Handler 机制解析

本文整理自：

Handler机制组成部分

Hanler机制中的几个重要的组成部分：

组件 作用
ThreadLocal 将消息转存入其他指定的线程中
MessageQueue 消息队列，用于存储当前线程的转存入的消息
Looper 消息循环，不断的监控消息队列并从其中取出消息并处理
Handler 负责发送消息以及处理消息

使用方法

  • 常用于在其他线程中处理UI操作。

  • 在处理消息的线程中定义一个Handler，若该线程中没有定义Looper，则需要先定义Looper，否则会报错。其中主线程的Looper已在启动的时候默认加载了，所以在主线程中无需先定义Looper。

  • 当在其中线程中需要进行UI操作的时候，需要在该线程中使用主线程的Handler变量的sendMessage方法或者post方法。

ThreadLocal注意

ThreadLocal在API21以及API28中的代码实现方法不同：

  • 由localValues数组变为TheadLocalMap类。
  • ThreadLocalMap为弱引用。

Looper注意

  • Looper每个线程只有一个，除主线程外的线程默认不自动加载，需要自己主动使用Looper.prepare()方法加载。
  • 另外需要looper.loop()方法启动Looper。
  • Looper启动时会同时加载MessageQueue。
  • 推出Looper是可以使用Looper#quit或者Looper#quitSafely方法。

机制分析

从handler.sendMessage(Message msg)出发，分析整个Handler的消息处理机制。

Handler#sendMessage方法

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

public final boolean sendMessageDelayed(@NonNull Message msg, long delayMillis) {
    if (delayMillis < 0) {
        delayMillis = 0;
    }
    return sendMessageAtTime(msg, SystemClock.uptimeMillis() + delayMillis);
}

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);
}

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);
}

通过sendMessage方法的调用，以及中间的多个方法的调用，最终调用了enqueueMessage方法中的queue.enqueueMessage方法，将消息加入了MessageQueue中。

MessageQueue#enqueueMessage方法

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boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
    if (msg.target == null) {
        throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
    }
    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();
        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;
}

这个方法比较简单，采用线程安全的方式将 Message 插入到消息队列中，插入的新消息有三种可能成为消息队列的 head：

  1. MessageQueue 为空。
  2. 参数 when 为 0，因为此时 when 已经转成绝对时间，所以只有 AtFrontOfQueue 系列的 API 才会满足这个条件。
  3. 当前的 head Message 执行时间在 when 之后，即消息队列中无需要在此 Message 之前执行的 Message。

Looper#loop方法

同时Looper的loop方法不断监控MessageQueue中是否有待处理的消息，如果有的话，就调用MessageQueue#next方法，该方法将取出单链表第一个消息并返回给looper。

MessageQueue#next方法链表中没有消息的情况下不返回任何信息，直到中间有了新的消息后才取出，否则将一直等待。

Looper#loop方法是会堵塞进程的方法，如果没有消息的话，就会继续永不停止的观测，直到MessageQueue#next能够返回出消息。

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public static void loop() {
    final Looper me = myLooper();
    if (me == null) {
        throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
    }
    if (me.mInLoop) {
        Slog.w(TAG, "Loop again would have the queued messages be executed"
               + " before this one completed.");
    }

    me.mInLoop = true;
    final MessageQueue queue = me.mQueue;

    // 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();

    // Allow overriding a threshold with a system prop. e.g.
    // adb shell 'setprop log.looper.1000.main.slow 1 && stop && start'
    final int thresholdOverride =
        SystemProperties.getInt("log.looper."
                                + Process.myUid() + "."
                                + Thread.currentThread().getName()
                                + ".slow", 0);

    ...

        for (;;) {
            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
            final Printer logging = me.mLogging;
            if (logging != null) {
                logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
                                msg.callback + ": " + msg.what);
            }
            e.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg));
        }

    final long dispatchStart = needStartTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
    final long dispatchEnd;
    Object token = null;
    if (observer != null) {
        token = observer.messageDispatchStarting();
    }
    long origWorkSource = ThreadLocalWorkSource.setUid(msg.workSourceUid);
    try {
        msg.target.dispatchMessage(msg);
        if (observer != null) {
            observer.messageDispatched(token, msg);
        }
        dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
    } catch (Exception exception) {
        if (observer != null) {
            observer.dispatchingThrewException(token, msg, exception);
        }
        throw exception;
    } finally {
        ThreadLocalWorkSource.restore(origWorkSource);
        if (traceTag != 0) {
            Trace.traceEnd(traceTag);
        }
    }

    ...

        msg.recycleUnchecked();
}
}

在该方法的中间有msg.target.dispatchMessage(msg);这行代码。msg.target就是目标线程的handler对象，对该对象使用Handler#dispatchMessage方法，让其处理消息。

也就是说，取下一个消息的实际执行时间取决于上一个消息什么时候处理完。

MessageQueue#next方法

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Message next() {
    // Return here if the message loop has already quit and been disposed.
    // This can happen if the application tries to restart a looper after quit
    // which is not supported.
    final long ptr = mPtr;
    if (ptr == 0) {
        return null;
    }

    int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
    int nextPollTimeoutMillis = 0;
    for (;;) {
        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
            Binder.flushPendingCommands();
        }

        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

        synchronized (this) {
            // Try to retrieve the next message.  Return if found.
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages;
            if (msg != null && msg.target == null) {
                // Stalled by a barrier.  Find the next asynchronous message in the queue.
                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 {
                    // 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;
            }

            // Process the quit message now that all pending messages have been handled.
            if (mQuitting) {
                dispose();
                return null;
            }

            // 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;
    }
}

看到 next() 实际上也有一个 for(;;)，而出口只有两个：

  1. 消息队列已经退出，返回 null；
  2. 找到了一个合适的消息，将其返回。
    如果没有合适的消息，或者消息队列为空，会 block 或者由 IdleHandler 处理，不在本文问题范畴，暂不展开。

主要看找到合适的消息的逻辑：

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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;
        } 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;
}

可以看到：

  1. 如果在消息队列中顺序找到了一个消息 msg（前文分析过，消息队列的插入是由when顺序排列，所以如果当前的消息没有到执行时间，其后的也一定不会到），当前的系统时间小于 msg.when，那么会计算一个 timeout，以便在到执行时间时wake up；
  2. 如果当前系统时间大于或等于 msg.when，那么会返回msg给Looper.loop()。

所以这个逻辑只能保证在 when 之前消息不被处理，不能够保证一定在when时被处理。很好理解：

  1. 在 Loop.loop() 中是顺序处理消息，如果前一个消息处理耗时较长，完成之后已经超过了 when，消息不可能在 when 时间点被处理。
  2. 即使 when 的时间点没有被处理其他消息所占用，线程也有可能被调度失去 cpu 时间片。
  3. 在等待时间点 when 的过程中有可能入队处理时间更早的消息，会被优先处理，又增加了（1）的可能性。

所以由上述三点可知，Handler 提供的指定处理时间的 api 诸如 postDelayed() / postAtTime() / sendMessageDelayed() / sendMessageAtTime() ，只能保证在指定时间之前不被执行，不能保证在指定时间点被执行。

Handler#dispatchMessage方法

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/**
* Handle system messages here.
*/
public void dispatchMessage(@NonNull Message msg) {
    if (msg.callback != null) {
        handleCallback(msg);
    } else {
        if (mCallback != null) {
            if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                return;
            }
        }
        handleMessage(msg);
    }
}

该方法一共有三个执行等级：

  1. 如果传入的Message自己附带了UI操作的代码，那么就执行该代码。
  2. 如果Message没有附带的话，那么就是看mCallback是否存在，存在的话就执行该回调的handleCallback方法。
  3. 如果都不存在的话，就执行handler对象的handleMessage方法。

Handler#handleMessage方法

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/**
* Subclasses must implement this to receive messages.
*/
public void handleMessage(@NonNull Message msg) {
}

可以发现，Handler#handleMessage方法是一个空方法，所以需要我们在创建的时候就进行重写。

之后目标线程就可以执行想要其执行的操作了。

相关面试问题

主线程中的 Looper.loop() 为什么不会造成 ANR

正如我们所知，在android中如果主线程中进行耗时操作会引发ANR（Application Not Responding）异常。

造成ANR的原因一般有两种：

  1. 当前的事件没有机会得到处理（即主线程正在处理前一个事件，没有及时的完成或者looper被某种原因阻塞住了）。
  2. 当前的事件正在处理，但没有及时完成。

ActivityThread的main方法主要就是做消息循环，一旦退出消息循环，那么你的应用也就退出了。

我们知道了消息循环的必要性，那为什么这个死循环不会造成ANR异常呢？

因为Android 的是由事件驱动的，looper.loop() 不断地接收事件、处理事件，每一个点击触摸或者说Activity的生命周期都是运行在 Looper.loop() 的控制之下，如果它停止了，应用也就停止了。只能是某一个消息或者说对消息的处理阻塞了 Looper.loop()，而不是 Looper.loop() 阻塞它。

也就说我们的代码其实就是在这个循环里面去执行的，当然不会阻塞了。

Activity的生命周期都是依靠主线程的Looper.loop，当收到不同Message时则采用相应措施。

如果某个消息处理时间过长，比如你在onCreate(),onResume()里面处理耗时操作，那么下一次的消息比如用户的点击事件不能处理了，整个循环就会产生卡顿，时间一长就成了ANR。

主线程Looper从消息队列读取消息，当读完所有消息时，主线程阻塞。子线程往消息队列发送消息，并且往管道文件写数据，主线程即被唤醒，从 管道文件读取数据，主线程被唤醒只是为了读取消息，当消息读取完毕，再次睡眠。因此loop的循环并不会对CPU性能有过多的消耗。

总结：Looer.loop()方法可能会引起主线程的阻塞，但只要它的消息循环没有被阻塞，能一直处理事件就不会产生ANR异常。

sendMessage与sendMessageDelay如何保证Message放入MessageQueue中的顺序

通过对 MessageQueue#enqueue() 以及 MessageQueue#next() 源码的阅读，我们可以看到两个方法都是通过synchronized来保证了线程的安全性。

由于多线程的性能开销，所以我们能够保证 Message 的顺序的正确性，但是无法保证这些 Message 执行的时间的精确性。

Handler 内存泄漏问题

当不再需要某个实例后，这个对象却仍然被引用，阻止被垃圾回收(Prevent from being bargage collected)，这个情况就叫做内存泄露(Memory Leak)。

考虑以下的代码；

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public class MainActivity extends Activity {
    private final Handler mLeakyHandler = new Handler() {
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            // ... 
        }
    }
}

虽然不明显，但是这段代码可能导致内存泄露。Android Lint会提示以下信息：

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In Android, Handler classes should be static or leaks might occur.

它到底是如何泄露的呢？

  1. 当一个Android应用程序启动的时候，Android框架为这个程序的主线程即UI线程创建了一个Looper对象，用于处理Handler中的Message。
    Looper实现了一个简单的消息队列messagequeue，不断循环的处理其中的message。
    所有的应用程序框架的事件（比如Activity生命周期的调用，按钮的点击等）都被封装在这个Message对象里，然后被加入到Looper的Messagequeue，最后一个一个的处理这些Message。
    注意，Looper在整个应用程序的生命周期中一直存在。

  2. 在主线程中实例化一个Handler对象的时候，就和它关联了主线程Looper的消息队列Messagequeue。
    被发送到这个消息队列的Message将保持对这个Handler对象的引用，这样框架就可以在处理这个Message的时候调用Handler.handleMessage(Message)来处理消息了。
    (也就是说，只要没有处理到这个Message，Handler就一直在队列中被引用)。

  3. 在Java中，非静态内部类和匿名内部类都隐式的保持了一个对外部类outerclass的引用。但是静态内部类不会有这个引用。

正确的解决方法：

  1. 静态内部类+WeakReference
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public class MainActivity extends Activity {

    // 静态内部类不会持有外部类的信用
    private static class MyHandler extends Handler {
        private final WeakReference<MainActivity> mActivity;

        public MyHandler(MainActivity activity) {
            mActivity = new WeakReference<MainActivity>(activity);
        }

        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            MainActivity activity = mActivity.get();
            if (activity != null) {
                // ...
            }
        }
    }

    private final MyHandler mHandler = new MyHandler(this);
}
  1. 静态Runnable，避免对外部类的引用
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public class MainActivity extends Activity {

    // 匿名类用static修饰后，不会再持有外部类的引用
    private static final Runnable sRunnable = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            // TODO
        }
    };

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState); 
        mHandler.postDelayed(sRunnable, 1000 * 60 * 10);
        // Go back to the previous Activity.
        finish();
    }
}

静态内部类和非静态内部类的区别很微小，但是开发人员必须了解。

那么底线是什么？

当内部类可以独立于Activity的生命周期而存在的时候，应该避免使用非静态内部类，应该用静态内部类并且使用WeakReference保持对Activity的引用。

深入理解

像下面这样使用handler的时候，其实是将handler定义为了匿名内部类：

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public class MainActivity extends Activity {
    private Handler mLeakyHandler=new Handler() {
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) { 
            // ...
        }
    }
}

而匿名内部类会默认持有外部类（MainActivity）的引用。

学过handler的都知道，handler发送消息后，消息会进行入队操作，在enqueueMessage方法中：

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msg.targer = this;

this指的就是handler，所以handler被message持有了，而message放入消息队列后，message又被MessageQueue持有了，而MessageQueue是在创建Looper的时候生成的：

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private Looper(boolean quitAllowed) {
    mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
}

所以MessageQueue又被looper所持有。如果这个handler是主线程的handler，那么此时的looper就是指的主线程的Looper，它的声明如下：

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private static Looper sMainLooper;

可以看到主线程的looper是static静态变量，而static静态变量在垃圾回收的时候是会被当做GC Root的，静态变量的生命周期与APP的生命周期、与虚拟机的生命周期是一样的，所以正是因为这个持有链的存在，导致了内存泄露。

引用链大致如下：

(static)Looper -->|持有| MessageQueue -->|持有| Message -->|持有| Handler -->|持有| MainActivity

所以解决 handler 内存泄露的办法就是要破坏这个持有链，比如只要 handler 不被 activity 持有就可以，所以可以把 handler 定义为static，因为 static 不会持有外部类，这样 handler 就不会持有 activity 了。

怎样判断一个内部类有没有被持有外部类？

比如上面的handler定义，没有加static的时候，在handleMessage方法里面可以正常使用MainActivity.this，这说明它持有了外部类。而一旦Handler加上static关键字，在handleMessage方法内部就不能再使用MainActivity.this，说明它没有持有外部类。

（为什么static变量，不会造成内存泄露？static 不会去持有外部类）

Android
#Handler
Handler 机制解析
https://luoyuy.top/posts/6805656561ea/
作者
LuoYu-Ying
发布于
2023年3月7日
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