前言：
该文属于安卓源码探究专栏中的文章，专栏所有文章清单链接如下，欢迎大家阅读。
一、Handler机制介绍
1.1 Handler是什么？
Handler是安卓中很常用的一种机制，其主要用于线程之间的通信。
1.2 为什么要了解Handler原理？
之前我在一个群里面聊天，说面试经常会问到handler，然后就被喷了，说现在都是MVVM，ViewBinding一类的架构，谁还用handler呀。确实，现在安卓上面封装的框架越来越多，也让我们使用起来越来越轻松，使用Handler的场景也会越来越少。但是使用的少，不代表没有用。现有的这些框架，甚至可预见的未来框架，都是基于Handler机制的。
打一个比方，我们普通人开车，也许只要会开就行，不必了解汽车的原理。但是如果你想成为一个赛车手，那么对汽车运行的机制和原理，还是要有一定的了解的。
最后，了解handler原理有哪些好处呢？
1.handler机制很经典，这种我们平常敲代码的过程中也可以视场景使用。
2.handler其实除了普通的同步消息，还有屏障消息和异步消息的，我们也可以视场景去使用。
3.handler还提供了闲时机制IdelHandler。
4.通过handler可以帮助我们排查到底是哪里的代码导致卡顿。
上面的这些点，后面文章中都会有详细的讲解。
1.3 Handler对于面试中的作用？
同时Handler也是面试当中经常会被问到的一种安卓机制。
我总结了一下，大约有六个点会被高频问到，这六个技术点特意用红字标注，属于面试中很容易被问到的技术点。
例如：技术点1
二、Handler原理概述
如下图所示：安卓中Handler的机制是子线程中获取一个Handler对象，通过这个Handler对象像MessageQueue中发送任务。主线程中开启一个无限死循环，不断的从MessageQueue中取Message任务，如果取到了就执行Messagez中的任务，如果没有取到则进入休眠状态。
几个涉及到的重要的对象
Handler：一般要在主线程中创建，持有一个主线程的Looper，负责向主线程进行message分发。
Message：可以理解为task，任务执行的单元。
MessageQueue：里面是一个单链表，单链表存储Message任务。
Looper：负责处理Message任务，其loop方法在主线程中开启无限循环。
三、Message添加的流程
3.1添加Meesage的写法
我们可以看到很多种添加message的写法，其实最终都是调用了sendMessageDelayed方法。
一般写法主要有以下几种：
写法一：sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis)
public final boolean sendMessageDelayed(@NonNull Message msg, long delayMillis) {
if (delayMillis < 0) {
delayMillis = 0;
}
return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}写法二：sendMessage(Message msg)
public final boolean sendMessage(@NonNull Message msg) {
return sendMessageDelayed(msg, 0);
}其实是调用了sendMessageDelayed方法。
写法三：
mHandler.post(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//do something
}
});其实我们点进去看一下，
sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);再看getPostMessage方法：
private static Message getPostMessage(Runnable r) {
Message m = Message.obtain();
m.callback = r;
return m;
}好吧。其实也是构建一个Message，然后sendMessage出去。
3.2 sendMessageDelayed方法
public final boolean sendMessageDelayed(@NonNull Message msg, long delayMillis) {
if (delayMillis < 0) {
delayMillis = 0;
}
return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}调用sendMessageAtTime时传入的第二个参数为执行时间。
这个执行时间是当前时间+延迟时间算出来的。
这里有涉及到技术点1：修改手机时间会不会影响Message的执行，当前使用使用的是SystemClock.uptimeMillis()，这个指的是手机开机后系统非深度休眠时间，而不是手机时间。所以手机上修改当前时间是不会影响Message执行的。一般我们也可以通过这个值来获取手机开机多久。
3.3 sendMessageAtTime
1.sendMessageAtTime里面就做一个MessageQueue的判断。
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);
}3.4 enqueueMessage方法
private boolean enqueueMessage(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
long uptimeMillis) {
msg.target = this;
msg.workSourceUid = ThreadLocalWorkSource.getUid();
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}把Message加入到queue里
3.5 enqueueMessage方法
1.这里面代码看起来有点多和乱。但是核心逻辑就是按照执行时间从前到后的纬度，把当前的message节点插入到单链表当中。技术点2：链表是按照什么方式来排列的。执行时间顺序
2.Message中有一个参数when，这里会在被添加到链表的时候赋值，记录的就是执行时间。
3.同时通过nativeWake唤醒休眠。为何休眠，下面第四章时会讲到，一般无待执行Message时会进入休眠释放CPU资源。
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
if (msg.target == null) {
throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
}
synchronized (this) {
if (msg.isInUse()) {
throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
}
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.
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;
}至此，message就插入到MessageQueue当中，插入流程完成。
四、Message被执行的流程
4.1 调用Looper.prepare()与当前线程进行绑定。
一般我们是不需要调用prepare方法的，因为应用启动后，在ActivityThread的main方法中，已经帮我们调用了Looper.prepare方法了。
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));
}prepare的核心逻辑就是与当前线程进行绑定，通过ThreadLocal。保证一个Looper只会绑定唯一的一个Thread。
4.2 Looper.loop启动无限循环
调用Looper.loop方法，启动无限循环。这里会做一个检查，如果Looper没有绑定到当前线程，则会抛出异常。
public static void loop() {
final Looper me = myLooper();
if (me == null) {
throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
}
...不重要代码忽略
for (;;) { //启动无限循环
if (!loopOnce(me, ident, thresholdOverride)) {
return;
}
}
}4.3 获取到message去尝试执行
1.会调用MessageQueue.next()里面尝试获取message，如果获取不到会被阻塞。具体我们下一章节分析。
2.如果获取不到消息并且返回了，这时说明应用处于退出状态了，所以循环也关闭。
3.msg.target.dispatchMessage() 转交给Handler去真正的处理消息，由于当前的执行线程是主线程，所以dispatchMessage里面执行的回调也是在主线程。
4.我们可以看到代码中有logging进行输入打印，这一点对我们性能监控很有帮助，具体我们第七章节讲解。
5.msg.recycleUnChecked标记msg已被使用，进入可复用状态。
4.4 dispatchMessage执行message
这里有两种回调的方式，
方式一直接执行Message中的callBack；
方式二自定义Handler，重写其handleMessage方法。
这里我们可以明显看到，callBack的优先级会更高。这是技术点3:CallBack和handleMessage哪个会优先被执行
public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}handleCallBack中就是直接通过
message.callback.run();执行Message的runnable任务。PS：run()是Runnable接口中定义的方法
五、MessageQueue.next()取消息
先看代码，具体分为下面的几个环节。
Message next() {
...
for (;;) {
if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
Binder.flushPendingCommands();
}
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);//4.1 nativePollOnece
synchronized (this) {
// Try to retrieve the next message. Return if found.
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
Message msg = mMessages;
...屏障消息相关代码先忽略
if (msg != null) {//4.2 寻找可用message
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;
}
...idelHandler相关代码先忽略
}
}5.1 nativePollOnce方法
这是一个native方法，阻塞的。我们上面所说的CPU休眠也就是通过nativePollOnce这个机制来实现的。调用这个方法的时候，CPU资源会被释放掉，直到被外界唤醒。底层的实现原理对应的是linux的epoll机制，这篇文章我们就不详细去分析了。我们只要知道其方法的功能就可以了。
nativePollOnce有两个参数，ptr和timeoutMillis
ptr可以理解为一个native标记的唯一值，用来识别绑定线程的。
timeoutMillis是超时时间。主要分为三种-1，0，>0。
=-1的时候是处于无限阻塞的状态，除非被外界唤醒。
=0的时候不会阻塞，会立马执行。
>0时会阻塞对应的时间，然后释放阻塞状态。
PS：nativePollOnce的native实现其实和安卓层有一些类似，也有一个阻塞的循环队列的。底层的实现机制是epoll，由于native层不是本文的核心，这里就不扩展介绍了，感兴趣的同学可以留言，我
5.2 遍历链表，寻找可以用的message
1.因为链表我们插入时是按照执行时间去插入的，所以最先执行的Message一定在链表的最头部；
2.首先获取一下当前系统非休眠状态时间；
3.首先尝试获取链表的头部，那么说明链表中无数据。则把nextPollTimeoutMillis赋值为-1，下一个循环时，就会进入无限阻塞状态，直接被唤醒。这里对应的就是2.5 章节时讲到的native唤醒机制。
4.如果头节点不为空，则判断其执行时间和当前时间做比较；
5.如果其执行时间小于当前时间，则计算差值nextPollTimeoutMillis。并且会跳出此次Message选择流程。并且在下一次循环的时候，nativePollOnce会使用该值休眠对应的时间。保证休眠时间一到，正好到了头节点的执行时间。
6.如果其执行时间是否大于当前时间，则表明该节点是可以被执行的。把头节点改成下一级节点。并且通过Message.markInUse标记当前Message已经被使用。
7.返回上一步查到的message对象
五、异步消息/屏障消息
技术点4：屏障异步消息的实现机制
1 屏障消息其实就是target为空的Message消息。
2 异步消息一定要搭配屏障消息来使用。
3 如果头节点为屏障消息时，则会从消息链表中从前向后依次寻找异步消息，找到异步消息则跳出循环。
4 并且从链表中移除当前的异步节点，并且把异步节点的前后两个节点关联起来。
5 这里要注意，头部节点仍然是屏障消息没有被移除。所以正常消息仍然是不会被执行的。
if (msg != null && msg.target == null) {
// Stalled by a barrier. Find the next asynchronous message in the queue.
do {
prevMsg = msg;//如果时异步消息，则保存保存消息之前的那条消息，方便后面关联
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;//把异步消息的next赋值给前面那个节点的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;
}六、IdleHandler
技术点5：IdelHandler执行时机
6.1 IdleHandler介绍
顾名思义，就是闲时任务。当前没有要被执行的Message时，则会触发执行IdelHandler，我们一般可以把那些需要在主线程执行，但是优先级不高的任务放在IdelHandler里面执行，比如预加载下一个页面，二屏加载等等。
6.2 IdleHandler何时触发
看代码我可以知道，获取Message的时候，如果没有获取到Message时，则会进入执行IdleHandler的流程。
Message next() {
...代码省略
for (;;) {
if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
msg.markInUse();
return msg; //如果取到了消息则返回
}
} else {
// No more messages.
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
...
//如果没有取到消息，则会执行下面的逻辑
// 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;
}
}6.3 IdleHandler执行流程
IdleHandler可以有多个，在MeesageQueue中由mIdelHandlers存储每执行时，转换为数组依次执行。
pendingIdleHandlerCount = mIdleHandlers.size();
mPendingIdleHandlers = mIdleHandlers.toArray(mPendingIdleHandlers);
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);
}
}
}这里要注意一点，IdleHandler的回调只会执行一次，执行完成后会被移除。
七、Message执行监听
技术点6：如何对主线程卡顿问题进行监控
7.1 触发原理
3.3章节的时候，我们有提到logging这个对象。我们在回头看一下代码，这里我们很清楚的看到，logging会在message执行前和执行后分别调用。那这两次打印之间的时间，就可以认为是Message中回调的执行时间。
private static boolean loopOnce(final Looper me,
final long ident, final int thresholdOverride) {
...省略代码
final Printer logging = me.mLogging;
if (logging != null) {
logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " "
+ msg.callback + ": " + msg.what);
}
...省略代码
try {
msg.target.dispatchMessage(msg);
if (observer != null) {
observer.messageDispatched(token, msg);
}
dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
} catch (Exception exception) {
...省略代码
if (logging != null) {
logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
}
}7.2 使用方式
我们看一下logging对应的Printer类，其实就是一个接口，
public interface Printer {
/**
* Write a line of text to the output. There is no need to terminate
* the given string with a newline.
*/
void println(String x);
}
并且我们发现logging是允许我们主动去设置的 。使用时取的是Looper.mLogging对象。
而setMessageLogging方法正好是设置mLogging的。
public void setMessageLogging(@Nullable Printer printer) {
mLogging = printer;
}所以我们只要创建一个Printer对象，然后注册到Looper里，那么通过两次回调的时间，就可以判断哪个Meesage执行超时了。如下代码就可以监控主线程所有Message消息执行超过100毫秒的场景。
//声明Printer对象
private Printer printer = new Printer() {
@Override
public void println(String it) {
long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
//其实这里应该是一一对应判断的，但是由于是运行主线程中，所以Dispatching之后一定是Finished，依次执行
if (it.contains("Dispatching")) {
lastFrameTime = currentTimeMillis;
return;
}
if (it.contains("Finished")) {
long useTime = currentTimeMillis - lastFrameTime;
//记录时间
if (useTime > 100) {
//todo 要判断哪里耗时操作导致的
Log.i(TAG, "执行超过100毫秒");
}
}
}
};
//然后注册
Looper mainLooper = Looper.getMainLooper();
mainLooper.setMessageLogging(printer);7.3 应用场景
继续扩展一下，如果我们仅仅知道主线程卡不卡肯定还不够的。我们肯定还想知道到底是哪里卡了？这也是BlockCanary所想要解决的。不过我们这里也有一个简单实现，一个类就可以完成性能监控。
1.我们可以开启一个子线程每隔制定时间（比如20毫秒）不断的去捕获主线程的堆栈状态。
2.当println回调通知Message的回调执行开始时，我们把每次的捕获到的堆栈存储到Map当中。
3.当println回调通知结束时，我们判断一下执行时间，超过超时，则打印Map中所有的堆栈结构。如果Map中存在两个一摸一样堆栈结构，则说明这个堆栈所对应的方法至少执行了20毫秒（最多40毫秒）。如果存在3个，则至少执行了40毫秒，以此类推。
4.所以通过打印的相同堆栈的次数，我们就知道了到底是哪里导致的卡顿。开发调试阶段我经常用，十分好用。
附小型性能监控类完整代码：
package com.common.monitor;
import android.content.Context;
import android.os.Handler;
import android.os.HandlerThread;
import android.os.Looper;
import android.util.Log;
import android.util.Printer;
import com.common.monitor.monitor.BaseMonitor;
import java.util.HashMap;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
public class ANRMonitor{
final static String TAG = "anr";
public static void init(Context context) {
if (true){//开关
return;
}
ANRMonitor anrMonitor = new ANRMonitor();
anrMonitor.start(context);
Log.i(TAG, "ANRMonitor init");
}
private void start(Context context) {
Looper mainLooper = Looper.getMainLooper();
mainLooper.setMessageLogging(printer);
HandlerThread handlerThread = new HandlerThread(ANRMonitor.class.getSimpleName());
handlerThread.start();
//时间较长，则记录堆栈
threadHandler = new Handler(handlerThread.getLooper());
mCurrentThread = Thread.currentThread();
}
private long lastFrameTime = 0L;
private Handler threadHandler;
private long mSampleInterval = 40;
private Thread mCurrentThread;//主线程
private final Map<String, String> mStackMap = new HashMap<>();
private Printer printer = new Printer() {
@Override
public void println(String it) {
long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
//其实这里应该是一一对应判断的，但是由于是运行主线程中，所以Dispatching之后一定是Finished，依次执行
if (it.contains("Dispatching")) {
lastFrameTime = currentTimeMillis;
//开始进行记录
threadHandler.postDelayed(mRunnable, mSampleInterval);
synchronized (mStackMap) {
mStackMap.clear();
}
return;
}
if (it.contains("Finished")) {
long useTime = currentTimeMillis - lastFrameTime;
//记录时间
if (useTime > 20) {
//todo 要判断哪里耗时操作导致的
Log.i(TAG, "ANR:" + it + ", useTime:" + useTime);
//大于100毫秒，则打印出来卡顿日志
if (useTime > 100) {
synchronized (mStackMap) {
Log.i(TAG, "mStackMap.size:" + mStackMap.size());
for (String key : mStackMap.keySet()) {
Log.i(TAG, "key:" + key + ",state:" + mStackMap.get(key));
}
mStackMap.clear();
}
}
}
threadHandler.removeCallbacks(mRunnable);
}
}
};
private Runnable mRunnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
doSample();
threadHandler
.postDelayed(mRunnable, mSampleInterval);
}
};
protected void doSample() {
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
for (StackTraceElement stackTraceElement : mCurrentThread.getStackTrace()) {
stringBuilder
.append(stackTraceElement.toString())
.append("\n");
}
synchronized (mStackMap) {
mStackMap.put(mStackMap.size() + "", stringBuilder.toString());
}
}
}
今天的文章android源码学习-Handler机制及其六个核心点分享到此就结束了，感谢您的阅读，如果确实帮到您，您可以动动手指转发给其他人。
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