Android系统中的广播（Broadcast）机制简要介绍和学习计划

2022-05-15 21:52:29

在Android系统中，广播（Broadcast）是在组件之间传播数据（Intent）的一种机制；这些组件甚至是可以位于不同的进程中，这样它就像Binder机制一样，起到进程间通信的作用；本文通过一个简单的例子来学习Android系统的广播机制，为后续分析广播机制的源代码作准备。

在Android系统中，为什么需要广播机制呢？广播机制，本质上它就是一种组件间的通信方式，如果是两个组件位于不同的进程当中，那么可以用Binder机制来实现，如果两个组件是在同一个进程中，那么它们之间可以用来通信的方式就更多了，这样看来，广播机制似乎是多余的。然而，广播机制却是不可替代的，它和Binder机制不一样的地方在于，广播的发送者和接收者事先是不需要知道对方的存在的，这样带来的好处便是，系统的各个组件可以松耦合地组织在一起，这样系统就具有高度的可扩展性，容易与其它系统进行集成。

在软件工程中，是非常强调模块之间的高内聚低耦合性的，不然的话，随着系统越来越庞大，就会面临着越来越难维护的风险，最后导致整个项目的失败。Android应用程序的组织方式，可以说是把这种高内聚低耦合性的思想贯彻得非常透彻，在任何一个Activity中，都可以使用一个简单的Intent，通过startActivity或者startService，就可以把另外一个Activity或者Service启动起来为它服务，而且它根本上不依赖这个Activity或者Service的实现，只需要知道它的字符串形式的名字即可，而广播机制更绝，它连接收者的名字都不需要知道。

不过话又说回来，广播机制在Android系统中，也不算是什么创新的东西。如果读者了解J2EE或者COM，就会知道，在J2EE中，提供了消息驱动Bean（Message-Driven Bean），用来实现应用程序各个组件之间的消息传递；而在COM中，提供了连接点（Connection Point）的概念，也是用来在应用程序各个组间间进行消息传递。无论是J2EE中的消息驱动Bean，还是COM中的连接点，或者Android系统的广播机制，它们的实现机理都是消息发布/订阅模式的事件驱动模型，消息的生产者发布事件，而使用者订阅感兴趣的事件。

废话说了一大堆，现在开始进入主题了，和前面的文章一样，我们通过具体的例子来介绍Android系统的广播机制。在这个例子中，有一个Service，它在另外一个线程中实现了一个计数器服务，每隔一秒钟就自动加1，然后将结果不断地反馈给应用程序中的界面线程，而界面线程中的Activity在得到这个反馈后，就会把结果显示在界面上。为什么要把计数器服务放在另外一个线程中进行呢？我们可以把这个计数器服务想象成是一个耗时的计算型逻辑，如果放在界面线程中去实现，那么势必就会导致应用程序不能响应界面事件，最后导致应用程序产生ANR（Application Not Responding）问题。计数器线程为了把加1后的数字源源不断地反馈给界面线程，这时候就可以考虑使用广播机制了。

首先在Android源代码工程中创建一个Android应用程序工程，名字就称为Broadcast吧。关于如何获得Android源代码工程，请参考在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新源代码一文；关于如何在Android源代码工程中创建应用程序工程，请参考在Ubuntu上为Android系统内置Java应用程序测试Application Frameworks层的硬件服务一文。这个应用程序工程定义了一个名为shy.luo.broadcast的package，这个例子的源代码主要就是实现在这里了。下面，将会逐一介绍这个package里面的文件。

首先，我们在src/shy/luo/broadcast/ICounterService.java文件中定义计数器的服务接口：

  1. package shy.luo.broadcast;
  2. public interface ICounterService {
  3. public void startCounter(int initVal);
  4. public void stopCounter();
  5. }

这个接口很简单，它只有两个成员函数，分别用来启动和停止计数器；启动计数时，还可以指定计数器的初始值。

接着，我们来看一个应用程序的默认Activity的实现，在src/shy/luo/broadcast/MainActivity.java文件中：

  1. package shy.luo.broadcast;
  2. import android.app.Activity;
  3. import android.content.BroadcastReceiver;
  4. import android.content.ComponentName;
  5. import android.content.Context;
  6. import android.content.Intent;
  7. import android.content.IntentFilter;
  8. import android.content.ServiceConnection;
  9. import android.os.Bundle;
  10. import android.os.IBinder;
  11. import android.util.Log;
  12. import android.view.View;
  13. import android.view.View.OnClickListener;
  14. import android.widget.Button;
  15. import android.widget.TextView;
  16. public class MainActivity extends Activity implements OnClickListener {
  17. private final static String LOG_TAG = "shy.luo.broadcast.MainActivity";
  18. private Button startButton = null;
  19. private Button stopButton = null;
  20. private TextView counterText = null;
  21. private ICounterService counterService = null;
  22. @Override
  23. public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
  24. super.onCreate(savedInstanceState);
  25. setContentView(R.layout.main);
  26. startButton = (Button)findViewById(R.id.button_start);
  27. stopButton = (Button)findViewById(R.id.button_stop);
  28. counterText = (TextView)findViewById(R.id.textview_counter);
  29. startButton.setOnClickListener(this);
  30. stopButton.setOnClickListener(this);
  31. startButton.setEnabled(true);
  32. stopButton.setEnabled(false);
  33. Intent bindIntent = new Intent(MainActivity.this, CounterService.class);
  34. bindService(bindIntent, serviceConnection, Context.BIND_AUTO_CREATE);
  35. Log.i(LOG_TAG, "Main Activity Created.");
  36. }
  37. @Override
  38. public void onResume() {
  39. super.onResume();
  40. IntentFilter counterActionFilter = new IntentFilter(CounterService.BROADCAST_COUNTER_ACTION);
  41. registerReceiver(counterActionReceiver, counterActionFilter);
  42. }
  43. @Override
  44. public void onPause() {
  45. super.onPause();
  46. unregisterReceiver(counterActionReceiver);
  47. }
  48. @Override
  49. public void onDestroy() {
  50. super.onDestroy();
  51. unbindService(serviceConnection);
  52. }
  53. @Override
  54. public void onClick(View v) {
  55. if(v.equals(startButton)) {
  56. if(counterService != null) {
  57. counterService.startCounter(0);
  58. startButton.setEnabled(false);
  59. stopButton.setEnabled(true);
  60. }
  61. } else if(v.equals(stopButton)) {
  62. if(counterService != null) {
  63. counterService.stopCounter();
  64. startButton.setEnabled(true);
  65. stopButton.setEnabled(false);
  66. }
  67. }
  68. }
  69. private BroadcastReceiver counterActionReceiver = new BroadcastReceiver(){
  70. public void onReceive(Context context, Intent intent) {
  71. int counter = intent.getIntExtra(CounterService.COUNTER_VALUE, 0);
  72. String text = String.valueOf(counter);
  73. counterText.setText(text);
  74. Log.i(LOG_TAG, "Receive counter event");
  75. }
  76. };
  77. private ServiceConnection serviceConnection = new ServiceConnection() {
  78. public void onServiceConnected(ComponentName className, IBinder service) {
  79. counterService = ((CounterService.CounterBinder)service).getService();
  80. Log.i(LOG_TAG, "Counter Service Connected");
  81. }
  82. public void onServiceDisconnected(ComponentName className) {
  83. counterService = null;
  84. Log.i(LOG_TAG, "Counter Service Disconnected");
  85. }
  86. };
  87. }

MainActivity的实现也很简单，它在创建（onCreate）的时候，会调用bindService函数来把计数器服务（CounterService）启动起来，它的第二个参数serviceConnection是一个ServiceConnection实例。计数器服务启动起来后，系统会调用这个实例的onServiceConnected函数将一个Binder对象传回来，通过调用这个Binder对象的getService函数，就可以获得计数器服务接口。这里，把这个计数器服务接口保存在MainActivity的counterService成员变量中。同样，当我们调用unbindService停止计数器服务时，系统会调用这个实例的onServiceDisconnected函数告诉MainActivity，它与计数器服务的连接断开了。

注意，这里通过调用bindService函数来启动Service时，这个Service与启动它的Activity是位于同一个进程中，它不像我们在前面一篇文章Android系统在新进程中启动自定义服务过程（startService）的原理分析中所描述那样在新的进程中启动服务，后面我们再写一篇文章来分析bindService启动服务的过程。

在MainActivity的onResume函数中，通过调用registerReceiver函数注册了一个广播接收器counterActionReceiver，它是一个BroadcastReceiver实例，并且指定了这个广播接收器只对CounterService.BROADCAST_COUNTER_ACTION类型的广播感兴趣。当CounterService发出一个CounterService.BROADCAST_COUNTER_ACTION类型的广播时，系统就会把这个广播发送到counterActionReceiver实例的onReceiver函数中去。在onReceive函数中，从参数intent中取出计数器当前的值，显示在界面上。

MainActivity界面上有两个按钮，分别是Start Counter和Stop Counter按钮，点击前者开始计数，而点击后者则停止计数。

计数器服务CounterService实现在src/shy/luo/broadcast/CounterService.java文件中：

  1. package shy.luo.broadcast;
  2. import android.app.Service;
  3. import android.content.Intent;
  4. import android.os.AsyncTask;
  5. import android.os.Binder;
  6. import android.os.IBinder;
  7. import android.util.Log;
  8. public class CounterService extends Service implements ICounterService {
  9. private final static String LOG_TAG = "shy.luo.broadcast.CounterService";
  10. public final static String BROADCAST_COUNTER_ACTION = "shy.luo.broadcast.COUNTER_ACTION";
  11. public final static String COUNTER_VALUE = "shy.luo.broadcast.counter.value";
  12. private boolean stop = false;
  13. private final IBinder binder = new CounterBinder();
  14. public class CounterBinder extends Binder {
  15. public CounterService getService() {
  16. return CounterService.this;
  17. }
  18. }
  19. @Override
  20. public IBinder onBind(Intent intent) {
  21. return binder;
  22. }
  23. @Override
  24. public void onCreate() {
  25. super.onCreate();
  26. Log.i(LOG_TAG, "Counter Service Created.");
  27. }
  28. @Override
  29. public void onDestroy() {
  30. Log.i(LOG_TAG, "Counter Service Destroyed.");
  31. }
  32. public void startCounter(int initVal) {
  33. AsyncTask<Integer, Integer, Integer> task = new AsyncTask<Integer, Integer, Integer>() {
  34. @Override
  35. protected Integer doInBackground(Integer... vals) {
  36. Integer initCounter = vals[0];
  37. stop = false;
  38. while(!stop) {
  39. publishProgress(initCounter);
  40. try {
  41. Thread.sleep(1000);
  42. } catch (InterruptedException e) {
  43. e.printStackTrace();
  44. }
  45. initCounter++;
  46. }
  47. return initCounter;
  48. }
  49. @Override
  50. protected void onProgressUpdate(Integer... values) {
  51. super.onProgressUpdate(values);
  52. int counter = values[0];
  53. Intent intent = new Intent(BROADCAST_COUNTER_ACTION);
  54. intent.putExtra(COUNTER_VALUE, counter);
  55. sendBroadcast(intent);
  56. }
  57. @Override
  58. protected void onPostExecute(Integer val) {
  59. int counter = val;
  60. Intent intent = new Intent(BROADCAST_COUNTER_ACTION);
  61. intent.putExtra(COUNTER_VALUE, counter);
  62. sendBroadcast(intent);
  63. }
  64. };
  65. task.execute(0);
  66. }
  67. public void stopCounter() {
  68. stop = true;
  69. }
  70. }

这个计数器服务实现了ICounterService接口。当这个服务被binderService函数启动时，系统会调用它的onBind函数，这个函数返回一个Binder对象给系统。上面我们说到，当MainActivity调用bindService函数来启动计数器服务器时，系统会调用MainActivity的ServiceConnection实例serviceConnection的onServiceConnected函数通知MainActivity，这个服务已经连接上了，并且会通过这个函数传进来一个Binder远程对象，这个Binder远程对象就是来源于这里的onBind的返回值了。

函数onBind返回的Binder对象是一个自定义的CounterBinder实例，它实现了一个getService成员函数。当系统通知MainActivity，计数器服务已经启动起来并且连接成功后，并且将这个Binder对象传给MainActivity时，MainActivity就会把这个Binder对象强制转换为CounterBinder实例，然后调用它的getService函数获得服务接口。这样，MainActivity就通过这个Binder对象和CounterService关联起来了。

当MainActivity调用计数器服务接口的startCounter函数时，计数器服务并不是直接进入计数状态，而是通过使用异步任务（AsyncTask）在后台线程中进行计数。这里为什么要使用异步任务来在后台线程中进行计数呢？前面我们说过，这个计数过程是一个耗时的计算型逻辑，不能把它放在界面线程中进行，因为这里的CounterService启动时，并没有在新的进程中启动，它与MainActivity一样，运行在应用程序的界面线程中，因此，这里需要使用异步任务在在后台线程中进行计数。

异步任务AsyncTask的具体用法可以参考官方文档http://developer.android.com/reference/android/os/AsyncTask.html。它的大概用法是，当我们调用异步任务实例的execute（task.execute）方法时，当前调用线程就返回了，系统启动一个后台线程来执行这个异步任务实例的doInBackground函数，这个函数就是我们用来执行耗时计算的地方了，它会进入到一个循环中，每隔1秒钟就把计数器加1，然后进入休眠（Thread.sleep），醒过来，再重新这个计算过程。在计算的过程中，可以通过调用publishProgress函数来通知调用者当前计算的进度，好让调用者来更新界面，调用publishProgress函数的效果最终就是直入到这个异步任务实例的onProgressUpdate函数中，这里就可以把这个进度值以广播的形式（sendBroadcast）发送出去了，这里的进度值就定义为当前计数服务的计数值。

当MainActivity调用计数器服务接口的stopCounter函数时，会告诉函数doInBackground停止执行计数（stop = true），于是，函数doInBackground就退出计数循环，然后将最终计数结果返回了，返回的结果最后进入到onPostExecute函数中，这个函数同样通过广播的形式（sendBroadcast）把这个计数结果广播出去。

计算器服务就介绍到这里了，下面我们看看应用程序的配置文件AndroidManifest.xml：

  1. <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
  2. <manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
  3. package="shy.luo.broadcast"
  4. android:versionCode="1"
  5. android:versionName="1.0">
  6. <application android:icon="@drawable/icon" android:label="@string/app_name">
  7. <activity android:name=".MainActivity"
  8. android:label="@string/app_name">
  9. <intent-filter>
  10. <action android:name="android.intent.action.MAIN" />
  11. <category android:name="android.intent.category.LAUNCHER" />
  12. </intent-filter>
  13. </activity>
  14. <service android:name=".CounterService"
  15. android:enabled="true">
  16. </service>
  17. </application>
  18. </manifest>

这个配置文件很简单，只是告诉系统，它有一个Activity和一个Service。

再来看MainActivity的界面文件，它定义在res/layout/main.xml文件中：

  1. <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
  2. <LinearLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
  3. android:orientation="vertical"
  4. android:layout_width="fill_parent"
  5. android:layout_height="fill_parent"
  6. android:gravity="center">
  7. <LinearLayout
  8. android:layout_width="fill_parent"
  9. android:layout_height="wrap_content"
  10. android:layout_marginBottom="10px"
  11. android:orientation="horizontal"
  12. android:gravity="center">
  13. <TextView
  14. android:layout_width="wrap_content"
  15. android:layout_height="wrap_content"
  16. android:layout_marginRight="4px"
  17. android:gravity="center"
  18. android:text="@string/counter">
  19. </TextView>
  20. <TextView
  21. android:id="@+id/textview_counter"
  22. android:layout_width="wrap_content"
  23. android:layout_height="wrap_content"
  24. android:gravity="center"
  25. android:text="0">
  26. </TextView>
  27. </LinearLayout>
  28. <LinearLayout
  29. android:layout_width="fill_parent"
  30. android:layout_height="wrap_content"
  31. android:orientation="horizontal"
  32. android:gravity="center">
  33. <Button
  34. android:id="@+id/button_start"
  35. android:layout_width="wrap_content"
  36. android:layout_height="wrap_content"
  37. android:gravity="center"
  38. android:text="@string/start">
  39. </Button>
  40. <Button
  41. android:id="@+id/button_stop"
  42. android:layout_width="wrap_content"
  43. android:layout_height="wrap_content"
  44. android:gravity="center"
  45. android:text="@string/stop" >
  46. </Button>
  47. </LinearLayout>
  48. </LinearLayout>

这个界面配置文件也很简单，等一下我们在模拟器把这个应用程序启动起来后，就可以看到它的截图了。

应用程序用到的字符串资源文件位于res/values/strings.xml文件中：

  1. <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
  2. <resources>
  3. <string name="app_name">Broadcast</string>
  4. <string name="counter">Counter: </string>
  5. <string name="start">Start Counter</string>
  6. <string name="stop">Stop Counter</string>
  7. </resources>

最后，我们还要在工程目录下放置一个编译脚本文件Android.mk：

  1. LOCAL_PATH:= $(call my-dir)
  2. include $(CLEAR_VARS)
  3. LOCAL_MODULE_TAGS := optional
  4. LOCAL_SRC_FILES := $(call all-subdir-java-files)
  5. LOCAL_PACKAGE_NAME := Broadcast
  6. include $(BUILD_PACKAGE)

接下来就要编译了。有关如何单独编译Android源代码工程的模块，以及如何打包system.img，请参考如何单独编译Android源代码中的模块一文。
          执行以下命令进行编译和打包：

  1. USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ mmm packages/experimental/Broadcast
  2. USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ make snod

这样，打包好的Android系统镜像文件system.img就包含我们前面创建的Broadcast应用程序了。
         再接下来，就是运行模拟器来运行我们的例子了。关于如何在Android源代码工程中运行模拟器，请参考在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新源代码一文。
         执行以下命令启动模拟器：

  1. USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ emulator

模拟器启动起，就可以App Launcher中找到Broadcast应用程序图标，接着把它启动起来，然后点击界面上的Start Counter按钮，就可以把计数器服务启动起来了，计数器服务又通过广播把计数值反馈给MainActivity，于是，我们就会在MainActivity界面看到计数器的值不断地增加了：

Android系统中的广播（Broadcast）机制简要介绍和学习计划

这样，使用广播的例子就介绍完了。回顾一下，使用广播的两个步骤：

1. 广播的接收者需要通过调用registerReceiver函数告诉系统，它对什么样的广播有兴趣，即指定IntentFilter，并且向系统注册广播接收器，即指定BroadcastReceiver：

  1. IntentFilter counterActionFilter = new IntentFilter(CounterService.BROADCAST_COUNTER_ACTION);
  2. registerReceiver(counterActionReceiver, counterActionFilter);

这里，指定感兴趣的广播就是CounterService.BROADCAST_COUNTER_ACTION了，而指定的广播接收器就是counterActonReceiver，它是一个BroadcastReceiver类型的实例。

2. 广播的发送者通过调用sendBroadcast函数来发送一个指定的广播，并且可以指定广播的相关参数：

  1. Intent intent = new Intent(BROADCAST_COUNTER_ACTION);
  2. intent.putExtra(COUNTER_VALUE, counter);
  3. sendBroadcast(intent)

这里，指定的广播为CounterService.BROADCAST_COUNTER_ACTION，并且附带的带参数当前的计数器值counter。调用了sendBroadcast函数之后，所有注册了CounterService.BROADCAST_COUNTER_ACTION广播的接收者便可以收到这个广播了。

在第1步中，广播的接收者把广播接收器注册到ActivityManagerService中；在第2步中，广播的发送者同样是把广播发送到ActivityManagerService中，由ActivityManagerService去查找注册了这个广播的接收者，然后把广播分发给它们。

在第2步的分发的过程，其实就是把这个广播转换成一个消息，然后放入到接收器所在的线程消息队列中去，最后就可以在消息循环中调用接收器的onReceive函数了。这里有一个要非常注意的地方是，由于ActivityManagerService把这个广播放进接收器所在的线程消息队列后，就返回了，它不关心这个消息什么时候会被处理，因此，对广播的处理是异步的，即调用sendBroadcast时，这个函数不会等待这个广播被处理完后才返回。

下面，我们以一个序列图来总结一下，广播的注册和发送的过程：

Android系统中的广播（Broadcast）机制简要介绍和学习计划

虚线上面Step 1到Step 4步是注册广播接收器的过程，其中Step 2通过LoadedApk.getReceiverDispatcher在LoadedApk内部创建了一个IIntentReceiver接口，并且传递给ActivityManagerService；虚线下面的Step 5到Step 11是发送广播的过程，在Step 8中，ActivityManagerService利用上面得到的IIntentReceiver远程接口，调用LoadedApk.performReceiver接口，LoadedApk.performReceiver接口通过ActivityThread.H接口的post函数将这个广播消息放入到ActivityThread的消息队列中去，最后这个消息在LoadedApk的Args.run函数中处理，LoadedApk.Args.run函数接着调用MainActivity.BroadcastReceiver的onReceive函数来最终处理这个广播。

文章开始的时候，我们提到，举这个例子的最终目的，是为了进一步学习Android系统的广播机制，因此，在接下来的两篇文章中，我们将详细描述上述注册广播接收器和发送广播的过程：

1.Android应用程序注册广播接收器（registerReceiver）的过程分析；

2. Android应用程序发送广播（sendBroadcast）的过程分析。

相信学习完这两篇文章后，能够加深对Android系统广播机制的了解，敬请关注。

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