Android 消息传递机制

线程间消息传递机制

1.消息怎么发送的？

我们都知道当调用Handler发送消息的时候，不管是调用

sendMessage,sendEmptyMessage,sendMessageDelayed还是其他发送一系列方法。最终都会调用sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)方法。

  public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
    {
        if (delayMillis < 0) {
            delayMillis = 0;
        }
        return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
    }

该方法会调用sendMessageAtTime()方法。其中第二个参数是执行消息的时间，是通过从开机到现在的毫秒数（手机睡眠的时间不包括在内）+ 延迟执行的时间。这里不使用System.currentTimeMillis() ，是因为该时间是可以修改的。会导致延迟消息等待时间不准确。该方法内部会调用sendMessageAtTime()方法，我们接着往下走。

   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);
    }

这里获取到线程中的MessageQueue对象mQueue（在构造函数通过Looper获得的），并调用enqueueMessage()方法，enqueueMessage()方法最终内部会调用MessageQueue的enqueueMessage()方法,那现在我们就直接看MessageQueue中把消息加入消息队列中的方法。

消息的加入

当通过handler调用一系列方法如sendMessage()、sendMessageDelayed()方法时，最终会调用MessageQueue的enqueueMessage()方法。现在我们就来看看，消息是怎么加入MessageQueue(消息队列)中去的。

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) {
            //如果当前消息循环已经结束，直接退出
            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;//头部消息
            boolean needWake;
            //如果队列中没有消息，或者当前进入的消息比消息队列中的消息等待时间短，那么就放在消息队列的头部
            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 {
                //判断唤醒条件，当前当前消息队列头部消息是屏障消息，且当前插入的消息为异步消息
                //且当前消息队列处于无消息可处理的状态
                needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
                Message prev;
                //循环遍历消息队列，把当前进入的消息放入合适的位置（比较等待时间）
                for (;;) {
                    prev = p;
                    p = p.next;
                    if (p == null || when < p.when) {
                        break;
                    }
                    if (needWake && p.isAsynchronous()) {
                        needWake = false;
                    }
                }
                //将消息插入合适的位置
                msg.next = p; 
                prev.next = msg;
            }

            //调用nativeWake，以触发nativePollOnce函数结束等待
            if (needWake) {
                nativeWake(mPtr);
            }
        }
        return true;
    }

这里大家肯定注意到了nativeWake()方法，这里先不对该方法进行详细的描述，下文会对其解释及介绍。 其实通过代码大家就应该发现了，在将消息加入到消息队列中时，已经将消息按照等待时间进行了排序。排序分为两种情况（这里图中的message.when是与当前的系统的时间差）：

第一种：如果队列中没有消息，或者当前进入的消息比消息队列中头部的消息等待时间短，那么就放在消息队列的头部

第二种：反之，循环遍历消息队列，把当前进入的消息放入合适的位置（比较等待时间）

综上，我们了解了在我们使用Handler发送消息时，当消息进入到MessageQueue(消息队列)中时，已经按照等待时间进行了排序，且其头部对应的消息是Loop即将取出的消息

android_os_MessageQueue_nativeWake

static void android_os_MessageQueue_nativeWake(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong ptr) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    nativeMessageQueue->wake();
}

和之前一样，也是通过long类型的ptr获取NativeMessageQueue对象的指针，再调用wake方法

void NativeMessageQueue::wake() {
    mLooper->wake();
}

调用的也是Looper的方法：

void Looper::wake() {
    uint64_t inc = 1;
    ssize_t nWrite = TEMP_FAILURE_RETRY(write(mWakeEventFd, &inc, sizeof(uint64_t)));
    if (nWrite != sizeof(uint64_t)) {
        if (errno != EAGAIN) {
            ALOGW("Could not write wake signal: %s", strerror(errno));
        }
    }
}

重点是write(mWakeEventFd, &inc, sizeof(uint64_t)),写入了一个1，这个时候epoll就能监听到事件，也就被唤醒了

Looper的wake方法其实是使用write函数通过mWakeEventFd往管道写入字符inc，其中TEMP_FAILURE_RETRY 是一个宏定义，当执行write方法失败后，会不断重复执行，直到执行成功为止，在nativeinit中，我们已经通过epoll_create方法监听了mWakeEventFd的可读事件，当mWakeEventFd可读时，epoll文件描述符就会监听到，这时epoll_wait方法就会从管道中读取事件返回，返回后就执行消息处理逻辑，所以这里的往管道写入字符inc，其实起到一个通知的作用，告诉监听的线程有消息插入了消息队列了，快点醒过来(因为进入了休眠状态)处理一下。

2.怎么样进行消息循环

我们都知道消息的取出，是通过Loooper.loop()方法，其中loop()方法内部会调用MessageQueue中的next()方法。

  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;
        //...
        for (;;) {
            Message msg = queue.next(); // might block
            if (msg == null) {
                // No message indicates that the message queue is quitting.
                return;
            }
      //...
            try {
                msg.target.dispatchMessage(msg);
                if (observer != null) {
                    observer.messageDispatched(token, msg);
                }
                dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
            } catch (Exception exception) {
              //...
            } finally {
              //...
            }
            //...

            msg.recycleUnchecked();
        }
    }

从MessageQueue获取下一条消息

1.如果是null，退出

2.如果不为null，dispatchMessage

怎么处理消费的分发过程？

public void dispatchMessage(Message msg){
          //检查message的callback是否为null
          if(msg.calllback!=null){
              handleCallback(msg);           
           }
            else{
                  if(mCallback!=null){
                            if(mCallback.handleMessage(mssg)){//主意如果这个返回值是true 将不会执行下面的handlerMessage
                                    return;
                              } 
                   }
                    handleMessage(msg);
             }
}

Handlet处理消息的过程
首先，检查Message的callback是否为null,不为空就通过handleCallback来处理消息。message的callback是一个Runnbale对象，实际上就是Handler的post方法所传递的Runnable参数。

private static void handleCallback(Message message){
        message.callback.run(); 
}

其次，检查mCallback是否为空，不为null及调用mCallback的handleMessage方法来处理消息

public interface Callback{
      public boolean handleMessage(Message msg); 
}

MessageQueue的next方法

Message next() {
        //...
        int nextPollTimeoutMillis = 0;
        for (;;) {
            if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
                Binder.flushPendingCommands();
            }
            
            //执行native层消息机制层,
            //timeOutMillis参数为超时等待时间。如果为-1，则表示无限等待，直到有事件发生为止。
            //如果值为0，则无需等待立即返回。该方法可能会阻塞
            nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

            synchronized (this) {
                //获取系统开机到现在的时间，如果使用System.currentMillis()会有误差，
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                Message prevMsg = null;
                Message msg = mMessages;//头部消息
                
                //判断是否是栅栏，同时获取消息队列最近的异步消息
                if (msg != null && msg.target == null) {
                    do {
                        prevMsg = msg;
                        msg = msg.next;
                    } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
                }
                  msg.next = null;
                        if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
                        msg.markInUse();
                        return msg;
                //...
        }
    }

Message next() {
        
        //如果退出消息消息循环，那么就直接退出
        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();
            }
            
            //执行native层消息机制层,
            //timeOutMillis参数为超时等待时间。如果为-1，则表示无限等待，直到有事件发生为止。
            //如果值为0，则无需等待立即返回。该方法可能会阻塞
            nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

            synchronized (this) {
                //获取系统开机到现在的时间，如果使用System.currentMillis()会有误差，
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                Message prevMsg = null;
                Message msg = mMessages;//头部消息
                
                //判断是否是栅栏，同时获取消息队列最近的异步消息
                if (msg != null && msg.target == null) {
                    do {
                        prevMsg = msg;
                        msg = msg.next;
                    } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
                }
                //获取消息，判断等待时间，如果还需要等待则等待相应时间后唤醒
                if (msg != null) {
                    if (now < msg.when) {//判断当前消息时间，是不是比当前时间大，计算时间差
                        // 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 {
                        // 不需要等待时间或者等待时间已经到了，那么直接返回该消息
                        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 {
                    //没有更多的消息了
                    nextPollTimeoutMillis = -1;
                }

                // Process the quit message now that all pending messages have been handled.
                //判断是否已经退出了
                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.
                //获取空闲时处理任务的handler 用于发现线程何时阻塞等待更多消息的回调接口。
                if (pendingIdleHandlerCount < 0
                        && (mMessages == null || now < mMessages.when)) {
                    pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
                }
                //如果空闲时处理任务的handler个数为0，继续让线程阻塞
                if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
                    // No idle handlers to run.  Loop and wait some more.
                    mBlocked = true;
                    continue;
                }
                //判断当前空闲时处理任务的handler是否是为空
                if (mPendingIdleHandlers == null) {
                    mPendingIdleHandlers = new IdleHandler[Math.max(pendingIdleHandlerCount, 4)];
                }
                mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
            }

            //只有第一次迭代的时候，才会执行下面代码
            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);
                }
                //如果不保存空闲任务，执行完成后直接删除
                if (!keep) {
                    synchronized (this) {
                        mIdleHandlers.remove(idler);
                    }
                }
            }

            // 重置空闲的handler个数，因为不需要重复执行
            pendingIdleHandlerCount = 0;
            
            //当执行完空闲的handler的时候，新的native消息可能会进入，所以唤醒Native消息机制层
            nextPollTimeoutMillis = 0;
        }
    }

View Code

MessageQueue的next()法肯定会很懵逼。妈的，这个nativePollOnce()方法是什么鬼，为毛它会阻塞呢？这个msg.isAsynchronous()判断又是怎么回事？妈的这个逻辑有点乱理解不了啊。大家不要慌，让我们带着这几个问题来慢慢分析

Native消息机制

其实在Android 消息处理机制中，不仅包括了Java层的消息机制处理，还包括了Native消息处理机制(与我们知道的Handler机制一样，也拥有Handler、Looper、MessageQueue)。这里我们不讲Native消息机制的具体代码细节，如果有兴趣的小伙伴，请查看----->深入理解Java Binder和MessageQueue

这里我们用一张图来表示Native消息与Jave层消息的关系（这里为大家提供了Android源码，大家可以按需下载），具体细节如下图所示：

static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env, jobject obj,
        jlong ptr, jint timeoutMillis) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    nativeMessageQueue->pollOnce(env, obj, timeoutMillis);
}

在nativePollOnce()方法中调用nativeMessageQueue的pollOnce()方法，我们接着走。

void NativeMessageQueue::pollOnce(JNIEnv* env, jobject pollObj, int timeoutMillis) {
    mPollEnv = env;
    mPollObj = pollObj;
    mLooper->pollOnce(timeoutMillis);
    mPollObj = NULL;
    mPollEnv = NULL;

    if (mExceptionObj) {
        env->Throw(mExceptionObj);
        env->DeleteLocalRef(mExceptionObj);
        mExceptionObj = NULL;
    }
}

这里我们发现NativeMessageQueue的pollOnce(timeoutMillis)内部

调用的是Native looper中的 pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData)方法。继续看

int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData) {
    int result = 0;
    for (;;) {
        // 先处理没有Callback方法的 Response事件
        while (mResponseIndex < mResponses.size()) {
            const Response& response = mResponses.itemAt(mResponseIndex++);
            int ident = response.request.ident;
            if (ident >= 0) { //ident大于0，则表示没有callback, 因为POLL_CALLBACK = -2,
                int fd = response.request.fd;
                int events = response.events;
                void* data = response.request.data;
                if (outFd != NULL) *outFd = fd;
                if (outEvents != NULL) *outEvents = events;
                if (outData != NULL) *outData = data;
                return ident;
            }
        }
        if (result != 0) {
            if (outFd != NULL) *outFd = 0;
            if (outEvents != NULL) *outEvents = 0;
            if (outData != NULL) *outData = NULL;
            return result;
        }
        // 再处理内部轮询
        result = pollInner(timeoutMillis); 
    }
}

这里就简单介绍一下pollOnce()方法。该方法会一直等待Native消息，其中 timeOutMillis参数为超时等待时间。

如果为-1，则表示无限等待，直到有事件发生为止。

如果值为0，则无需等待立即返回。

那么既然nativePollOnce()方法有可能阻塞，那么根据上文我们讨论的MessageQueue中的enqueueMessage中的nativeWake()方法。大家就应该了然了。nativeWake()方法就是唤醒Native消息机制不再等待消息而直接返回。

nativePollOnce()一直循环为毛不造成主线程的卡死？

到了这里，其实大家都会有个疑问，如果当前主线程的MessageQueue没有消息时，程序就会便阻塞在loop的queue.next()中的nativePollOnce()方法里，一直循环那么主线程为什么不卡死呢？这里就涉及到Linux pipe/epoll机制，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。