Android线程间异步通信机制源码分析

本文首先从整体架构分析了Android整个线程间消息传递机制,然后从源码角度介绍了各个组件的作用和完成的任务。文中并未对基础概念进行介绍,关于threadLacal和垃圾回收等等机制请自行研究。

基础架构

首先,我们需要从整体架构上了解一下Android线程通信都做了哪些工作。我们都知道,进程是操作系统分配资源的最小单位,一个进程中可以启动多个线程来执行任务,这些线程可以共享进程的资源但不分配资源,这里讲的资源主要是只内存资源。Android的线程间消息传递机制其实和我们现实生活人们通信中很相似,我们可以类比一下两个人的通信过程:假设A要给B写信,首先将信写好装入信封(Message),交给B的邮递员(handler)投入B的信箱(messageQueue)中,B的管家(looper)发现有信件需要查收,就交给B来处理。下图是其余线程向主线程发送消息的示意图:

整个过程如下:

子线程通过主线程的handler发送一条消息给主线程;

这条线程被放入主线程的消息队列中;

整个消息队列是由looper来创建和管理的,通过轮询一旦发现有新消息存在就取出交给主线程处理。

组件源码分析

了解过整个架构之后,我们就从源码的角度体会一下Android线程之间通信机制的精妙设计吧。

信封message

Message类作为发送给handler的消息,其中封装了一份对于消息的描述以及需要传递的数据对象。关于消息回收机制我们放在后面的文章中介绍,这里先只把它当作封装了要传递数据的消息类。首先,两个int成员变量和一个obj对象用于存储被传递的数据:

what: 用户自定义的消息码,用于消息接收者识别该消息的类型。

arg1、arg2: 如果只传递int值,可以采用这两个参数存储。

obj : 可以存放需要传递的数据对象。

还有一些成员变量也需要简单了解一下:

  • int flags : 该消息是否正在被取用
  • long when : 时间戳
  • Bundle data : 要传递的数据
  • Handler target : 指定处理该消息的目标handler.
  • Runnable callback :也可以指定处理该消息的回调函数
  • message next: 指向下一个message,后面介绍messageQueue时再详细介绍。

通过obtain方法可以获取一条message对象使用(工厂模式):

public static Message obtain() {
        synchronized (sPoolSync) {
            if (sPool != null) {
                Message m = sPool;
                sPool = m.next;
                m.next = null;
                m.flags = 0; // clear in-use flag
                sPoolSize–;
                return m;
            }
        }
        return new Message();
    }

还有一些关于成员变量的存取方法,就不一一介绍了,我们使用的时候只需要获取到message对象,将要传递的数据放入该对象中就OK了。然后我们需要调用sendToTarget方法把这个消息发送出去:

/**
    * Sends this Message to the Handler specified by {@link #getTarget}.
    * Throws a null pointer exception if this field has not been set.
    */
    public void sendToTarget() {
        target.sendMessage(this);
    }

        当然,你要指明要把该消息交给哪个handler来处理,不然会报空指针哟。方法中调用了handler的sendMessage方法,下面我们来研究一下handler。

邮递员handler

        handler其实并不仅仅像是传统意义上的邮递员而已,因为handler既负责在子线程中发送消息到主线程的messageQueue中,又负责在主线程中从looper中取出消息进行处理,你见过有这么周到的邮递员吗?一个handler实例只为一个线程以及其消息队列服务,当你在某个线程中创建一个handler实例对象,那么该handler对象就与该线程和它的消息队列绑定在一起,并开始为它们进行服务了。另外需要提到的一点是,这里的消息并不仅仅是指数据,也可以是能被主线程执行的Runnable对象。

        当应用程序的进程创建后,它的主线程维护了一个消息队列用于管理那些顶层的应用组件(activity,broadcast receiver等)以及创建出来的窗口。而你自己开启的线程可以通过handler与主线程通信,在合适的时候执行任务,或者处理消息等等。

        首先,我们看看如何创建一个handler,构造方法如下:

public Handler(Callback callback, boolean async) {
        if (FIND_POTENTIAL_LEAKS) {
            final Class 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();// 获取到当前线程的looper
        if (mLooper == null) {
            throw new RuntimeException(
                “Can’t create handler inside thread that has not called Looper.prepare()”);
        }
      mQueue = mLooper.mQueue;// 获取到looper管理的消息队列
        mCallback = callback;// 自定义的回调函数
        mAsynchronous = async;
    }

        其中有关内存泄露问题我们稍后再谈。先关注一下我们的handler在创建时做了哪些工作。在谈论整个通信机制的时候我们说过,一个线程只能有一个looper用来轮询唯一的一个消息队列,即线程,looper,消息的队列的关系是一一对应的。而handler和looper之间是一对多的关系,即一个looper可以由多个handler来为它服务。在handler的构造函数中,主要工作就是把handler和它要服务的looper,消息队列关联起来。

        handler可以向队列中发送消息或者添加一个可执行的runnable对象,消息队列会安排在某一时刻进行消息处理或者执行runnable对象run方法:
•post(Runnable r):将runnable对象加入消息队列,该runnable对象将会被消息队列所在线程执行。
•postAtTime(Runnable, long): 将runnable对象加入消息队列,在指定的时间执行该runnable对象。
•postDelayed(Runnable r, long delayMillis):将runnable对象加入消息队列,经过指定延迟时间后执行。
•sendEmptyMessage(int what):将一条仅包含what值的消息发送给消息队列
•sendMessage(Message msg):将一条消息加入消息队列
•sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis):在指定时间将一条消息加入队列尾部
•sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis): 在经过指定时间延迟后,将一条消息加入队列尾部

        通过这些方法,handler将message对象交给了消息队列messageQueue。looper从消息队列中取出message后,会调用message所持有的handlerdispatch方法,分发给handler来处理该消息:

public void dispatchMessage(Message msg) {
        if (msg.callback != null) {// 如果message对象持有回调对象,则执行它
            handleCallback(msg);
        } else {
            if (mCallback != null) {// 如果当前handler持有消息处理的回调函数,则执行它
                if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                    return;
                }
            }
            handleMessage(msg);// 如果都没有,则执行用户自定义的消息处理方法
        }
    }

管家Looper和信箱MessageQueue

        从上面的分析我们可以了解,message对象是通过handler间接的加入到消息队列中的,然后消息队列将message对象组织成一个队列提供给looper分发。如果只看名字,我们会猜想这个类中使用队列这种数据结构来组织message,然而并不是这样的。MessageQueue将message对象按时间顺序组织成一个链表的形式来管理。

        在创建handler对象的时候,我们通过looper.myLooper方法从threadLocal中获取到与当前线程一一对应的looper对象。那么当前线程是何时创建了整个looper对象并将其放入threadLocal呢?在Android的UI线程中,早已自动替我们创建好了looper;而如果是我们自己创建的线程,那么就需要调用prepare方法来创建出looper对象:

public static void prepare() {
        prepare(true);
    }

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));
  }

        在创建looper对象的时候也创建了它要轮询的消息队列,并获取了当前线程的引用:

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

        由于线程和looper对象是一一对应的关系,所以我们有时候判断���前线程是否为UI线程的时候,会调用getMainLooper方法来判断:

public static Looper getMainLooper() {
        synchronized (Looper.class) {
            return sMainLooper;
        }
}

        looper对象持有它所轮询的消息队列的对象,通过loop方法进行轮询:

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;// 获取到当前的消息队列

        // 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();
        // 开始轮询消息队列
        for (;;) {
            // 从消息队列中获取下一条message,有可能会阻塞
            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);
            }
            // 把从队列中取到的message交给handler来处理
            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);
            }
            // 标记该消息已经被处理过,可以被回收
            msg.recycleUnchecked();
        }
    }

到此为止,在子线程中创建的message对象就被处理好了。下面我们需要谈论一下handler的泄露问题以及解决方法。

Handler泄露问题

        谈论整个问题之前,我们需要了解JAVA的GC机制,这里就不做详细介绍了。当我们在activity中创建一个handler对象时,往往会继承一个匿名内部类,里面复写了handler的handleMessage方法。这时,该匿名内部类就会持有当前activity的对象引用。同时,持有该handler的子线程对象往往会进行一些耗时的操作,创建message对象并把handler对象的引用赋给它。此时如果用户关闭了activity,那么此activity对象是应该被系统回收的。但是,由于子线程的耗时操作,并且它和未处理的message对象都持有handler的引用,而handler又持有activity的引用,这就会导致该activity无法回收,出现内存泄露。

        目前主要有两种解决方案:
•第一种,在activity关闭时,停掉该子线程,然后调用handler的removeCallbacks方法,把消息队列中的message删除掉。
•第二种,让匿名内部类作为一个静态内部类出现,这样就不持有activity的对象引用了,activity就可以被回收掉了。但是,不持有activity的引用,怎么操作其中的对象呢?只好自己声明一个弱引用了:

static class myHandler extends Handler {
    WeakReference mActivityReference;

    myHandler(Activity activity) {
        mActivityReference= new WeakReference(activity);
    }

    @Override
    public void handleMessage(Message msg) {
    //消息处理……
    }
}

        弱引用在垃圾回收的时候会被忽略,所以可以被安全回收。个人比较倾向于第二种写法,比较简单。

总结

        本文简单介绍了Android系统线程之间异步通信的机制,从源码的角度简单谈论了线程通信时的基本工作。其中未详细深入到messageQueue的具体管理操作,只是简单提及了message对象的回收,具体细节有空再补上。

更多Android相关信息见Android 专题页面 http://www.linuxidc.com/topicnews.aspx?tid=11

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