Android 中Looper机制详解

news2024/11/7 20:45:58

版本基于：Android R

 

 

0. 前言

在《Android 基于Handler 剖析消息机制》一文中，以 Handler 类为起点详细分析了异步通信，分析了Java 端 Handler 与Looper、MessageQueue、Message 之前的通信关系。

框架如下：

在Java 端的 Looper 中会创建一个 Java 端的 MessageQueue实例，并在loop() 函数中的死循环里通过 queue.next() 不停的获取监听到的下一个 Message，然后将其通过 dispatchMessage() 分发处理。详细看《Android 基于Handler 剖析消息机制》一文第 4.3 节。

在 Java 端的 MessageQueue 实现核心机制是通过 Native 端的 MessageQueue，该类的对象中维护了一个 native Looper，上面说到的 Java 端的next() 函数就是通过 native 端的 epoll 机制 进行阻塞监听。

之前《Android 基于Handler 剖析消息机制》一文只是对 native Looper 做了简单的介绍，本文将重点分析一下 native Looper 实现机制。

1. Looper 类

system/core/libutils/include/utils/Looper.h

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

public:
    Looper(bool allowNonCallbacks);
    bool getAllowNonCallbacks() const;
    int pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData);
    inline int pollOnce(int timeoutMillis) {
        return pollOnce(timeoutMillis, nullptr, nullptr, nullptr);
    }
    int pollAll(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData);
    inline int pollAll(int timeoutMillis) {
        return pollAll(timeoutMillis, nullptr, nullptr, nullptr);
    }
    void wake();
    int addFd(int fd, int ident, int events, Looper_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 isPolling() const;
    static sp<Looper> prepare(int opts);
    static void setForThread(const sp<Looper>& looper);
    static sp<Looper> getForThread();

private:
    ...
    const bool mAllowNonCallbacks; // immutable
    android::base::unique_fd mWakeEventFd;  // immutable
    Vector<MessageEnvelope> mMessageEnvelopes; // guarded by mLock
    ...
};

简单了列举了下 Looper 类中的成员，后面根据流程再详细说明。

2. Looper 构造函数

system/core/libutils/Looper.cpp

Looper::Looper(bool allowNonCallbacks)
    : mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks),
      mSendingMessage(false),
      mPolling(false),
      mEpollRebuildRequired(false),
      mNextRequestSeq(0),
      mResponseIndex(0),
      mNextMessageUptime(LLONG_MAX) {
    mWakeEventFd.reset(eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC));
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mWakeEventFd.get() < 0, "Could not make wake event fd: %s", strerror(errno));

    AutoMutex _l(mLock);
    rebuildEpollLocked();
}

参数 allowNonCallbacks 指定该 Looper 中是否允许在 addFd() 的时候可以不设定 callback，如果为true，则在addFd() 时可以不用设定callback，如果为 false，则在 addFd() 的时候需要指定 callback，否则会报错，详细可以查看 addFd() 函数。

构造函数中主要做了两件事情：

  • 创建一个 wakeEventFd；
  • 调用 rebuildEpollLocked() 初始化 epoll；

2.1 rebuildEpollLocked()

system/core/libutils/Looper.cpp

void Looper::rebuildEpollLocked() {
    //step1，如果是重构epoll 时的逻辑，需要进行reset
    if (mEpollFd >= 0) {
#if DEBUG_CALLBACKS
        ALOGD("%p ~ rebuildEpollLocked - rebuilding epoll set", this);
#endif
        mEpollFd.reset();
    }

    //step2，分配一个新的epoll，并将wakeEventFd添加到监听
    mEpollFd.reset(epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC));
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mEpollFd < 0, "Could not create epoll instance: %s", strerror(errno));

    struct epoll_event eventItem;
    memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event)); // zero out unused members of data field union
    eventItem.events = EPOLLIN;
    eventItem.data.fd = mWakeEventFd.get();
    int result = epoll_ctl(mEpollFd.get(), EPOLL_CTL_ADD, mWakeEventFd.get(), &eventItem);
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(result != 0, "Could not add wake event fd to epoll instance: %s",
                        strerror(errno));

    //step3，是否有其他的request，如果有，也重新加入到epoll中监听
    //一般request 通过addFd 函数添加
    for (size_t i = 0; i < mRequests.size(); i++) {
        const Request& request = mRequests.valueAt(i);
        struct epoll_event eventItem;
        request.initEventItem(&eventItem);

        int epollResult = epoll_ctl(mEpollFd.get(), EPOLL_CTL_ADD, request.fd, &eventItem);
        if (epollResult < 0) {
            ALOGE("Error adding epoll events for fd %d while rebuilding epoll set: %s",
                  request.fd, strerror(errno));
        }
    }
}

大致流程如上面注释，主要是三步：

  • 如果是重构 epoll 时的逻辑，需要进行reset；
  • 分配一个新的 epoll，并将 wakeEventFd添加到监听；
  • 是否有其他的 request，如果有，也重新加入到epoll中监听；

3. MessageHandler 类

system/core/libutils/include/utils/Looper.h

class MessageHandler : public virtual RefBase {
protected:
    virtual ~MessageHandler();

public:
    /**
     * Handles a message.
     */
    virtual void handleMessage(const Message& message) = 0;
};

在 Looper.h 中还定义了 MessageHandler 这样的类，同Java 端的 Handler类，都是用来处理消息的。

当创建好 MessageHandler 对象之后，可以通过 Looper::sendMessage() 函数发送消息到Looper 中，Looper 会在后续的 pollOnce() 中进行监听，最终通过 handleMessage() 函数进行回调处理此次消息。

 

3.1 sendMessage()

在 Looper.h 中我们看到三个详细的函数：

    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);

 但其实前面两个函数最终调用的都是 sendMessageAtTime() 函数：

system/core/libutils/Looper.cpp

void Looper::sendMessage(const sp<MessageHandler>& handler, const Message& message) {
    nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
    sendMessageAtTime(now, handler, message);
}

void Looper::sendMessageDelayed(nsecs_t uptimeDelay, const sp<MessageHandler>& handler,
        const Message& message) {
    nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
    sendMessageAtTime(now + uptimeDelay, handler, message);
}

void Looper::sendMessageAtTime(nsecs_t uptime, const sp<MessageHandler>& handler,
        const Message& message) {
#if DEBUG_CALLBACKS
    ALOGD("%p ~ sendMessageAtTime - uptime=%" PRId64 ", handler=%p, what=%d",
            this, uptime, handler.get(), message.what);
#endif

    size_t i = 0;
    { // acquire lock
        AutoMutex _l(mLock);

        size_t messageCount = mMessageEnvelopes.size();
        while (i < messageCount && uptime >= mMessageEnvelopes.itemAt(i).uptime) {
            i += 1;
        }

        MessageEnvelope messageEnvelope(uptime, handler, message);
        mMessageEnvelopes.insertAt(messageEnvelope, i, 1);

        // Optimization: If the Looper is currently sending a message, then we can skip
        // the call to wake() because the next thing the Looper will do after processing
        // messages is to decide when the next wakeup time should be.  In fact, it does
        // not even matter whether this code is running on the Looper thread.
        if (mSendingMessage) {
            return;
        }
    } // release lock

    // Wake the poll loop only when we enqueue a new message at the head.
    if (i == 0) {
        wake();
    }
}

这里涉及到了 Looper 中的另外一个成员变量：mMessageEnvelopes，这是一个 Vector 类型变量，用以存放通过 sendMessage() 发送到 Looper 中的消息。

如代码所示，会将 message、message handler、uptime 都存放在一个信封对象中，然后将该信封添加到 mMessageEnvelopes 中。

这里还涉及另外一个成员变量：mSendingMessage，用以标记当前是否正在 handleMessage() 处理消息。当该函数执行的时候，mSendingMessage 被置 true，标记正在处理，在处理函数完成之后会将其再次置 false。

4. LooperCallback 类

system/core/libutils/include/utils/Looper.h

class LooperCallback : public virtual RefBase {
protected:
    virtual ~LooperCallback();

public:
    /**
     * Handles a poll event for the given file descriptor.
     * It is given the file descriptor it is associated with,
     * a bitmask of the poll events that were triggered (typically EVENT_INPUT),
     * and the data pointer that was originally supplied.
     *
     * Implementations should return 1 to continue receiving callbacks, or 0
     * to have this file descriptor and callback unregistered from the looper.
     */
    virtual int handleEvent(int fd, int events, void* data) = 0;
};

该类用以处理通过 addFd() 添加监听的 fd。在 addFd() 函数中会同步指定 callback，就是这里的 LooperCallback 对象。

 

4.1 addFd()

在 Looper.h 中可以看到该函数的声明：

    int addFd(int fd, int ident, int events, Looper_callbackFunc callback, void* data);
    int addFd(int fd, int ident, int events, const sp<LooperCallback>& callback, void* data);
system/core/libutils/Looper.cpp

int Looper::addFd(int fd, int ident, int events, Looper_callbackFunc callback, void* data) {
    return addFd(fd, ident, events, callback ? new SimpleLooperCallback(callback) : nullptr, data);
}

int Looper::addFd(int fd, int ident, int events, const sp<LooperCallback>& callback, void* data) {
    if (!callback.get()) {
        if (! mAllowNonCallbacks) {
            ALOGE("Invalid attempt to set NULL callback but not allowed for this looper.");
            return -1;
        }

        if (ident < 0) {
            ALOGE("Invalid attempt to set NULL callback with ident < 0.");
            return -1;
        }
    } else {
        ident = POLL_CALLBACK;
    }

    { // acquire lock
        AutoMutex _l(mLock);

        Request request;
        request.fd = fd;
        request.ident = ident;
        request.events = events;
        request.seq = mNextRequestSeq++;
        request.callback = callback;
        request.data = data;
        if (mNextRequestSeq == -1) mNextRequestSeq = 0; // reserve sequence number -1

        struct epoll_event eventItem;
        request.initEventItem(&eventItem);

        ssize_t requestIndex = mRequests.indexOfKey(fd);
        if (requestIndex < 0) {
            int epollResult = epoll_ctl(mEpollFd.get(), EPOLL_CTL_ADD, fd, &eventItem);
            if (epollResult < 0) {
                ALOGE("Error adding epoll events for fd %d: %s", fd, strerror(errno));
                return -1;
            }
            mRequests.add(fd, request);
        } else {
            int epollResult = epoll_ctl(mEpollFd.get(), EPOLL_CTL_MOD, fd, &eventItem);
            if (epollResult < 0) {
                if (errno == ENOENT) {
                    epollResult = epoll_ctl(mEpollFd.get(), EPOLL_CTL_ADD, fd, &eventItem);
                    if (epollResult < 0) {
                        ALOGE("Error modifying or adding epoll events for fd %d: %s",
                                fd, strerror(errno));
                        return -1;
                    }
                    scheduleEpollRebuildLocked();
                } else {
                    ALOGE("Error modifying epoll events for fd %d: %s", fd, strerror(errno));
                    return -1;
                }
            }
            mRequests.replaceValueAt(requestIndex, request);
        }
    } // release lock
    return 1;
}

这里涉及到 Looper 中的另外一个成员变量：mRequests，这是一个KeyedVector 类型的变量，用以存放通过 addFd() 添加的监听请求。

如代码所示，首先确认 mRequests 中是否已经存放该 fd 的监听，如果没有，则通过 epoll_ctl() 将对该 fd 的监听添加到 epoll 中，并将此次的请求添加到 mRequests 中；如果已经存在对该 fd 的监听，则对 epoll 进行更改，并将 mRequests 中的request 进行替换。

 

5. wake()

system/core/libutils/Looper.cpp

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

    uint64_t inc = 1;
    ssize_t nWrite = TEMP_FAILURE_RETRY(write(mWakeEventFd.get(), &inc, sizeof(uint64_t)));
    if (nWrite != sizeof(uint64_t)) {
        if (errno != EAGAIN) {
            LOG_ALWAYS_FATAL("Could not write wake signal to fd %d (returned %zd): %s",
                             mWakeEventFd.get(), nWrite, strerror(errno));
        }
    }
}

通过往 mWakeEventFd 中写个数据来达到唤醒的目的。

6. 

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