Android中Thread、Handler、Looper、MessageQueue的原理分析

在Android开发当中，Thread、Handler、Looper这几个类是特别常见，在刚开始学习Android的时候对这些类可能并不是很清晰。下面我们就一起从源码的角度剖析一下这几个类的工作原理。

Thread 

首先是Thread, 我们都知道一个Thread就是一个线程对象，只要在run方法中填写自己的代码然后启动该线程就可以实现多线程操作。例如 :

new Thread(){  
    public void run() {  
        // 耗时的操作  
    };  
}.start();  

我们知道，针对上面的代码中，当执行完run中的操作时，整个线程就会结束，并不会一直执行下去。而我们的应用程序会一直执行，除非你退出或者应用程序抛出异常。这又引入了另外一个概念，即消息队列。在Android应用启动时，会默认有一个主线程(UI线程)，在这个线程中会关联一个消息队列，所有的操作都会被封装成消息然后交给主线程来处理。为了保证主线程不会主动退出，会将取消息的操作放在一个死循环中，这样程序就相当于一直在执行死循环，因此不会退出。

示例图如下 :

Android应用程序的入口为ActivityThread.main方法，详情请参考Android应用程序进程启动过程的源代码分析，UI线程的消息循环就是在这个方法中创建的，源码如下:

public static void main(String[] args) {  
     SamplingProfilerIntegration.start();  
     CloseGuard.setEnabled(false);  
  
     Environment.initForCurrentUser();  
  
     // Set the reporter for event logging in libcore  
     EventLogger.setReporter(new EventLoggingReporter());  
  
     Process.setArgV0("<pre-initialized>");  
  
     Looper.prepareMainLooper();// 1、创建消息循环Looper  
  
     ActivityThread thread = new ActivityThread();  
     thread.attach(false);  
  
     if (sMainThreadHandler == null) {  
         sMainThreadHandler = thread.getHandler(); // UI线程的Handler  
     }  
  
     AsyncTask.init();  
  
     if (false) {  
         Looper.myLooper().setMessageLogging(new  
                 LogPrinter(Log.DEBUG, "ActivityThread"));  
     }  
  
     Looper.loop();   // 2、执行消息循环  
  
     throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");  
 }  

执行ActivityThread.main方法后，应用程序就启动了，并且会一直从消息队列中取消息，然后处理消息。那么系统是如何将消息投递到消息队列中的？又是如何从消息队列中获取消息并且处理消息的呢？ 答案就是Handler。

Handler

在我们在子线程中执行完耗时操作后很多情况下我们需要更新UI，但我们都知道，不能在子线程中更新UI。此时最常用的手段就是通过Handler将一个消息post到UI线程中，然后再在Handler的handleMessage方法中进行处理。但是有一个点要注意，那就是该Handler必须在主线程中创建！！简单示例如下:

class MyHandler extends Handler {  
    @Override  
    public void handleMessage(Message msg) {  
      // 更新UI  
        
    }  
}   
  
MyHandler mHandler = new MyHandler() ;  
// 开启新的线程  
new Thread(){  
        public void run() {  
            // 耗时操作  
            mHandler.sendEmptyMessage(123) ;  
        };  
    }.start();  

为什么必须要这么做呢？其实每个Handler都会关联一个消息队列，消息队列被封装在Lopper中，而每个Looper又会关联一个线程(ThreadLocal)，也就是每个消息队列会关联一个线程。Handler就是一个消息处理器，将消息投递给消息队列，然后再由对应的线程从消息队列中挨个取出消息，并且执行。默认情况下，消息队列只有一个，即主线程的消息队列，这个消息队列是在ActivityThread.main方法中创建的，通过Lopper.prepareMainLooper()来创建，然后最后执行Looper.loop()来启动消息循环。那么Handler是如何关联消息队列以及线程的呢？我们看看如下源码 :

public Handler() {  
    if (FIND_POTENTIAL_LEAKS) {  
        final Class<? extends Handler> klass = getClass();  
        if ((klass.isAnonymousClass() || klass.isMemberClass() || klass.isLocalClass()) &&  
                (klass.getModifiers() & Modifier.STATIC) == 0) {  
            Log.w(TAG, "The following Handler class should be static or leaks might occur: " +  
                klass.getCanonicalName());  
        }  
    }  
  
    mLooper = Looper.myLooper();   // 获取Looper  
    if (mLooper == null) {  
        throw new RuntimeException(  
            "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");  
    }  
    mQueue = mLooper.mQueue;       // 获取消息队列  
    mCallback = null;  
}  

从Handler默认的构造函数中我们可以看到，Handler会在内部通过Looper.getLooper()来获取Looper对象，并且与之关联，最重要的就是消息队列。那么Looper.getLooper()又是如何工作的呢？我们继续往下看.

/** 
 * Return the Looper object associated with the current thread.  Returns 
 * null if the calling thread is not associated with a Looper. 
 */  
public static Looper myLooper() {  
    return sThreadLocal.get();  
}  
  
/** 
 * Initialize the current thread as a looper, marking it as an 
 * application's main looper. The main looper for your application 
 * is created by the Android environment, so you should never need 
 * to call this function yourself.  See also: {@link #prepare()} 
 */  
public static void prepareMainLooper() {  
    prepare();  
    setMainLooper(myLooper());  
    myLooper().mQueue.mQuitAllowed = false;  
}  
  
private synchronized static void setMainLooper(Looper looper) {  
    mMainLooper = looper;  
}  
  
 /** Initialize the current thread as a looper. 
  * This gives you a chance to create handlers that then reference 
  * this looper, before actually starting the loop. Be sure to call 
  * {@link #loop()} after calling this method, and end it by calling 
  * {@link #quit()}. 
  */  
public static void prepare() {  
    if (sThreadLocal.get() != null) {  
        throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");  
    }  
    sThreadLocal.set(new Looper());  
}  

我们看到myLooper()方法是通过sThreadLocal.get()来获取的，关于ThreadLocal的资料请参考ThreadLocal多线程实例详解。那么Looper对象又是什么时候存储在sThreadLocal中的呢？  眼尖的朋友可能看到了，上面贴出的代码中给出了一个熟悉的方法，prepareMainLooper()，在这个方法中调用了prepare()方法，在这个方法中创建了一个Looper对象，并且将该对象设置给了sThreadLocal。这样，队列就与线程关联上了！！！不同的线程是不能访问对方的消息队列的。再回到Handler中来，消息队列通过Looper与线程关联上，而Handler又与Looper关联，因此Handler最终就和线程、线程的消息队列关联上了。这就能解释上面提到的问题了，“为什么要更新UI的Handler必须要在主线程中创建？”。就是因为Handler要与主线程的消息队列关联上，这样handleMessage才会执行在UI线程，此时更新UI才是线程安全的！！！

Looper与MessageQueue

创建了Looper后，如何执行消息循环呢？通过Handler来post消息给消息队列( 链表 )，那么消息是如何被处理的呢？答案就是在消息循环中，消息循环的建立就是通过Looper.loop()方法。源码如下 : 

/** 
 * Run the message queue in this thread. Be sure to call 
 * {@link #quit()} to end the loop. 
 */  
public static void loop() {  
    Looper me = myLooper();  
    if (me == null) {  
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");  
    }  
    MessageQueue queue = me.mQueue;    // 1、获取消息队列  
      
    // 代码省略  
   
      
    while (true) {                   // 2、死循环，即消息循环  
        Message msg = queue.next(); // 3、获取消息 (might block )  
        if (msg != null) {  
            if (msg.target == null) {  
                // No target is a magic identifier for the quit message.  
                return;  
            }  
  
            long wallStart = 0;  
            long threadStart = 0;  
  
            // 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);  
                wallStart = SystemClock.currentTimeMicro();  
                threadStart = SystemClock.currentThreadTimeMicro();  
            }  
  
            msg.target.dispatchMessage(msg);    // 4、处理消息  
  
           // 代码省略  
              
            msg.recycle();  
        }  
    }  
}  

可以看到，loop方法中实质上就是建立一个死循环，然后通过从消息队列中挨个取出消息，最后处理消息的过程。对于Looper我们总结一下 : 通过Looper.prepare()来创建Looper对象(消息队列封装在Looper对象中)，并且保存在sThreadLoal中，然后通过Looper.loop()来执行消息循环，这两步通常是成对出现的！！   

最后我们看看消息处理机制，我们看到代码中第4步通过msg.target.dispatchMessage(msg)来处理消息。其中msg是Message类型，我们看源码 ：

public final class Message implements Parcelable {  
  
    public int what;  
  
    public int arg1;   
  
    public int arg2;  
  
    public Object obj;  
  
  
    int flags;  
  
    long when;  
      
    Bundle data;  
      
    Handler target;         // target处理  
      
    Runnable callback;      // Runnable类型的callback  
      
    // sometimes we store linked lists of these things  
    Message next;           // 下一条消息，消息队列是链式存储的  
  
  
    // 代码省略 ....  
    }  

从源码中可以看到，target是Handler类型。实际上就是转了一圈，通过Handler将消息投递给消息队列，消息队列又将消息分发给Handler来处理。我们继续看

/** 
 * Subclasses must implement this to receive messages. 
 */  
public void handleMessage(Message msg) {  
}  
  
private final void handleCallback(Message message) {  
    message.callback.run();  
}  
  
/** 
 * Handle system messages here. 
 */  
public void dispatchMessage(Message msg) {  
    if (msg.callback != null) {  
        handleCallback(msg);  
    } else {  
        if (mCallback != null) {  
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {  
                return;  
            }  
        }  
        handleMessage(msg);  
    }  
}  

可以看到，dispatchMessage只是一个分发的方法，如果Runnable类型的callback为空则执行handlerMessage来处理消息，该方法为空，我们会将更新UI的代码写在该函数中；如果callback不为空，则执行handleCallback来处理，该方法会调用callback的run方法。其实这是Handler分发的两种类型，比如我们post(Runnable callback)则callback就不为空，当我们使用Handler来sendMessage时通常不会设置callback，因此也就执行handlerMessage这个分支。我们看看两种实现 : 

public final boolean post(Runnable r)  
{  
   return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);  
}  
private final Message getPostMessage(Runnable r) {  
    Message m = Message.obtain();  
    m.callback = r;  
    return m;  
}  
  
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)  
{  
    boolean sent = false;  
    MessageQueue queue = mQueue;  
    if (queue != null) {  
        msg.target = this;      // 设置消息的target为当前Handler对象  
        sent = queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);  // 将消息插入到消息队列  
    }  
    else {  
        RuntimeException e = new RuntimeException(  
            this + " sendMessageAtTime() called with no mQueue");  
        Log.w("Looper", e.getMessage(), e);  
    }  
    return sent;  
}  

可以看到，在post(Runnable r)时，会将Runnable包装成Message对象，并且将Runnable对象设置给Message对象的callback字段，最后会将该Message对象插入消息队列。sendMessage也是类似实现 ： 

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

不管是post一个Runnbale还是Message，都会调用sendMessageDelayed(msg, time)方法。

子线程中创建Handler为何会抛出异常 ？

new Thread(){  
    Handler handler = null;  
    public void run() {  
        handler = new Handler();  
    };  
}.start();  

/** 
  * Default constructor associates this handler with the queue for the 
  * current thread. 
  * 
  * If there isn't one, this handler won't be able to receive messages. 
  */  
 public Handler() {  
    // 代码省略   
  
     mLooper = Looper.myLooper();    // 获取myLooper  
     if (mLooper == null) {  
         throw new RuntimeException(  
             "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");// 抛出异常  
     }  
     mQueue = mLooper.mQueue;  
     mCallback = null;  
 }  

new Thread(){  
    Handler handler = null;  
    public void run() {  
        Looper.prepare();    // 1、创建Looper,并且会绑定到ThreadLocal中  
        handler = new Handler();  
        Looper.loop();       // 2、启动消息循环  
    };  
}.start();