Android多线程源码详解一：handler、looper、message、messageQueue
之前面试，面试官问到多线程通讯，巴拉巴拉说了些基础实现后面试官问handlerThread的底层实现，就卡住了。所以把Android多线程的知识点复习整理一下，写出来加深印象。
Android多线程通讯的核心是handler、looper、message、messageQueue，这篇文章就先记录下这套系统的源码要点，具体的实现方法下一篇文章再写。
内容为自己看源码的理解，如有问题，欢迎留言探讨，共同进步。

Thread
用法一：

handler = new Handler() {

        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            super.handleMessage(msg);
            switch (msg.what) {
                case 1:
                    mThread.setText(msg.obj.toString());
            }
        }
    };
    ...

new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    Log.d("coco", "thread:" + Thread.currentThread().getName());
                    Message message = handler.obtainMessage();
                    message.obj = "thread_msg";
                    message.what = 1;
                    handler.sendMessage(message);
                }
            }).start();

主线程中初始化handler，实现handleMessage，子线程中sendMessage，实现通讯。（ps：handler内存泄漏后面写）

方法二：

handler.post(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    Message message = Message.obtain(handler);
                    message.obj = "thread_msg1";
                    message.what = 1;
                    handler.sendMessage(message);
                }
            });

这种方法跟第一种实现原理是一样的，直接返回sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0)，通过getPostMessage从Runnable中获取message，然后放到messageQueue中。

handler
handler是多线程通讯的控制器，负责消息的发送与处理，handler的初始化代码如下：

//FIND_POTENTIAL_LEAKS为常量，值为false，即第一个if语句不会执行。内部的代码逻辑是判断handler的创建方式，决定是否需要打
//印内存泄漏的log，如果是该handler对象是通过匿名类、成员类、内部类、非静态类的话，有可能造成内存泄漏，需要打印log
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());
        }
    }

//首先对looper进行判空，如果为空就抛出异常，所以如果在子线程中初始化handler，一定要先初始化looper，主线程在系统创建时就初
//始化了looper，所以可以直接创建handler。
mLooper = Looper.myLooper();

    if (mLooper == null) {
        throw new RuntimeException(
            "Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
                    + " that has not called Looper.prepare()");
    }
    mQueue = mLooper.mQueue;
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;

mQueue是获取的mLooper的mQueue，所以mQueue也是当前线程相关的，具体原因在looper的源码分析中会讲。mAsynchronous是判断是否有异步消息，Android会优先处理异步消息，具体的实现在messageQueue中会讲到。

public final Message obtainMessage()

{
    return Message.obtain(this);
}

obtainMessage方法是从message的公共池中取出一个message，相对于直接new出来，效率更高。

public void dispatchMessage(Message msg) {

    if (msg.callback != null) {
        handleCallback(msg);
    } else {
        if (mCallback != null) {
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        handleMessage(msg);
    }
}

dispatchMessage方法是handler在接收到message后进行分发时调用的，msg.callback是一个Runnable对象，在message创建时传入，或者通过setCallback方法设置，默认为空；mCallback是Callback对象，在handler初始化的时候传入，默认也为空。所以没有特定设置的情况下，会直接走到handlerMessage中，即我们创建handler时复写的回调方法。

looper
looper的主要成员变量如下：
MessageQueue mQueue跟looper绑定的消息队列。
Thread mThreadlooper所在线程对象。

looper的初始化代码如下：

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));
}

sThreadLocal的数据结构为ThreadLocal，在prepare中首先判断sThreadLocal是否为空，表明一个线程只能有一个looper对象，符合单例模式的设计思想。
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed))该方法是new一个Looper，并将该Looper与当前线程的threadLocalMap关联起来，所以该looper属于调用prepare方法的线程。

接下来是最重要的loop方法，loop与prepare方法都是静态方法，通过Looper.prepare跟Looper.loop调用即可，所以在loop开始的时候要先获取当前thread的looper与messageQueue。

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;
    Binder.clearCallingIdentity();
    ...
    for (;;) {
        Message msg = queue.next(); // might block
        if (msg == null) {
            return;
        }
        ...
        try {
            msg.target.dispatchMessage(msg);
            dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
        } finally {
            if (traceTag != 0) {
                Trace.traceEnd(traceTag);
            }
        }
        ...
        msg.recycleUnchecked();
    }
}

Binder.clearCallingIdentity() 方法是为了清除当前线程传入的IPC标识，如果在其他线程传入IPC请求，当前线程又要调用当前线程的本地接口，先清除传入的IPC标识，那么调用本地接口时就不需要进行权限验证。
然后通过 for(;;) 进行无限循环，直到queue.next不为空，接着调用target(即当前looper绑定的handler，在handler初始化的时候绑定)的 dispatchMessage(msg) 方法，之后走到初始化handler时复写的 handleMessage 中。
最后通过 recycleUnchecked() 将当前的msg放入到消息池中。

threadLocal、threadLocalMap
threadLocal是一个数据对象类，由该类实例化的对象是线程相关的，即不同线程通过同一个threadLocal对象操作的也是各自的线程的备份数据，该功能是由threadLocalMap实现。
threadLocalMap是一个自定义hashmap，内部持有一个tables变量，类型为Entry[]。Entry为threadLocalMap内部类，继承了ThreadLocal的虚引用，以便实例化的ThreadLocal对象在不用时可以回收；内部只有一个成员变量value，这里的结构为Looper。

static class Entry extends WeakReference> {

        /** The value associated with this ThreadLocal. */
        Object value;

        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }

threadLocalMap是Thread的一个变量，所以每一个线程只有一个threadLocalMap。

threadLocal的操作都是以threadLocalMap来实现的，如get()方法，首先获取当前Thread，然后通过获取Thread的threadLocalMap，然后map.getEntry(this)(传入this是因为自定义hashmap的hash算法需要用到threadLocal中的threadLocalHashCode变量)获取当前线程对应的value(looper)，以保证在子线程中处理的looper、message都是主线程的looper、message，避免了不同线程数据的同步问题。

public T get() {

    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

其他的set、setInitialValue等方法也是跟get类似，通过threadLocalMap实现。

由上面的代码可以看出，整个多线程通讯的核心就是threadLocal与threadLocalMap。以普通的子线程发送消息，主线程接收消息的demo为例：handler在主线程创建，所以在初始化时绑定的looper是主线程的looper；主线程的looper在初始化的时候调用prepare，跳转到构造函数创建实例的时候会创建messageQueue并绑定，所以messageQueue也是对应的主线程的looper的内部队列；message无论是obtain还是new出来的，在通过sentMessage发出后，会绑定到当前handler上。综上所述，虽然消息的创建与发送都是在子线程中完成，但由于threadLocal机制，这一系列的实例都是在主线程中完成的，所以不会有不同线程通讯的同步问题。

message
message是handler机制中的信息载体，实现了Parcelable接口，主要通过一下变量保存数据：
int what整形变量，让接受者区分message的标识。
int arg1, arg2整形变量，可存储简单的int数据。
Object obj发送任意Object对象给接受者。
target message所关联的handler
message的初始化推荐通过Handler.obtainMessage()或者Message.obtain(Handler h)，会返回消息池中的message，避免了message的创建与销毁，效率更高。
首先看一下message的初始化：

public static Message obtain(Handler h) {

    Message m = obtain();
    m.target = h;

    return m;
}

...
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();
}

sPool是消息池，实际结构为Message，通过next对象指向下一个message，然后一串message构成消息池。消息池的上限是50，没有初始化，所以第一次调用obtain的时候，也是通过new Message创建的对象，在每次looper.loop()中获取到消息后，将处理完的message通过recycleUnchecked方法添加到消息池中，直到达到上限 50，在达到上限50前，消息都不销毁，只会将成员变量初始化。
无论是通过Handler.obtainMessage()还是直接通过Message.obtain(Handler h)，都会调用Message.obtain()，然后将target设为绑定的handler对象，该方法会先判断sPool是否为空，如果不为空，就将sPool返回，然后将sPool指向下一个Message。

message queue
消息队列，实际数据结构为链表，模拟的队列特性，初始化、销毁等操作的实现都在native层。
mQuitAllowed Boolean变量，标识messageQueue是否可以中止。
messageQueue中的 enqueueMessage 方法是消息队列的入队方法，在handler调用sendMessage后，会调用该方法将msg放入到消息队列中。

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {

    //判断入队的消息的tartget是否为空，类型为handler，即判断message是否绑定了handler
    if (msg.target == null) {
        throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
    }
    //判断msg是否被使用，由msg的flag变量与常量的位运算结果控制
    //初始化的message的flag默认为0，计算结果为未使用；
    //使用后flag变为1，计算结果为已使用；
    //如果该msg为异步消息，flag为2.
    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(); //将msg标记为已使用
        msg.when = when;
        Message p = mMessages;
        boolean needWake;
        if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
            // 如果消息队列为空，将mMessages指向msg，msg的next指向空节点，入队完成
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
            //needWeke标识队列是否需要唤醒，默认的mBlocked为false，looper调用loop开始轮训后设为true
            needWake = mBlocked;
        } else {
            // 根据mBlocked、是否是同步屏障message、该消息是否是异步的判断是否需要唤醒队列
            needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
            Message prev;
            //如果消息队列不为空，采用尾插法将新的msg插入到队尾，但mMessages仍指向第一个message
            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;
        }
        // 如果需要，则唤醒队列，具体唤醒操作在native层实现
        if (needWake) {
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
    return true;
}

看完了消息的入队，再看一下消息的出队，消息的出队是通过next()方法实现的,里面的东西比较多，只看下主要逻辑。

Message next() {

    ...
    // 开始循环，判断需要返回哪一个message
    for (;;) {
        ...
        synchronized (this) {
            // Try to retrieve the next message.  Return if found.
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages;
            //msg.target为空，说明碰到了同步屏障，出循环后，prevMsg指向同步屏障，msg指向最近的一个异步消息
            //同步屏障由postSyncBarrier方法添加，再使用完后需要删除屏障，否则会一直循环查找异步消息，无法抛出同步消息
            if (msg != null && msg.target == null) {
                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 {
                    mBlocked = false;
                    if (prevMsg != null) {
                        //prevMsg不为空，说明prevMsg指向同步屏障，说明msg指向异步消息，需要优先抛出异步消息
                        prevMsg.next = msg.next;
                    } else {
                        //prevMsg为空，说明没有异步消息，抛出msg，将mMessages指向下一个message
                        mMessages = msg.next;
                    }
                    //清空msg的next节点，并设为使用中，然后返回
                    msg.next = null;
                    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;
            }
            ...
    }
}

上述next方法中，返回需要处理的message，优先处理异步消息，消息处理按照先进先出的顺序执行。

异步消息的处理时间更快，需要将消息设为异步(message.setAsynchronous(true))，并配合postSyncBarrier、removeSyncBarrier实现。postSyncBarrier是往队列中添加同步屏障，removeSyncBarrier是删除队列中的同步屏障，如果只添加没有删除，那么next无法抛出同步消息。

private int postSyncBarrier(long when) {

    synchronized (this) {
        final int token = mNextBarrierToken++;
        final Message msg = Message.obtain();
        msg.markInUse();
        msg.when = when;
        msg.arg1 = token;

        Message prev = null;
        Message p = mMessages;
        if (when != 0) {
            while (p != null && p.when <= when) {
                prev = p;
                p = p.next;
            }
        }
        if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
            msg.next = p;
            prev.next = msg;
        } else {
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
        }
        return token;
    }
}

根据源码可以看到，同步屏障实质上也是一个message，只不过target为null，不同于普通message的尾插法，同步屏障是通过头插法实现的，所以next抛出message的时候回直接处理异步消息。
同步屏障的删除源码比较简单，这里就不贴出来了。只说明一下，同步屏蔽删除后也会优先加入消息缓冲池中，消息池满了后才销毁。

messageQueue虽然叫消息队列，但实际的逻辑结构是message组成的链表，普通情况下模拟的队列的先进先出的特性，但遇到异步消息时，也不会完全遵守队列特性，实现头部插入功能。
原文地址https://www.cnblogs.com/zhangzhonghao/p/10678786.html