Android应用程序消息处理机制分析

Android 应用程序消息处理机制分析Android 像 Windows、MiniGui 等大多数系统一样都是通过消息来驱动的，特殊的是 Android 为每一个应用程序维护一个消息队列和消息循环，应用程序的主线程不断地从这个消息队列中获取消息，然后对这些消息进行处理，这样就实现了通过消息来驱动执行应用程序。Android 应用程序都是由 Activity 组成的，在我们点击主界面的应用程序图标后，Launch 程序一般情况下会通知 ActivityManagerService 向 zygote 发出请求，为应用程序创建一个新的进程并启动一个默认的 Activity。而应用程序的进程入口是 ActivityThread.main，我们可以理解为应用程序框架层为应用程序创建进程后，就把 ActivityThread 类加载进来，然后执行它的 main 函数。本文就以 ActivityManagerService 通知应用程序加载 MainActivity 为例，分析Android 应用程序的消息处理机制（Looper、Handler） 。这个过程，Launch 通过 ActivityManagerService 给 ActivityThread 发送请求，请求启动 MainActivity，这里 ActivityManagerService 只是把请求封装成一个消息，然后通过 quequeOrSendMessage 把消息放到应用程序的消息队列中，并没有等待请求操作完成就返回了。应用程序发现消息队列有消息时，通过handleMessage 处理这个消息，即调用 handleLaunchActivity 来执行实际的加载 MainAcitivy 类的操作。Launch通过ActivityManagerService 发 送 请msg放 到 应 用 程 序 的 消 息 队 列handleMessage处 理 消 息了解 Android 应用程序的消息处理过程后，就开始分析它的实现原理吧。与 Windows 应用程序的消息处理过程一样，Android 应用程序的消息处理机制也是由消息循环、消息发送和消息处理这三个部分组成的。重要的概念(类)首先大概了解几个重要的概念(类)：Message：消息，可以理解为线程间通信的数据单元。MessageQueue：消息队列，用来存储一些待分发的 Message，内部实现了一个 Message 链表结构，一般按照先进先出原则执行（当然也有优先级或是时间排序等） 。Handler:是 Message 的主要处理者，负责将 message 添加到消息队列中以及对消息队列的 Message 进行处理（即分发消息） 。Looper：循环器，帮助一个线程维护一个消息队列，循环取出 MessageQueue中的 Message，并交给相应的 Handler 处理。线程：UI thread 通常就是 main thread，而 Android 启动程序时会替它建立一个 MessageQueue。每一个线程里可以含有一个 Looper 对象以及一个MessageQueue 数据结构。在应用程序里，可以定义 Handler 的子类来接收Looper 所发送的消息。下面我们开始分析应用程序消息处理机制的三个过程：1. 消息循环在消息处理机制中，消息都是存放在一个消息队列中的，而应用程序主线程就会围绕着这个消息队列进入一个无线循环（Looper） ，直到程序退出。如果队列中有消息，应用程序主线程就会把它取出来，并分发给相应的 Handler 处理；如果队列中没有消息，应用程序主线程就会进入空闲等待状态，等待着下一个消息的到来。1.1Looper 的创建（Java 层）我们先来看一下 Android 应用程序主线程是怎样进入消息循环的，前面讨论过在应用程序启动时，会在进程中加载 ActivityThread 类，并执行这个类的main 函数，而应用程序的消息循环就是在这个 main 中实现的，它定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java 文件中：1. public final class ActivityThread 2. . 3. final H mH = new H();4. . 5. public static void main(String args) 6. . 7. Looper.prepareMainLooper(); 8. . 9. ActivityThread thread = new ActivityThread(); 10. thread.attach(false); 11. . 12. Looper.loop(); 13. . 14. 15. 这个函数做了两件事情，一是在主线程中创建了一个 ActivityThread 实例，在创建这个实例时，同时也会创建其成员变量，如 mH，它是 H 类型的，继承于 handler；二是通过 Looper 类使主线程进入消息循环中，这里我们只关注后者。首先看 Looper.prepareMainLooper 函数的实现，这是一个静态成员函数，定义在Frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java 文件中：1. public class Looper 2. . 3. static final ThreadLocal sThreadLocal = new ThreadLocal (); 4. final MessageQueue mQueue; 5. . 6. public static final void prepare() 7. if (sThreadLocal.get() != null) 8. throw new RuntimeException(“Only one Looper may be created per thread“); 9. 10. sThreadLocal.set(new Looper(); 11. 12. public static final void prepareMainLooper() 13. prepare(); 14. setMainLooper(myLooper(); 15. myLooper().mQueue.mQuitAllowed = false;16. 17. private synchronized static void setMainLooper(Looper looper) 18. mMainLooper = looper; 19. 20. public static final Looper myLooper() 21. return (Looper)sThreadLocal.get(); 22. 23. private Looper() 24. mQueue = new MessageQueue(); 25. mRun = true; 26. mThread = Thread.currentThread(); 27. 28. . 29. 其实 prepareMainLooper 所做的事情就是在线程中创建一个 Looper 对象，这个 Looper 对象存放在 sThreadLocal 成员变量中，sThreadLocal 的类型是ThreadLocal，表示这是一个线程局部变量，而它又是 static、final 型的，即保证每一个调用了 prepare 函数的线程里都有一个独立的 Looper 对象。在创建Looper 对象时，在其构造函数中可以知道，它创建了一个消息队列MessageQueue，并保存在 mQueue 成员变量中，而往后的消息就是存放在这个队列中的。消息队列是消息处理机制的重要组件，所以我们看下它的创建过程，即构造函数的实现，实现frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java 中：1. public class MessageQueue 2. . 3. private int mPtr; / used by native code 4. private native void nativeInit(); 5. 6. MessageQueue() 7. nativeInit(); 8. 9. . 10. MessageQueue 的初始化工作都交给了 JNI 方法 nativeInit 来实现了，这个JNI 方法定义在Frameworks/base/core/jni/android_os_MessageQueue.cpp 中：1. static void android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jobject obj) 2. NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = new NativeMessageQueue(); 3. . 4. android_os_MessageQueue_setNativeMessageQueue(env, obj, nativeMessageQueue); 5. 6. NativeMessageQueue:NativeMessageQueue() 7. mLooper = Looper:getForThread(); 8. if (mLooper = NULL) 9. mLooper = new Looper(false); 10. Looper:setForThread(mLooper); 11. 12. 13. static void android_os_MessageQueue_setNativeMessageQueue(JNIEnv* env, jobject messageQueueObj, 14. NativeMessageQueue* nativeMessageQueue) 15. env-SetIntField(messageQueueObj, gMessageQueueClassInfo.mPtr, 16. reinterpret_cast(nativeMessageQueue); 17. 18. . 19. #define FIND_CLASS(var, className) 20. var = env-FindClass(className); 21. LOG_FATAL_IF(! var, “Unable to find class “ className);22. #define GET_FIELD_ID(var, clazz, fieldName, fieldDescriptor) 23. var = env-GetFieldID(clazz, fieldName, fieldDescriptor); 24. LOG_FATAL_IF(! var, “Unable to find field “ fieldName);25. intregister_android_os_MessageQueue(JNIEnv* env) 26. . 27. jclassclazz;28. FIND_CLASS(clazz, “android/os/MessageQueue“);29. GET_FIELD_ID(gMessageQueueClassInfo.mPtr, clazz,30. “mPtr“, “I“);31. return 0;32. 在 andoroid_os_MessageQueue_nativeInit 函数里，JNI 层也相应地创建了一个消息队列 NativeMessageQueue,NativeMessageQueue 类主要在内部创建了一个 Looper 对象，而这个 Looper 对象是实现在 C+层的，它与之前说过的Java 层的 Looper 是不一样的，不过它们是对应的，在进一步分析消息循环过程时，我们就可以清楚地了解它们之间的关系了。先来分析 android_os_MessageQueue_setNativeMessageQueue 函数吧，在创建了本地消息队列 NativeMessageQueue 后，通过调用android_os_MessageQueue_setNativeMessageQueue 把本地消息队列保存在Java 层的 MessageQueue 对象中的 mPtr 成员变量里。函数所传的参数MessageQueueObj 是 Java 层创建的消息队列， env 可以理解成：通过它我们可以很方便地进行 JNI 层与 Java 层间的交互。在注册 JNI 方法时，即在 register_android_os_MessageQueue 函数中，就把 Java 层的 MessageQueue 对象中成员变量 mPtr 与 JNI 层gMessageQueueClassInfo.mPtr 关联起来。也即gMessageQueueClassInfo.mPtr 可以表示为 MessageQueue 对象中成员变量mPtr 的偏移量，通过这个偏移量就可以把 JNI 层的本地消息队列NativeMessageQueue 保存在 Java 层 MessageQueue.mPtr 中，往后我们就可以在调用 Java 层的消息队列的其它成员函数而进入 JNI 层时，很方便地找到 JNI 层与之对应的消息队列了。我们再回到 NativeMessageQueue 的构造函数，看看 C+层的 Looper 对象的创建过程，Looper 类实现在 frameworks/base/libs/utils/Looper.cpp 中：1. Looper:Looper(bool allowNonCallbacks) : 2. mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks), mSendingMessage(false),3. mResponseIndex(0), mNextMessageUptime(LLONG_MAX) 4. int wakeFds2; 5. int result = pipe(wakeFds); 6. . 7. mWakeReadPipeFd = wakeFds0; 8. mWakeWritePipeFd = wakeFds1; 9. . 10. #ifdef LOOPER_USES_EPOLL 11. / Allocate the epoll instance and register the wake pipe. 12. mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT); 13. . 14. struct epoll_event eventItem; 15. memset( / zero out unused members of data field union 16. eventItem.events = EPOLLIN; 17. eventItem.data.fd = mWakeReadPipeFd; 18. result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeReadPipeFd, 19. . 20. #else 21. . 22. #endif 23. . 24. 这个构造函数所做的事情非常重要，首先通过 pipe 创建了一个管道，接触过 pipe 应该都知道，管道是一个文件，在其两端分别是两个打开的文件描述符，它们都是对应于同一个文件，其中一个用来读，另一个用来写。一般是一个线程通过读文件描述符来读取管道中的内容，如果管道没有内容时，线程就会进入等待状态；另一个线程通过写文件描述符向管道写入内容，此时如果读的一端有线程正在等待读取管道中的内容，那么读端的线程就会被唤醒。在此线程的等待与唤醒中用到了 Linux 系统的 epoll 机制，epoll 机制可以处理大批量的句柄，是 Linux 下多路复用 IO 接口