Android Handler/Looper视角看UI线程的原理

概述

Handler/Looper机制是android系统非重要且基础的机制，即使在rtos或者linux操作系统上开发应用框架时，也经常借鉴这个机制。通过该机制机制可以让一个线程循环处理事件，事件处理逻辑即在Handler的handleMessge种。本文建议android8.1源码分析这套机制的实现原理。

Handler/Looper

Handler：顾名思义，处理消息message的类，Handler也可以发送消息。

Looper：顾名思义，一个循环体，这个循环体本质上就是不断取出Queue种的Message，分发给特定的目标，具体分发给哪个目标要具体情况具体分析。并且Looper内部含有一个Thread对象，很好理解，就是Looper这个循环体是在该线程中执行的。

MessageQueue:消息队列，通过Handler发送的Message加入到该队列中，并且被Looper运行在Thread线程中不断取出，又被Handler执行。

执行流程图：

应用程序使用Looper

应用程序使用Looper分为两种情况，主线程和普通线程：

普通线程

  * <p>This is a typical example of the implementation of a Looper thread,
  * using the separation of {@link #prepare} and {@link #loop} to create an
  * initial Handler to communicate with the Looper.
  *
  *  class LooperThread extends Thread {
  *      public Handler mHandler;
  *
  *      public void run() {
  *          Looper.prepare();
  *
  *          mHandler = new Handler() {
  *              public void handleMessage(Message msg) {
  *                  // process incoming messages here
  *              }
  *          };
  *
  *          Looper.loop();
  *      }
  *  }

这段代码在Android源码中非常典型，使用步骤有三：

Looper.prepare创建线程私有的Looper对象。
创建处理消息的Handler。
Looper.loop开始运作：线程一直循环取消息，处理消息，如果没有消息处理将休眠。

上面代码看似简单，越是简单的代码有时候越是难以理解，我们要理解上面三个步骤是怎么把Thread，MessageQueue，Handler和Looper联系起来的。

Looper.prepare源码

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

可以看到prepare就给调用prepare的当前线程创建一个Looper对象，Looper对象创建的时候，内部新建了MessageQueue和Thread对象，特别注意，mThread是调用prepare的线程。

Handler对象创建

  *
  *          mHandler = new Handler() {
  *              public void handleMessage(Message msg) {
  *                  // process incoming messages here
  *              }
  *          };

可以想象，这里Handler必须要跟前面prepare创建的Looper产生联系才对，这个就要看Handler的构造函数：

public Handler();
public Handler(Callback callback);
public Handler(Looper looper);
public Handler(Looper looper, Callback callback);

我们要看下上面Handler()构造函数：

    public Handler() {
        this(null, false);
    }
    public Handler(Callback callback, boolean async) {

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

可以看到默认构造函数中非常重要的一句，Looper.myLooper，会取得当前线程的Looper对象，也就是Looper.prepare创建的线程私有的对象，同时Handler's MessageQueue来自瑜当前线程Looper's MessageQueue。

注意：Thread和Handler是1：N关系。比如UI线程就可以有多个Handler对象。

Handler发送和处理消息

按照上面分析，调用mHandler可以发送消息，然后处理消息在该Handler的handleMessage函数，我们看看上述流程是如何实现的。

Looper从MessageQueue中取得一个Message后，首先会调用Handler.dispatchMessage进行消息分发，后者再根据具体的策略将Message分发给相应的责任人源码如下：

Handler.java:

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

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

    private static void handleCallback(Message message) {                                                                                                  
        message.callback.run();
    }

分发策略：

1. Meesage.callback对象不为空优先分发给message.callback。这种情况对应mHandler.post接口发送的runable对象：这种情况下Message.callback就是post的runnable对象

public final boolean post(Runnable r);
public final boolean postAtTime(Runnable r, long uptimeMillis);

public final boolean post(Runnable r)                                                                                                                  
{
   return  sendMessageDelayed(getPostMessage(r), 0);
}

private static Message getPostMessage(Runnable r) {                                                                                                    
   Message m = Message.obtain();
   m.callback = r;
   return m;
}

2. Handler.mCallback不为空，分发给mCallback.handleMessage

3. 前两个都不存在，则调用handleMessage，比如我们当前普通线程场景，override了这个方法，就会调用我们自己Handler.handleMessage。这种情况主要对应是Handler send系列接口使用：

public boolean sendMessageAtTime(Message msg, long uptimeMillis);
public final boolean sendMessageDelayed(Message msg, long delayMillis);

比如如下使用：
Message msg = mHandler.obtainMessage();
mHandler.sendMessageAtTime(msg,xxxx);

public final Message obtainMessage()                                                                                                                   
{
    return Message.obtain(this);
}

public static Message obtain(Handler h) {
    Message m = obtain();
    m.target = h;

    return m;
}

可以看到这种情况下Message.target = mHandler，而Looper在loop中分发代码：

     */
    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;

        // 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();

        for (;;) {
            Message msg = queue.next(); // might block
            ...
            final long start = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
            final long end;
            try {
                msg.target.dispatchMessage(msg);
                end = (slowDispatchThresholdMs == 0) ? 0 : SystemClock.uptimeMillis();
            } finally {
                if (traceTag != 0) {
                    Trace.traceEnd(traceTag);
                }
            }
            ...
            msg.recycleUnchecked();
        }
    }

loop循环从Looper's MessageQueue取得消息，然后调用Message.target.dispatchMessage，正如上面的分析Message.target = mHandler，所以调用到了Handler.dispatchMessage方法。

总结：

1. Handler.post(runnable），在Handler.dispatchMessage方法由于优先分发给runnable对象,所以这个runnable对象被执行，而不是Handler.handleMessage。

2. 如果使用sendMessage接口，那么Handler.dispatchMessage分发给Handler override的handleMessage接口，也就是普通线程使用代码中Handler's handleMessage函数。

UI线程

我们知道ActivityThread是主线程的入口点，我们看看android UI线程中Looper的使用源码：

    public static void main(String[] args) {                                                                                                               

        Looper.prepareMainLooper();

        ActivityThread thread = new ActivityThread();
        thread.attach(false);

        if (sMainThreadHandler == null) {
            sMainThreadHandler = thread.getHandler();
        }

        Looper.loop();

        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
    }

与普通线程使用Looper类似，也分3个步骤：

1.准备Looper: Looper.prepareMainLooper

2.创建主线程私有的Handler：sMainThreadHandler = thread.getHandler

3.开始工作：Looper.loop

与普通线程的不同点：

1. 普通线程使用Looper.prepare，而主线程需要使用Looper.prepareMainLooper

2.Handler不同：普通线程生成一个与Looper绑定的Handler即可，而主线程是从当前线程总获取

我们分别分析下上面两个不同点

prepareMainLooper

    
    public static void prepareMainLooper() {                                                                                                               
        prepare(false);
        synchronized (Looper.class) {
            sMainLooper = myLooper();
        }
    }

    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));
    }

可以看到，prepareMainLooper也使用了prepare，不过参数false代表ui线程不能退出，并且创建的Looper要赋值给sMainLooper，这样其他线程可以通过调用getMainLooper获取该对象。

MainThreadHandler

ActivityThread对象创建时候，会在内部同时生成一个Handler对象：

final H mH = new H()；

thread.getHandler获取的就是该mH，也就是说ActivityThread中主线程处理消息的Handler之一就是该Handler mH。

loop

分析loop函数之前，我们提一下一个图形窗口典型的main函数如下：

main() {
    initialize()//初始化
    CreateWindow();//创建窗口
    ShowWindow();
    while(GetMessage()) {
        //不断分发处理
        DispatchMessage();
    }
}

那么根据前面loop函数的分析，其实UI线程的loop函数也是在循环中不断取消息，处理消息，符合上述模型。

ViewRootImpl

我们知道ViewRootImpl也属于UI线程的范围，因为ViewRootImpl创建就是在UI线程中创建，那么根据Handler创建的默认构造函数我们知道，这个Handler()这个默认的构造函数，适合当前线程的Looper绑定的，那么ViewRootImpl中Handler()形式构建的Handler也是处理UI线程的相关消息。

final ViewRootHandler mHandler = new ViewRootHandler();
 final class ViewRootHandler extends Handler {
    public void handleMessage(Message msg) {
            switch (msg.what) {
            case MSG_INVALIDATE:
                ((View) msg.obj).invalidate();
                break;
            case MSG_INVALIDATE_RECT:
                final View.AttachInfo.InvalidateInfo info = (View.AttachInfo.InvalidateInfo) msg.obj;
                info.target.invalidate(info.left, info.top, info.right, info.bottom);
                info.recycle();
                break;
            case MSG_PROCESS_INPUT_EVENTS:
                mProcessInputEventsScheduled = false;
                doProcessInputEvents();
                break;
            case MSG_DISPATCH_APP_VISIBILITY:
                handleAppVisibility(msg.arg1 != 0);
                break;
            case MSG_DISPATCH_GET_NEW_SURFACE:
                handleGetNewSurface();
                break;
            ....

Choreographer

Choreographer也是工作在UI主线程的一个重要的类，跟Vsync有关，我们通过源码看看这个类为什么工作在UI主线程。

看是否是主线程，我们要看下Choreographer中的Handler/Looper是基于哪个Thread来创建，看下Choreographer的构造函数如下：


    private Choreographer(Looper looper, int vsyncSource) {
        mLooper = looper;
        mHandler = new FrameHandler(looper);                                                                                                               
        mDisplayEventReceiver = USE_VSYNC
                ? new FrameDisplayEventReceiver(looper, vsyncSource)
                : null;
        mLastFrameTimeNanos = Long.MIN_VALUE;

        mFrameIntervalNanos = (long)(1000000000 / getRefreshRate());

        mCallbackQueues = new CallbackQueue[CALLBACK_LAST + 1];
        for (int i = 0; i <= CALLBACK_LAST; i++) {
            mCallbackQueues[i] = new CallbackQueue();
        }
    }

所以重点就是构建函数中Looper是哪里构建的，Choreographer是个单例类，所以看下其初始化的代码：

    // Thread local storage for the choreographer.
    private static final ThreadLocal<Choreographer> sThreadInstance =                                                                                      
            new ThreadLocal<Choreographer>() {
        @Override
        protected Choreographer initialValue() {
            Looper looper = Looper.myLooper();
            if (looper == null) {
                throw new IllegalStateException("The current thread must have a looper!");
            }
            return new Choreographer(looper, VSYNC_SOURCE_APP);
        }
    };

也就是说最终Looper.myLooper获取的是当前线程私有的Looper对象，而Choreographer的getInstance是在public ViewRootImpl(Context context, Display display) 构造函数中调用的，根据ViewRootImpl小节我们知道，ViewRootImpl在主线程构建，所以Choreographer是主线程的

Vsync信号处理

我们都知道vsync信号处理的实际逻辑是在ui主线程当中，我们看下具体实现，首先要看下vsync信号接受和处理的地方，这个在Choreographer当中：

    private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver
            implements Runnable {
        private boolean mHavePendingVsync;
        private long mTimestampNanos;
        private int mFrame;

        public FrameDisplayEventReceiver(Looper looper, int vsyncSource) {
            super(looper, vsyncSource);
        }

        @Override
        public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {

            ...
            mTimestampNanos = timestampNanos;
            mFrame = frame;
            Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
            msg.setAsynchronous(true);
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
        }

        @Override
        public void run() {
            mHavePendingVsync = false;
            doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
        }

可以看到接收到vsync信号之后，使用mHandler向该Handler所在的线程发送消息，根据Choreographer小节我们知道，这里mHandler和其Looper是UI线程的，所以上面代码中发送的消息在主线程中处理，而FrameDisplayEventReceiver是个runnable对象，所以最终主线程收到这消息的处理函数是：doFrame函数:

            Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "Choreographer#doFrame");
            AnimationUtils.lockAnimationClock(frameTimeNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);

            mFrameInfo.markInputHandlingStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);

            mFrameInfo.markAnimationsStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);

            mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);

            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);

vsync信号过来在主线程处理，最终处理函数是doFrame->doCallbacks，而doCallbacks就是要处理应用已经请求，且记录到queue里面的各种事件，比如应用请求渲染的时候调用invalidate调用栈：

invalidate() : ViewRootImpl.java
    --->scheduleTraversals() : ViewRootImpl.java
        --->mChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);

最终postCallback的实现：


private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
		Object action, Object token, long delayMillis) {
	synchronized (mLock) {
		final long now = SystemClock.uptimeMillis();
		final long dueTime = now + delayMillis;
		//将要执行的回调封装成CallbackRecord对象，保存到mCallbackQueues数组中
		mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);
		//函数执行时间到
		if (dueTime <= now) {
			scheduleFrameLocked(now);
		} else {//通过异步消息方式实现函数延时执行
			Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
			msg.arg1 = callbackType;
			msg.setAsynchronous(true);
			mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);
		}
	}

1.将请求的事件保存在mCallbackQueue，等到vsync信号来到，doFrame中取出执行。

2. 发送MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK消息，最终调用native层的mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();请求接收下一次vsync信号