Android Handler 机制详解（一）源码解析

Handler简介

初学者对于handler的认识就是切换线程更新UI，但如果你分析过Handler的源码之后，你会发现Handler机制对于整个APP的运行起到了至关重要的作用，而不只是简简单单的用于切换线程

基本用法

在主线程创建handler实例，并覆写handleMessage方法，在子线程（网络请求完成后)，使用这个handler实例发送Message

        mHandler = new Handler() {
            @Override
            public void handleMessage(@NonNull Message msg) {
                switch (msg.what) {
                    case 0:
                        //do something

                }
                super.handleMessage(msg);
            }
        };

            new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        //...
                        //网络请求完成
                        Message message = Message.obtain();
                        message.what = 0;
                        mHandler.sendMessage(new Message());
                    }
                }).start();

源码分析

分析源码，要从用法开始，总不是说Handler类从第一行看到类的最后一行，那样先不说速度，看也看不明白不是?

消息入队机制

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

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

public boolean sendMessageAtTime(@NonNull 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);
    }

上面三个方法的调用链依次为

sendMessage -> sendMessageAtTime -> sendMessageAtTime

看名字知其意，这三个方法的作用就是发送消息，发送消息时可以决定消息什么时候被取出，需要注意的是时间的单位是毫秒。
可以看到sendMessage内部调用了sendMessageDelayed方法

return sendMessageDelayed(msg, 0);

也是就是通过handleMessage这个方法发送的消息是立即被处理的，延迟时间为0。
最后调用的是

enqueueMessage(queue, msg, uptimeMillis);

看名字知其意，方法的作用是将消息入队，看到这里，你可能会有疑问，入队？难道这里还有一种数据结构在管理Message?恭喜你回答正确。为了逻辑更清晰，这里先介绍一下Handler机制中最重要的四个类：

类名	描述
Message	发送消息的实体，类中用几个字段，常用的有what、obj，用来存储信息
MessageQueue	是一种队列的数据结构，用来管理Message，先进先出，使用链表来维护
Looper	通过无限循环来监控MessageQueue，每当有Message发送到队列时，从中取出Message来处理
Handler	处理消息
ThreadLocal	一个线程内部的存储类，可以在线程内存储数据

到了这里就知道了，上面的enqueueMessage这个方法是把消息入队到MessageQueue

private boolean enqueueMessage(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
            long uptimeMillis) {
        msg.target = this;  //注释1处
        msg.workSourceUid = ThreadLocalWorkSource.getUid();

        if (mAsynchronous) {
            msg.setAsynchronous(true);
        }
        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
    }

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;
            Message p = mMessages;
            boolean needWake;
            if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
                // New head, wake up the event queue if blocked.
                //注释2处
                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;
    }

注意注释一处

msg.target = this;  //注释1处

这里将发送的Message的target字段指定为this，也就是我们调用sendMessage的这个mHandler实例。也就是说Message持有的handler的引用。划重点，以后要考。
然后分析下面一个enqueueMessage方法，这个方法的主要逻辑就是链表的入队操作，如果仔细看插入逻辑的话你会发现不是将新的msg插入队尾，而是插入队头

                // New head, wake up the event queue if blocked.
                //注释2处
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
                needWake = mBlocked;

注意mMessages这个成员变量，就是链表的表头，如果你学过了解过数据结构的话就会知道，链表的表头就是一个链表，因为通过表头可以找到链表中的所有元素。
到这里，Handler机制中的消息入队的部分就分析完毕了。

分析

然后我们来分析一波，整个流程分析到这里，仅仅是发送消息，将消息入队到MessageQueue。并没有看到有哪里去调用使用handler是要覆写的handleMessage方法。到底是哪里去调用的呢？
前面说到Looper这个类，就是通过looper无限循环来不断询问MessageQueue是否有新消息插入，如果有的话就取出消息并处理。那是从哪里去开启的无限循环呢？很容易就会想到应用程序的入口，ActivityThread的main函数（如果你了解过Activity的启动流程，实际上是通过Zygote进程，使用反射，来调用的这个main函数）

循环机制

public static void main(String[] args) {
        Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ActivityThreadMain");

        // Install selective syscall interception
        AndroidOs.install();

        // CloseGuard defaults to true and can be quite spammy.  We
        // disable it here, but selectively enable it later (via
        // StrictMode) on debug builds, but using DropBox, not logs.
        CloseGuard.setEnabled(false);

        Environment.initForCurrentUser();

        // Make sure TrustedCertificateStore looks in the right place for CA certificates
        final File configDir = Environment.getUserConfigDirectory(UserHandle.myUserId());
        TrustedCertificateStore.setDefaultUserDirectory(configDir);

        Process.setArgV0("<pre-initialized>");
        
        //注释1处
        Looper.prepareMainLooper();

        // 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();
        //注释2处
        thread.attach(false, startSeq);

        if (sMainThreadHandler == null) {
            sMainThreadHandler = thread.getHandler();
        }

        if (false) {
            Looper.myLooper().setMessageLogging(new
                    LogPrinter(Log.DEBUG, "ActivityThread"));
        }

        // End of event ActivityThreadMain.
        Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
        //注释3处
        Looper.loop();
        //注释4处
        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
    }

果不其然看到了熟悉的身影，先看注释1处

Looper.prepareMainLooper();

public static void prepareMainLooper() {
        prepare(false);
        synchronized (Looper.class) {
            if (sMainLooper != null) {
                throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
            }
            sMainLooper = myLooper();
        }
    }

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));
    }

这两个方法的逻辑很简单，就是创建Looper对象，然后将Looper对象设置给ThreadLocal，前面介绍过这个类，这个类用来存储一个线程范围内的数据。也就意味着一个线程只能有一个Looper对象。然后我们看一下myLooper()这个方法

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

就是简单的通过threadlocal类的get方法得到当前线程的looper对象，然后在看一下Looper的构造函数

private Looper(boolean quitAllowed) {
        mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
        mThread = Thread.currentThread();
    }

new出了messagequeue对象
从这里可以看到Looper和messagequeue的关系：Looper包含messagEqueue，messagequeue是looper对象的一个成员变量，相应的，一个线程只有一个messagEqueue。

四个类的关系

分析到这里，已经可以找到四个类的关系了：

 Looper ---->(引用) MessageQueue ---->(引用) Message ---> (引用)Handler
 //后者都是前者的一个成员变量
 //知道引用关系之后，你可以试着分析，使用Handler为什么会存在内存泄漏问题？
 //文章最后再进行解答

到这里prepareMainLooper()方法就分析完了，这个方法一共做了哪几件事呢？

• 创建Looper对象，存入ThreadLocal类中，线程独有
• 创建MessagEqueue对象，MessagEqueue是Looper的一个成员变量，因此MessagEqueue也是线程独有

至此，主线程的looper和messageQueue对象创建完毕，那是哪里开启循环的呢，当然是下面的注释3处的loop方法

 //注释3处
        Looper.loop();

public static void loop() {
        //这个方法之前介绍过，就是得到当前线程的looper对象
        final Looper me = myLooper();
        //如果在子线程创建过handler，而没有手动开启循环的话
        //就会报这个异常，原因显而易见，你没有在当前线程调用
        //looper.prepare()方法来创建当前线程的looper对象和messageQueue对象
        if (me == null) {
            throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
        }
        //得到当前线程的MessageQueue对象
        final MessageQueue queue = me.mQueue;

        .
        .
        .

            
        //这里开启无限循环
        for (;;) {
            //从消息队列中拿到下一个Message
            Message msg = queue.next(); // might block
            if (msg == null) {
                // No message indicates that the message queue is quitting.
                return;
            }

           .
           .
           .

            try {
                //注释1处
                //这里通过msg的target字段(眼熟吗)的dispatchMessage方法对msg进行处理
                msg.target.dispatchMessage(msg);
                if (observer != null) {
                    observer.messageDispatched(token, msg);
                }
                dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
            }
            //将msg回收
            //这个方法内部就是将msg的每个字段都设置为null或者默认值
            //然后将这个msg放入缓存池
            //其实缓存池的大小只有1
            msg.recycleUnchecked();
        }
    }

至此，终于找到开启无限循环的地方，这个方法里面有几处很重要

• queue.next() ，得到messageQueue的下一个message。
• msg.target.dispatchMessage(msg); 将message交给handler处理。

其余的一些重要的地方我写有注释，大家自己看吧。
Message的next()方法也很重要，虽然作用很简单，就是得到下一个消息链表中的消息，但是代码实现没有这么简单，这里我就不作分析，大家有兴趣可以自己下来看 ，我把代码贴出来，需要注意的一点是，当队列中没有消息时，next()方法会堵塞，而不是让for循环无休止的运行，消耗cpu资源。

@UnsupportedAppUsage
    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;
        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 (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);
            }

            // 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;
        }
    }

消息处理机制

终于分析到消息处理了，在这个方法里可以看到handleMessage(msg);这个方法了，也就是我们使用Handler时复写的那个方法。
现在我们来看一下dispatchMessage这个方法

                //注释1处
                //这里通过msg的target字段(眼熟吗)的dispatchMessage方法对msg进行处理
                msg.target.dispatchMessage(msg);

 public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
        if (msg.callback != null) {
            //第一种
            handleCallback(msg);
        } else {
            if (mCallback != null) {
                //第二种
                if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                    return;
                }
            }
            //第三种
            handleMessage(msg);
        }
    }

可以看到一共有三种处理方式，这三种处理方式分别代表着Handler的三种不同的使用方法：

• 第一种

                mHandler = new Handler();

                new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        //...
                        //网络请求完成
                        mHandler.post(new Runnable() {
                            @Override
                            public void run() {
                                //...要在主线程做的事情     
                            }
                        });
                    }
                }).start();

• 第二种

mHandler = new Handler(new Handler.Callback() {
            @Override
            public boolean handleMessage(@NonNull Message msg) {
                switch (msg.what) {
                    case 0:
                        //do something

                }
                return true;
            }
        });

• 第三种

//最常用的一种，重写handleMessage方法
//文章的开头已经给出

收尾

最后看main函数的注释4处

//注释4处
        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");

这里抛出了异常，也就是说程序不应该运行到这里。为什么呢？想想很简单呀，已经在上面的loop方法内开启循环了，程序自然就不会运行到这里了，如果运行到这里就说明出问题了，自然要报异常。

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ps：第一篇Handler的文章就写完了，因为第一次写公开的博客，还不是很熟练，可能会有排版或者语句组织的问题，欢迎大家纠正我的错误。这篇博客的每一句话都是我认真分析过后的成果，博客里也有自己看源码的一些心得，希望大家看了之后有收获！
博客中有一些坑没有填，我会在第二篇Handler的博客中填上