而 Handler 实际上最终是将 Message 交给 MessageQueue，我们常用的图片加载缓存库等内部也是通过 Handler 最终由后台加载线程切换到主线程（UI 线程）来更新页面的。MessageQueue 是 Android 消息机制的核心，熟悉 MessageQueue 能够帮助我们更清楚详细地理解 Android 的消息机制。
二、流程
Android的消息机制的总体流程就是：Handler 向 MessageQueue 发送一条消息（即插入一条消息），MessageQueue通过 next 方法把消息传给 Looper，Looper 收到消息后开始处理，然后最终交给 Handler 自己去处理。换句话说就是：Handler给自己发送了一条消息，然后自己的handleMessage方法处理消息，只是中间过程经过了MessageQueue和Looper。调用的方法过程如下：Handler.sendMessage –> Handler.enqueueMessage –> MessageQueue.next –> Looper.loop–> handler.dispatchMessage –> Handler.handleMessage(或者Runnable的run方法或者Callback.handleMessage)。
下面是我找的一个比较详细的图，唯一缺少流程的就是 Handler 往 MessageQueue 中插入 Message，这里我们知道就行。
三、MessageQueue 原理
MessageQueue 主要包含两个操作：插入和读取。读取操作本身会伴随着删除操作，插入和读取对应的方法分别为 enqueueMessage 和 next，其中 enqueueMessage 的作用是往消息队列中插入一条消息，而 next 的作用是从消息队列中取出一条消息并将其从消息队列中移除。尽管 MessageQueue 叫消息队列，但是它的内部实现并不是用的队列，实际上它是通过一个单链表的数据结构来维护消息列表，单链表在插入和删除上比较有优势。
enqueueMessage 的主要操作其实就是单链表的插入操作，这里不贴出源码了，下面看一下 next 方法的实现：
Message next() {
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;
}
}
}
}可以发现 next 方法是一个无限循环的方法，如果消息队列中没有消息，那么 next 方法会一直阻塞在这里。当有新消息到来时，next 方法会返回这条消息并将其从单链表中移除。
四、Looper 原理
Looper 在消息机制中扮演着消息循环的角色，具体来说就是它不会不停地从 MessageQueue 中查看是否有新消息，如果有新消息就会立刻处理，否则就一直阻塞在那里。首先看一下它的构造方法：
private Looper(boolean quitAllowed) {
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}在构造方法中它会创建一个 MessageQueue，然后将当前线程的对象保存起来。
我们知道 Handler 的工作需要 Looper，没有 Looper 的线程就会报错，那么如何为一个线程创建 Looper 呢。其实很简单，通过 Looper.prepare() 即可为当前线程创建一个 Looper，接着通过 Looper.loop() 来开启消息循环，如下：
new Thread(){
@Override
public void run(){
Looper.prepare();
Handler handler = new Handler();
Looper.loop();
}
}Looper 除了 prepare 方法外，还提供了 prepareMainLooper 方法，这个方法主要是给主线程也就是 ActivityThread 创建 Looper 使用的，其本质也是通过 prepare 方法来实现的。由于主线程的 Looper 比较特殊，所以 Looper 提供了一个 getMainLooper 方法，通过它可以在任何地方获取到主线程的 Looper。
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<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));
}
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
synchronized (Looper.class) {
if (sMainLooper != null) {
throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
}
sMainLooper = myLooper();
}
}
public static Looper myLooper() {
return sThreadLocal.get();
}通过以上代码我们可以发现，一个线程是只能创建一个 Looper 的，否则会抛出异常。另外，Looper 的存取是用的 ThreadLocal。ThreadLocal 是什么呢？简单来说，它是一个线程内部的数据存取类，通过它可以再指定的线程中存储数据，数据存储以后，只有在指定线程中可以获取到存储的数据，对于其他线程来说则无法获取到数据。在下面小节会更详细的介绍。
Looper 也是可以退出的，Looper 提供了 quit 和 quitSafely 来退出一个 Looper，二者的区别是：quit 会直接退出 Looper，而 quitSafely 只是设定一个退出标记，然后把消息队列中的已有消息处理完毕后才安全地退出。Looper 退出后，通过 Handler 发送的消息会失败，这个时候 Handler 的 send 方法会返回 false。在子线程中，如果手动为其创建了 Looper，那么在所有的事情完成以后应该调用 quit 方法来终止消息循环，否者这个子线程就会一直处于等待的状态，而如果退出了 Looper 以后，这个线程就会立刻终止，因此建议不需要的时候终止 Looper。
Looper 最重要的一个方法是 loop 方法，只有调用了 loop 后，消息循环系统才会真正的起作用，代码如下：
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();
}
}Looper 的 loop 方法的工作过程也比较好理解，loop 方法是一个死循环，唯一跳出循环的方式是 MessageQueue 的 next 方法返回了 null。当 Looper 的 quit 方法被调用时，Looper就会调出 MessageQueue 的 quit 或者 quitSafely 方法来通知消息队列退出，当消息队列被标记为退出状态时，它的 next 方法就会返回 null。也就是说，Looper 必须退出，否则 loop 方法就会无限循环下去。
loop 方法会调用 MessageQueue 的 next 方法来获取新消息，而 next 是一个阻塞操作，当没有消息时，next 方法会一直阻塞在那里，这也导致 loop 方法一直阻塞在那里。如果 MessageQueue 的 next 方法返回了新消息，而 next 是一个阻塞操作，当没有消息时，next 方法会一直阻塞在那里，这也导致 loop 方法一直阻塞在那里。如果 MessageQueue 的 next 方法返回了新消息，Looper 就会处理这条消息：msg.target.dispatchMessage(msg)，这里的 msg.target 是发送这条消息的 Handler 对象，这样 Handler 发送的消息最终又交给它的 dispatchMessage 方法来处理了。但是这里不同的是，Handler 的 dispatchMessage 方法是在创建 Handler 时所使用的 Looper 中执行的，这样就成功将代码逻辑切换到指定的线程中去执行了。
五、Handler 原理
Handler 创建时会采用当前线程的 Looper 来构建内部的消息循环系统，如果当前线程没有 Looper，那么就会报错。
Handler 的工作主要包含消息的发送和接收过程。消息的发送可以通过 post 的一系列方法以及 send 的一系列方法来实现，post 的一系列方法最终也是通过 send 的一系列方法来实现的。发送一条消息的典型过程如下所示：
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);
}可以发现，Handler 发送消息的过程仅仅是向消息队列中插入了一条消息 msg，这条消息的 target 存入的就是当前 Handler。MessageQueue 的 next 方法就会返回这条消息给 Looper，Looper 收到消息后就开始处理了，最终消息由 Looper 交由 Handler 处理，即 Handler 的 dispatchMessage 方法会被调用，这时 Handler 就进入了处理消息的阶段。dispatchMessage 的实现如下：
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();
}Handler 处理消息的过程是这样的，首先检查 Message 的 callback 是否为 null，不为 null 就通过 handleCallback 来处理消息。Message 的 callback 是一个 Runnable 对象，实际上就是 Handler 的 post 方法所传递的 Runnable 参数，handleCallback 的逻辑也很简单。其次，检查 mCallback 是否为 null，不为 null 就调用 mCallback 的 handleMessage 方法来处理消息。Callback 是个接口。最后，调用 Handler 的 handleMessage 方法来处理消息。Handler 处理消息的过程可以归纳为一个流程图：
Handler 还有一个特殊的构造方法，那就是通过一个特定的 Looper 来构造 Handler，它的代码如下：
public Handler(Looper looper) {
this(looper, null, false);
}
六、ThreadLocal 原理
七、问题
7-1、子线程创建 Handler 报错的原因？
众所周知，在 Android 中，非 UI 线程中是不能更新 UI 的，如果在子线程中做 UI 相关操作，可能会出现程序崩溃。一般的做法是，创建一个 Message 对象，Handler 发送该 message，然后在 Handler 的 handleMessage() 方法中做 UI 相关操作，这样就成功实现了子线程切换到主线程。
其实 Handler 主要有两个功能： 一个是刷新 UI（需要用主线程的looper） 如下：
1）如果在主线程调不带参数的实例化：Handler handler = new Handler();那么这个会默认用当前线程的looper,从而实现使用主线程Looper，实现刷新UI的功能；
...
Handler handler1= new Handler(){
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
if (msg.arg1==1) {
Toast.makeText(MainActivity.this,"hanlder1",Toast.LENGTH_SHORT).show();
}
super.handleMessage(msg);
}
};
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Message message = handler1.obtainMessage();
message.arg1 = 1;
handler1.sendMessage(message);
}
}).start();
...
2）如果在其他线程，也要满足刷新UI的话，要调用Handler handler = new Handler(Looper.getMainLooper())，这样虽然在子线程中初始化handler，但是仍然用的主线程的Looper对象，实现刷新UI的功能；
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Handler handler2 = new Handler(Looper.getMainLooper()){
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
if (msg.arg1==1) {
Toast.makeText(MainActivity.this,"hanlder2",Toast.LENGTH_SHORT).show();
}
super.handleMessage(msg);
}
};
Message message = handler2.obtainMessage();
message.arg1 = 1;
handler2.sendMessage(message);
}
}).start();另一个是不用刷新 UI，只是处理消息。如下：
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Looper.prepare();
Handler handler2 = new Handler(){
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
if (msg.arg1==1) {
Toast.makeText(MainActivity.this,"hanlder2",Toast.LENGTH_SHORT).show();
}
}
};
Message message = handler2.obtainMessage();
message.arg1 = 1;
handler2.sendMessage(message);
Looper.loop();;
}
}).start();如果这里我们不调用 Looper.prepare()，直接跟在主线程中创建 Handler 一样，那么会抛出“Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()” 这个异常。也可以直接拿主线程默认创建的 Looper（Looper.getMainLooper()），因为在 ActivityThread 的源码的 main()方法中会调用 Looper.prepareMainLooper()。
因此我们的结论是：主线程中可以直接创建Handler对象。 因为主线程默认会创建 Looper。子线程中需要先调用Looper.prepare()，然后创建Handler对象。
7-2、Looper 死循环为什么不会导致应用卡死？
对于线程即是一段可执行的代码，当可执行代码执行完成后，线程生命周期便该终止了，线程退出。而对于主线程，我们是绝不希望会被运行一段时间，自己就退出，那么如何保证能一直存活呢？简单做法就是可执行代码是能一直执行下去的，死循环便能保证不会被退出，例如，binder线程也是采用死循环的方法，通过循环方式不同与Binder驱动进行读写操作，当然并非简单地死循环，无消息时会休眠。但这里可能又引发了另一个问题，既然是死循环又如何去处理其他事务呢？通过创建新线程的方式。真正会卡死主线程的操作是在回调方法onCreate/onStart/onResume等操作时间过长，会导致掉帧，甚至发生ANR，looper.loop本身不会导致应用卡死。
主线程的死循环一直运行是不是特别消耗CPU资源呢？ 其实不然，这里就涉及到Linux pipe/epoll机制，简单说就是在主线程的MessageQueue没有消息时，便阻塞在loop的queue.next()中的nativePollOnce()方法里，此时主线程会释放CPU资源进入休眠状态，直到下个消息到达或者有事务发生，通过往pipe管道写端写入数据来唤醒主线程工作。这里采用的epoll机制，是一种IO多路复用机制，可以同时监控多个描述符，当某个描述符就绪(读或写就绪)，则立刻通知相应程序进行读或写操作，本质同步I/O，即读写是阻塞的。 所以说，主线程大多数时候都是处于休眠状态，并不会消耗大量CPU资源。
7-3、系统为什么不允许在子线程中访问 UI？
这是因为Android的UI控件不是线程安全的，如果在多线程中并发访问可能会导致UI控件处于不可预期的状态，那么为什么系统不对UI控件的访问加上锁机制呢？缺点有两个：
1、首先加上锁机制会让UI访问的逻辑变得复杂
2、锁机制会降低UI访问的效率，因为锁机制会阻塞某些线程的执行。
所以最简单且高效的方法就是采用单线程模型来处理UI操作。
7-4、子线程一定不能更新 UI？
而主线程不能更新UI 是因为 ViewRootImpl 的 checkThread 方法。而 ViewRootImpl 的创建在 onResume 方法后。更详细的解释可以看我的另一篇博客 Android 中 Activity 的 onCreate 方法里面子线程为何能设置UI界面
7-5、如何处理 Handler 使用不当导致的内存泄露？