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聊一聊Android的消息机制

悠然红茶
 悠然红茶
发布于 2015/08/14 22:03
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聊一聊Android的消息机制

侯 亮

1概述

在Android平台上,主要用到两种通信机制,即Binder机制和消息机制,前者用于跨进程通信,后者用于进程内部通信。

从技术实现上来说,消息机制还是比较简单的。从大的方面讲,不光是Android平台,各种平台的消息机制的原理基本上都是相近的,其中用到的主要概念大概有:
1)消息发送者;
2)消息队列;
3)消息处理循环。
示意图如下:

图中表达的基本意思是,消息发送者通过某种方式,将消息发送到某个消息队列里,同时还有一个消息处理循环,不断从消息队列里摘取消息,并进一步解析处理。

 在Android平台上,把上图的右边部分包装成了一个Looper类,这个类的内部具有对应的消息队列(MessageQueue  mQueue)和loop函数。
 
但是Looper只是个简单的类而已,它虽然提供了循环处理方面的成员函数loop(),却不能自己凭空地运行起来,而只能寄身于某个真实的线程。而且,每个线程最多只能运作一个Looper对象,这一点应该很容易理解。

Android平台上另一个关键类是Handler。当消息循环在其寄身的线程里正式运作后,外界就是通过Handler向消息循环发出事件的。我们再画一张示意图如下:


当然,系统也允许多个Handler向同一个消息队列发送消息:

 

整个消息机制的轮廓也就是这些啦,下面我们来详细阐述。

2先说一下Looper部分

Looper类的定义截选如下:
【frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java】

public final class Looper {
    private static final String TAG = "Looper";

    // sThreadLocal.get() will return null unless you've called prepare().
    static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();
    private static Looper sMainLooper;  // guarded by Looper.class

    final MessageQueue mQueue;
    final Thread mThread;

    private Printer mLogging;
    . . . . . .
    . . . . . .


当一个线程运行到某处,准备运作一个Looper时,它必须先调用Looper类的静态函数prepare(),做一些准备工作。说穿了就是创建一个Looper对象,并把它设置进线程的本地存储区(TLS)里。然后线程才能继续调用Looper类的另一个静态函数loop(),从而建立起消息处理循环。示意图如下:

prepare()函数的代码如下:

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));  // 创建Looper对象,并设置进TLS
}


可以看到,sThreadLocal.set()一句所完成的工作,正是把新创建的Looper对象设置进线程本地存储区里。在Looper.prepare()之后,线程的主运作函数就可以调用Looper.loop()了。


为了便于大家理解,我们多说两句关于sThreadLocal的细节,这会牵扯一点儿本地存储的技术。简单地说,每个线程对象内部会记录一张逻辑上的key-value表,当然,这张表在具体实现时不一定会被实现成HashMap,以我们目前的代码来说,它被记录成一个数组,其中每两个数组项作为一个key-value单元。反正大家从逻辑上理解概念即可,不必拘泥于具体实现。很明显,一个线程内部是可以记录多个本地存储单元的,我们关心的sThreadLocal只是其中一个本地存储单元的key而已。

当我们在不同Thread里调用Looper.prepare()时,其实是向Thread对应的那张表里添加一个key-value项,其中的key部分,指向的是同一个对象,即Looper.sThreadLocal静态对象,而value部分,则彼此不同,我们可以画出如下示意图:

看到了吧,不同Thread会对应不同Object[]数组,该数组以每2个元素为一个key-value对。请注意不同Thread虽然使用同一个静态对象作为key值,最终却会对应不同的Looper对象,这一点系统是不会弄错的。

为了由浅入深地阐述问题,我们暂时先不看Looper.loop()内部的代码,这个后文还会再讲。现在我们接着说说Handler。

3接着说一下Handler部分

一般而言,运作Looper的线程会负责构造自己的Handler对象,当然,其他线程也可以针对某个Looper构造Handler对象。

Handler对象在构造时,不但会把Looper对象记录在它内部的mLooper成员变量中,还会把Looper对象的消息队列也一并记录,代码截选如下:

public Handler(Callback callback, boolean async) 
{
    . . . . . .
    mLooper = Looper.myLooper();   // 记录下Looper对象
    . . . . . .
    mQueue = mLooper.mQueue;        // 也记录下Looper对象的消息队列
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;
}

我们也可以直接传入Looper对象,此时可以使用另一个构造函数:

public Handler(Looper looper, Callback callback, boolean async) 
{
    mLooper = looper;                // 记录下Looper对象
    mQueue = looper.mQueue;         // 也记录下Looper对象的消息队列
    mCallback = callback;
    mAsynchronous = async;
}


以后,每当线程需要向消息队列发送消息时,只需调用Handler对象的sendMessage()等成员函数就可以了。


简单说来,只要一个线程可以获取另一个目标线程的某个Handler对象,它就具有了向目标线程发送消息的能力。不过,也只是发送消息而已,消息的真正处理却是在目标线程的消息循环里完成的。

前文已经说过,在Looper准备停当后,我们的线程会调用Looper.loop(),从而进入真正的循环机制。loop()函数的代码流程非常简单,只不过是在一个for循环里不停从消息队列中摘取消息,而后调用msg.target.dispatchMessage()对消息进行派发处理而已。

这么看来,msg.target域就显得比较重要了,说穿了,这个域记录的其实就是当初向消息队列发送消息的那个handler啦。当我们调用handler的send函数时,最终基本上都会走到sendMessageAtTime(),其代码如下:
【frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java】

public boolean sendMessageAtTime(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(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) 
{
    // 注意这一句,消息的target就是handler对象啦!日后msg.target.dispatchMessage()时会使用。
    msg.target = this; 

    if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}


请大家注意msg.target = this;一句,记录的就是handler对象。

当Looper的消息循环最终调用到msg.target.dispatchMessage()时,会间接调用到handler的handleMessage()函数,从而对消息进行实际处理。

在实际运用handler时,大体有两种方式。一种方式是写一个继承于Handler的新类,并在新类里实现自己的handleMessage()成员函数;另一种方式是在创建匿名Handler对象时,直接修改handleMessage()成员函数。

4消息队列MessageQueue

在刚刚介绍Handler的sendMessageAtTime()时,我们已经看到最终会调用queue.enqueueMessage()来向消息队列打入消息。queue对应的类是MessageQueue,其定义截选如下:
【frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java】

public final class MessageQueue {
    // True if the message queue can be quit.
    private final boolean mQuitAllowed;

    @SuppressWarnings("unused")
    private int mPtr; // used by native code

    Message mMessages;  // 消息队列!
    private final ArrayList<IdleHandler> mIdleHandlers = new ArrayList<IdleHandler>();
    private IdleHandler[] mPendingIdleHandlers;
    private boolean mQuitting;

    // Indicates whether next() is blocked waiting in pollOnce() with a non-zero timeout.
    private boolean mBlocked;

    // The next barrier token.
    // Barriers are indicated by messages with a null target whose arg1 field carries the token.
    private int mNextBarrierToken;

    private native static int nativeInit();
    private native static void nativeDestroy(int ptr);
    private native static void nativePollOnce(int ptr, int timeoutMillis);
    private native static void nativeWake(int ptr);
    private native static boolean nativeIsIdling(int ptr);
    . . . . . .


其中Message mMessages记录的就是一条消息链表。另外还有几个native函数,这就说明MessageQueue会通过JNI技术调用到底层代码。mMessages域记录着消息队列中所有Java层的实质消息。请大家注意,记录的只是Java层的消息,不包括C++层的。MessageQueue的示意图如下:



4.1打入消息

4.1.1enqueueMessage()

很明显,enqueueMessage()就是在向MessageQueue的消息链表里插入Message。其代码截选如下:
【frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java】

boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
    . . . . . .
        . . . . . .
        msg.when = when;
        Message p = mMessages;
        boolean needWake;
        if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
            // 此时,新消息会插入到链表的表头,这意味着队列需要调整唤醒时间啦。
             msg.next = p;
            mMessages = msg;
            needWake = mBlocked;
        } else {
            // 此时,新消息会插入到链表的内部,一般情况下,这不需要调整唤醒时间。
              // 但还必须考虑到当表头为“同步分割栏”的情况
              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()) {
                    // 说明即便msg是异步的,也不是链表中第一个异步消息,所以没必要唤醒了
                    needWake = false;  
                }
            }
            msg.next = p;
            prev.next = msg;
        }

        if (needWake) {
            nativeWake(mPtr);
        }
    . . . . . .
}


打入消息的动作并不复杂,无非是在消息链表中找到合适的位置,插入Message节点而已。因为消息链表是按时间进行排序的,所以主要是在比对Message携带的when信息。消息链表的首个节点对应着最先将被处理的消息,如果Message被插到链表的头部了,就意味着队列的最近唤醒时间也应该被调整了,因此needWake会被设为true,以便代码下方可以走进nativeWake()。


4.1.2说说“同步分割栏”

上面的代码中还有一个“同步分割栏”的概念需要提一下。所谓“同步分割栏”,可以被理解为一个特殊Message,它的target域为null。它不能通过sendMessageAtTime()等函数打入到消息队列里,而只能通过调用Looper的postSyncBarrier()来打入。

“同步分割栏”是起什么作用的呢?它就像一个卡子,卡在消息链表中的某个位置,当消息循环不断从消息链表中摘取消息并进行处理时,一旦遇到这种“同步分割栏”,那么即使在分割栏之后还有若干已经到时的普通Message,也不会摘取这些消息了。请注意,此时只是不会摘取“普通Message”了,如果队列中还设置有“异步Message”,那么还是会摘取已到时的“异步Message”的。

在Android的消息机制里,“普通Message”和“异步Message”也就是这点儿区别啦,也就是说,如果消息列表中根本没有设置“同步分割栏”的话,那么“普通Message”和“异步Message”的处理就没什么大的不同了。

打入“同步分割栏”的postSyncBarrier()函数的代码如下:
【frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java】

public int postSyncBarrier() {
    return mQueue.enqueueSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
}

【frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java】

int enqueueSyncBarrier(long when) {
    synchronized (this) {
        final int token = mNextBarrierToken++;
        final Message msg = Message.obtain();
        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) { 
            msg.next = p;
            prev.next = msg;
        } else {
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
        }
        return token;
    }
}

要得到“异步Message”,只需调用一下Message的setAsynchronous()即可:
【frameworks/base/core/java/android/os/Message.java】

public void setAsynchronous(boolean async) {
    if (async) {
        flags |= FLAG_ASYNCHRONOUS;
    } else {
        flags &= ~FLAG_ASYNCHRONOUS;
    }
}

一般,我们是通过“异步Handler”向消息队列打入“异步Message”的。异步Handler的mAsynchronous域为true,因此它在调用enqueueMessage()时,可以走入:

if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }

现在我们画一张关于“同步分割栏”的示意图:

图中的消息队列中有一个“同步分割栏”,因此它后面的“2”号Message即使到时了,也不会摘取下来。而“3”号Message因为是个异步Message,所以当它到时后,是可以进行处理的。

“同步分割栏”这种卡子会一直卡在消息队列中,除非我们调用removeSyncBarrier()删除这个卡子。
【frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java】

public void removeSyncBarrier(int token) {
    mQueue.removeSyncBarrier(token);
}

【frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java】

void removeSyncBarrier(int token) {
    // Remove a sync barrier token from the queue.
    // If the queue is no longer stalled by a barrier then wake it.
    synchronized (this) {
        Message prev = null;
        Message p = mMessages;
        while (p != null && (p.target != null || p.arg1 != token)) {
            prev = p;
            p = p.next;
        }
        if (p == null) {
            throw new IllegalStateException("The specified message queue synchronization "
                    + " barrier token has not been posted or has already been removed.");
        }
        final boolean needWake;
        if (prev != null) {
            prev.next = p.next;
            needWake = false;
        } else {
            mMessages = p.next;
            needWake = mMessages == null || mMessages.target != null;
        }
        p.recycle();

        // If the loop is quitting then it is already awake.
        // We can assume mPtr != 0 when mQuitting is false.
        if (needWake && !mQuitting) {
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
}


和插入消息类似,如果删除动作改变了链表的头部,也意味着队列的最近唤醒时间应该被调整了,因此needWake会被设为true,以便代码下方可以走进nativeWake()。


4.1.3nativeWake()

nativeWake()对应的C++层函数如下:
【frameworks/base/core/jni/android_os_MessageQueue.cpp】

static void android_os_MessageQueue_nativeWake(JNIEnv* env, jclass clazz, jint ptr) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    return nativeMessageQueue->wake();
}
void NativeMessageQueue::wake() {
    mLooper->wake();
}

【system/core/libutils/Looper.cpp】

void Looper::wake() {
    . . . . . .
    ssize_t nWrite;
    do {
        nWrite = write(mWakeWritePipeFd, "W", 1);
    } while (nWrite == -1 && errno == EINTR);

    if (nWrite != 1) {
        if (errno != EAGAIN) {
            ALOGW("Could not write wake signal, errno=%d", errno);
        }
    }
}


wake()动作主要是向一个管道的“写入端”写入了“W”。有关这个管道的细节,我们会在后文再细说,这里先放下。


4.2消息循环

接下来我们来看看消息循环。我们从Looper的Loop()函数开始讲起。下面是loop()函数的简略代码,我们只保留了其中最关键的部分:
【frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java】

public static void loop() 
{
    final Looper me = myLooper();
    . . . . . .
    final MessageQueue queue = me.mQueue;

    Binder.clearCallingIdentity();
    final long ident = Binder.clearCallingIdentity();

    for (;;) {
        Message msg = queue.next(); // might block
        . . . . . .
        msg.target.dispatchMessage(msg);  // 派发消息
        . . . . . .
        final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity();
        . . . . . .
        msg.recycle();
    }
}


无非是在一个for循环里不断摘取队列里的下一条消息,而后dispatchMessage()消息。呃,至少逻辑上就是这么简单,但如果我们希望再探索得更深一点的话,就得详细研究MessageQueue以及其next()函数了。


 对于Looper而言,它主要关心的是从消息队列里摘取消息,而后分派消息。然而对消息队列而言,在摘取消息时还要考虑更多技术细节。它关心的细节有:
1)如果消息队列里目前没有合适的消息可以摘取,那么不能让它所属的线程“傻转”,而应该使之阻塞;
2)队列里的消息应该按其“到时”的顺序进行排列,最先到时的消息会放在队头,也就是mMessages域所指向的消息,其后的消息依次排开;
3)阻塞的时间最好能精确一点儿,所以如果暂时没有合适的消息节点可摘时,要考虑链表首个消息节点将在什么时候到时,所以这个消息节点距离当前时刻的时间差,就是我们要阻塞的时长。
4)有时候外界希望队列能在即将进入阻塞状态之前做一些动作,这些动作可以称为idle动作,我们需要兼顾处理这些idle动作。一个典型的例子是外界希望队列在进入阻塞之前做一次垃圾收集。

以上所述的细节,基本上都体现在MessageQueue的next()函数里了,现在我们就来看这个函数的主要流程。

4.2.1MessageQueue的next()成员函数

MessageQueue的next()函数的代码截选如下:

Message next() 
{
    int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
    int nextPollTimeoutMillis = 0;
    
    for (;;) {
        . . . . . .
        nativePollOnce(mPtr, nextPollTimeoutMillis);    // 阻塞于此
        . . . . . .
            // 获取next消息,如能得到就返回之。
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages;  // 先尝试拿消息队列里当前第一个消息
            
            if (msg != null && msg.target == null) {
                // 如果从队列里拿到的msg是个“同步分割栏”,那么就寻找其后第一个“异步消息”
                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;  // 重新设置一下消息队列的头部
                    }
                    msg.next = null;
                    if (false) Log.v("MessageQueue", "Returning message: " + msg);
                    msg.markInUse();
                    return msg;     // 返回得到的消息对象
                }
            } else {
                // No more messages.
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }

            // Process the quit message now that all pending messages have been handled.
            if (mQuitting) {
                dispose();
                return null;
            }
            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;
            }
        . . . . . .
        // 处理idle handlers部分
        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("MessageQueue", "IdleHandler threw exception", t);
            }

            if (!keep) {
                synchronized (this) {
                    mIdleHandlers.remove(idler);
                }
            }
        }
        
        pendingIdleHandlerCount = 0;
        nextPollTimeoutMillis = 0;
    }
}


这个函数里的for循环并不是起循环摘取消息节点的作用,而是为了连贯“当前时间点”和“处理下一条消息的时间点”。简单地说,当“定时机制”触发“摘取一条消息”的动作时,会判断事件队列的首条消息是否真的到时了,如果已经到时了,就直接返回这个msg,而如果尚未到时,则会努力计算一个较精确的等待时间(nextPollTimeoutMillis),计算完后,那个for循环会掉过头再次调用到nativePollOnce(mPtr, nextPollTimeoutMillis),进入阻塞状态,从而等待合适的时长。


上面代码中也处理了“同步分割栏”的情况。如果从队列里获取的消息是个“同步分割栏”的话,可千万不能把“同步分割栏”给返回了,此时会尝试找寻其后第一个“异步消息”。

next()里另一个要说的是那些Idle Handler,当消息队列中没有消息需要马上处理时,会判断用户是否设置了Idle Handler,如果有的话,则会尝试处理mIdleHandlers中所记录的所有Idle Handler,此时会逐个调用这些Idle Handler的queueIdle()成员函数。我们举一个例子,在ActivityThread中,在某种情况下会在消息队列中设置GcIdler,进行垃圾收集,其定义如下:

final class GcIdler implements MessageQueue.IdleHandler {
    @Override
    public final boolean queueIdle() {
        doGcIfNeeded();
        return false;
    }
}


一旦队列里设置了这个Idle Handler,那么当队列中没有马上需处理的消息时,就会进行垃圾收集。


4.2.1.1nativePollOnce()

前文我们已经说过,next()中调用的nativePollOnce()起到了阻塞作用,保证消息循环不会在无消息处理时一直在那里“傻转”。那么,nativePollOnce()函数究竟是如何实现阻塞功能的呢?我们来探索一下。首先,MessageQueue类里声明的几个native函数,对应的JNI实现位于android_os_MessageQueue.cpp文件中:
【frameworks/base/core/jni/android_os_MessageQueue.cpp】

static JNINativeMethod gMessageQueueMethods[] = {
    /* name, signature, funcPtr */
    { "nativeInit", "()I", (void*)android_os_MessageQueue_nativeInit },
    { "nativeDestroy", "(I)V", (void*)android_os_MessageQueue_nativeDestroy },
    { "nativePollOnce", "(II)V", (void*)android_os_MessageQueue_nativePollOnce },
    { "nativeWake", "(I)V", (void*)android_os_MessageQueue_nativeWake },
    { "nativeIsIdling", "(I)Z", (void*)android_os_MessageQueue_nativeIsIdling }
};


而且在MessageQueue构造之时,就会调用nativeInit()函数。


目前我们只关心nativePollOnce对应的android_os_MessageQueue_nativePollOnce()。其代码如下:

static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env, jclass clazz,
                                                             jint ptr, jint timeoutMillis) 
{
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    nativeMessageQueue->pollOnce(env, timeoutMillis);
}


看到了吧,ptr参数会被强制转换成NativeMessageQueue*。


NativeMessageQueue的pollOnce()如下:
【frameworks/base/core/jni/android_os_MessageQueue.cpp】

void NativeMessageQueue::pollOnce(JNIEnv* env, int timeoutMillis) {
    mInCallback = true;
    mLooper->pollOnce(timeoutMillis);   // 用到C++层的Looper对象
    mInCallback = false;
    if (mExceptionObj) {
        env->Throw(mExceptionObj);
        env->DeleteLocalRef(mExceptionObj);
        mExceptionObj = NULL;
    }
}

这里会用到C++层的Looper类,它和Java层的Looper类可是不一样的哩。C++层的Looper类的定义截选如下:
【system/core/include/utils/Looper.h】

class Looper : public ALooper, public RefBase {
protected:
    virtual ~Looper();

public:
    Looper(bool allowNonCallbacks);
    bool getAllowNonCallbacks() const;
    int pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData);
    . . . . . .
    int pollAll(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData);
    . . . . . .
    void wake();

    int addFd(int fd, int ident, int events, ALooper_callbackFunc callback, void* data);
    int addFd(int fd, int ident, int events, const sp<LooperCallback>& callback, void* data);
    int removeFd(int fd);

    void sendMessage(const sp<MessageHandler>& handler, const Message& message);
    void sendMessageDelayed(nsecs_t uptimeDelay, const sp<MessageHandler>& handler,
            const Message& message);
    void sendMessageAtTime(nsecs_t uptime, const sp<MessageHandler>& handler,
            const Message& message);
    void removeMessages(const sp<MessageHandler>& handler);
    void removeMessages(const sp<MessageHandler>& handler, int what);

    bool isIdling() const;
    static sp<Looper> prepare(int opts);
    static void setForThread(const sp<Looper>& looper);
    static sp<Looper> getForThread();
    . . . . . .
    . . . . . .
};


我们把C++层的NativeMessageQueue和Looper融入前文的示意图,可以得到一张新的示意图,如下所示:


 

C++层的Looper的构造函数如下:

Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) :
        mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks), mSendingMessage(false),
        mResponseIndex(0), mNextMessageUptime(LLONG_MAX) 
{
    int wakeFds[2];
    int result = pipe(wakeFds);  // 创建一个管道
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not create wake pipe.  errno=%d", errno);

    mWakeReadPipeFd = wakeFds[0];    // 管道的“读取端”
    mWakeWritePipeFd = wakeFds[1];   // 管道的“写入端”

    result = fcntl(mWakeReadPipeFd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, 
                       "Could not make wake read pipe non-blocking.  errno=%d", errno);

    result = fcntl(mWakeWritePipeFd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, 
                       "Could not make wake write pipe non-blocking.  errno=%d", errno);
    mIdling = false;

    // 创建一个epoll
    mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mEpollFd < 0, "Could not create epoll instance.  errno=%d", errno);

    struct epoll_event eventItem;
    memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event)); 
    eventItem.events = EPOLLIN;
    eventItem.data.fd = mWakeReadPipeFd;   
    // 监听管道的read端
    result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeReadPipeFd, & eventItem);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, 
                     "Could not add wake read pipe to epoll instance.  errno=%d", errno);
}

可以看到在构造Looper对象时,其内部除了创建了一个管道以外,还创建了一个epoll来监听管道的“读取端”。也就是说,是利用epoll机制来完成阻塞动作的。每当我们向消息队列发送事件时,最终会间接向管道的“写入端”写入数据,这个前文已有叙述,于是epoll通过管道的“读取端”立即就感知到了风吹草动,epoll_wait()在等到事件后,随即进行相应的事件处理。这就是消息循环阻塞并处理的大体流程。当然,因为向管道写数据只是为了通知风吹草动,所以写入的数据是非常简单的“W”字符串。现在大家不妨再看看前文阐述“nativeWake()”的小节,应该能明白了吧。


我们还是继续说消息循环。Looper的pollOnce()函数如下:
【system/core/libutils/Looper.cpp】

int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData) 
{
    int result = 0;
    for (;;) {
        . . . . . .
        if (result != 0) {
            . . . . . .
            if (outFd != NULL) *outFd = 0;
            if (outEvents != NULL) *outEvents = 0;
            if (outData != NULL) *outData = NULL;
            return result;
        }

        result = pollInner(timeoutMillis);
    }
}


int Looper::pollInner(int timeoutMillis) 
{
. . . . . .
    // 阻塞、等待
int eventCount = epoll_wait( mEpollFd, eventItems, 
                                   EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);
    . . . . . .
    . . . . . .
    // 处理所有epoll事件
    for (int i = 0; i < eventCount; i++) 
    {
        int fd = eventItems[i].data.fd;
        uint32_t epollEvents = eventItems[i].events;
        if (fd == mWakeReadPipeFd) 
        {
            if (epollEvents & EPOLLIN) {
                awoken();  // 从管道中感知到EPOLLIN,于是调用awoken()
            } 
            . . . . . .
        } 
        else 
        {
            // 如果是除管道以外的其他fd发生了变动,那么根据其对应的request,
            // 将response先记录进mResponses
            ssize_t requestIndex = mRequests.indexOfKey(fd);
            if (requestIndex >= 0) {
                int events = 0;
                if (epollEvents & EPOLLIN ) events |= ALOOPER_EVENT_INPUT;
                if (epollEvents & EPOLLOUT) events |= ALOOPER_EVENT_OUTPUT;
                if (epollEvents & EPOLLERR) events |= ALOOPER_EVENT_ERROR;
                if (epollEvents & EPOLLHUP) events |= ALOOPER_EVENT_HANGUP;
                // 内部会调用 mResponses.push(response);
                pushResponse(events, mRequests.valueAt(requestIndex));
            } 
            . . . . . .
        }
    }
    
Done: ;
    . . . . . .
    // 调用尚未处理的事件的回调
    while (mMessageEnvelopes.size() != 0) 
    {
        nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
        const MessageEnvelope& messageEnvelope = mMessageEnvelopes.itemAt(0);
        if (messageEnvelope.uptime <= now) 
        {
            { 
                sp<MessageHandler> handler = messageEnvelope.handler;
                Message message = messageEnvelope.message;
                mMessageEnvelopes.removeAt(0);
                . . . . . .
                handler->handleMessage(message);
            }
            . . . . . .
        } 
        else {
            mNextMessageUptime = messageEnvelope.uptime;
            break;
        }
    }
    
    . . . . . .
    // 调用所有response记录的回调
    for (size_t i = 0; i < mResponses.size(); i++) {
        Response& response = mResponses.editItemAt(i);
        if (response.request.ident == ALOOPER_POLL_CALLBACK) {
            . . . . . .
            int callbackResult = response.request.callback->handleEvent(fd, events, data);
            if (callbackResult == 0) {
                removeFd(fd);
            }
            . . . . . .
        }
    }
    return result;
}

现在我们可以画一张调用示意图,理一下loop()函数的调用关系,如下:


pollInner()调用epoll_wait()时传入的timeoutMillis参数,其实来自于前文所说的MessageQueue的next()函数里的nextPollTimeoutMillis,next()函数里在以下3种情况下,会给nextPollTimeoutMillis赋不同的值:
1)如果消息队列中的下一条消息还要等一段时间才到时的话,那么nextPollTimeoutMillis赋值为Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE),即时间差;
2)如果消息队列已经是空队列了,那么nextPollTimeoutMillis赋值为-1;
3)不管前两种情况下是否已给nextPollTimeoutMillis赋过值了,只要队列中有Idle Handler需要处理,那么在处理完所有Idle Handler之后,会强制将nextPollTimeoutMillis赋值为0。这主要是考虑到在处理Idle Handler时,不知道会耗时多少,而在此期间消息队列的“到时情况”有可能已发生改变。

不管epoll_wait()的超时阀值被设置成什么,只要程序从epoll_wait()中返回,就会尝试处理等到的epoll事件。目前我们的主要关心点是事件机制,所以主要讨论当fd 等于mWakeReadPipeFd时的情况,此时会调用一下awoken()函数。该函数很简单,只是在读取mWakeReadPipeFd而已:

void Looper::awoken() {
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
    ALOGD("%p ~ awoken", this);
#endif

    char buffer[16];
    ssize_t nRead;
    do {
        nRead = read(mWakeReadPipeFd, buffer, sizeof(buffer));
    } while ((nRead == -1 && errno == EINTR) || nRead == sizeof(buffer));
}


为什么要起个名字叫awoken()呢?这是因为当初发送事件时,最终是调用一个wake()函数来通知消息队列的,现在epoll_wait()既然已经感应到了,自然相当于“被唤醒”(awoken)了。


除了感知mWakeReadPipeFd管道的情况以外,epoll还会感知其他一些fd对应的事件。在Looper中有一个mRequests键值向量表(KeyedVector<int, Request> mRequests),其键值就是感兴趣的fd。如果收到的epoll事件所携带的fd可以在这张表里查到,那么就将该fd对应的Request整理进Response对象,并将该Response对象记入mResponses表。在pollInner()的最后,会用一个for循环遍历mResponses表,分析每个Response表项对应的Request是不是需要callback,如果需要的话,执行对应的回调函数:

int callbackResult = response.request.callback->handleEvent(fd, events, data);
if (callbackResult == 0) {
    removeFd(fd);
}


可以看到,handleEvent()的返回值将决定那个Request表项是否继续保留在mRequests表中,如果返回值为0,说明不必保留了,所以删除之。删除时会同时从epoll中注销这个Request对应的fd,表示不再对这个fd感兴趣了。


pollInner()内部还会集中处理所记录的所有C++层的Message。在一个while循环中,不断摘取mMessageEnvelopes向量表的第0个MessageEnvelope,如果消息已经到时,则回调handleMessage()。

sp<MessageHandler> handler = messageEnvelope.handler;
Message message = messageEnvelope.message;
mMessageEnvelopes.removeAt(0);
. . . . . .

handler->handleMessage(message);
而如果消息未到时,说明while循环可以break了。


C++层的Looper及这个层次的消息链表,再加上对应其他fd的Request和Response,可以形成下面这张示意图:

 从我们的分析中可以知道,在Android中,不光是Java层可以发送Message,C++层也可以发送,当然,不同层次的Message是放在不同层次的消息链中的。在Java层,每次尝试从队列中获取一个Message,而后dispatch它。而C++层的消息则尽量在一次pollOnce中集中处理完毕,这是它们的一点不同。

5尾声

关于Android的消息机制,我们就先说这么多。总体上的而言还是比较简单的,无非是通过Handler向Looper的消息队列中插入Message,而后再由Looper在消息循环里具体处理。因为消息队列本身不具有链表一变动就能马上感知的功能,所以它需要借助管道和epoll机制来监听变动。当外界向消息队列中打入新消息后,就向管道的“写入端”写入简单数据,于是epoll可以立即感知到管道的变动,从何激发从消息队列中摘取消息的动作。这就是Android消息机制的大体情况。

 

 

 

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评论(18)

我叫半桶水
我叫半桶水
又学到东西了,感谢大师的无私奉献
翰墨飘香
翰墨飘香

引用来自“翰墨飘香”的评论

你好,最近在研究源码,看到你写的文章非常好,不过有点少,不知道为啥不写了呢,还是有其他的博客。

引用来自“悠然红茶”的评论

呵呵,一是因为自己懒,二是因为工作忙,三是因为反馈不多吧。我写文章基本上力求保证质量,然而博客的维护人员似乎总认为我的文章还是不够格被推荐,于是乎,看我博客的人也总是寥寥无几,多少影响了一点儿积极性。
不过话说回来,以后我还是会继续写博客。我觉得能看到我博客的人都是有缘人,大家共勉吧。
现在都是自己搭建博客了,这写论坛什么的灌水太多,所以人就少了。
悠然红茶
悠然红茶

引用来自“翰墨飘香”的评论

你好,最近在研究源码,看到你写的文章非常好,不过有点少,不知道为啥不写了呢,还是有其他的博客。
呵呵,一是因为自己懒,二是因为工作忙,三是因为反馈不多吧。我写文章基本上力求保证质量,然而博客的维护人员似乎总认为我的文章还是不够格被推荐,于是乎,看我博客的人也总是寥寥无几,多少影响了一点儿积极性。
不过话说回来,以后我还是会继续写博客。我觉得能看到我博客的人都是有缘人,大家共勉吧。
翰墨飘香
翰墨飘香
你好,最近在研究源码,看到你写的文章非常好,不过有点少,不知道为啥不写了呢,还是有其他的博客。
漫步寒
漫步寒
我想问一下,1.Java层的Message和C++层的Message有什么联系和区别?2.C++层的消息处理在pollOnce中的handleMessage()是为了达到什么目的?
悠然红茶
悠然红茶

引用来自“luwenqi”的评论

同时对同一个handle发送消息,操作的消息队列应该是同一个吧?那没有并发控制的问题发送吗?
是同一个消息队列。具体发送消息时,会走到MessageQueue的enqueueMessage(),该函数内部有synchronized(this)保护,所以并发时不会有危险。
luwenqi
luwenqi
同时对同一个handle发送消息,操作的消息队列应该是同一个吧?那没有并发控制的问题发送吗?
c
cigogo
作者的文章真是图文并茂,对学习理解非常有帮助!
xbm2014
xbm2014
我写了个公司内部培训消息机制的文档,写完后偶然看到你的这篇神作,真是折服了。
悠然红茶
悠然红茶

引用来自“平睦”的评论

这是我见过讲Looper和Messager最详细的文章了!给作者点赞!
呵呵,您的回复赐我力量!
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