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[操作系统]Android线程管理线程通信


      线程通信、ActivityThread及Thread类是理解Android线程管理的关键。

      线程,作为CPU调度资源的基本单位,在Android等针对嵌入式设备的操作系统中,有着非常重要和基础的作用。本小节主要从以下三个方面进行分析:

  1. 《Android线程管理——线程通信》
  2. 《Android线程管理——ActivityThread》
  3. 《Android线程管理——Thread》


一、Handler、MessageQueue、Message及Looper四者的关系

      在开发Android多线程应用时,Handler、MessageQueue、Message及Looper是老生常谈的话题。但想彻底理清它们之间的关系,却需要深入的研究下它们各自的实现才行。首先,给出一张它们之间的关系图:

绘图1

  • Looper依赖于MessageQueue和Thread,因为每个Thread只对应一个Looper,每个Looper只对应一个MessageQueue。
  • MessageQueue依赖于Message,每个MessageQueue对应多个Message。即Message被压入MessageQueue中,形成一个Message集合。
  • Message依赖于Handler进行处理,且每个Message最多指定一个Handler来处理。Handler依赖于MessageQueue、Looper及Callback。

      从运行机制来看,Handler将Message压入MessageQueue,Looper不断从MessageQueue中取出Message(当MessageQueue为空时,进入休眠状态),其target handler则进行消息处理。因此,要彻底弄清Android的线程通信机制,需要了解以下三个问题:

  • Handler的消息分发、处理流程
  • MessageQueue的属性及操作
  • Looper的工作原理

1.1 Handler的消息分发、处理流程

      Handler主要完成Message的入队(MessageQueue)和处理,下面将通过Handler的源码分析其消息分发、处理流程。首先,来看下Handler类的方法列表:

2697.tm

     从上图中可以看出,Handler类核心的方法包括:1)构造器;2)分发消息;3)处理消息;4)post发送消息;5)send发送消息;6)remove消息和回调。

     首先,从构造方法来看,构造器的多态最终通过调用如下方法实现,即将实参赋值给Handler类的内部域。

final MessageQueue mQueue;final Looper mLooper;final Callback mCallback;final boolean mAsynchronous;public Handler(Looper looper, Callback callback, boolean async) {  mLooper = looper;  mQueue = looper.mQueue;  mCallback = callback;  mAsynchronous = async;}

     其次,消息的入队是通过post方法和send方法来实现的。

public final boolean postAtTime(Runnable r, long uptimeMillis) {  return sendMessageAtTime(getPostMessage(r), uptimeMillis);}

public final boolean sendEmptyMessageAtTime(int what, long uptimeMillis) {  Message msg = Message.obtain();  msg.what = what;  return sendMessageAtTime(msg, uptimeMillis);}

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);}

      两者的区别在于参数类型不同,post方法传入的实例对象实现了Runnable接口,然后在内部通过getPostMessage方法将其转换为Message,最终通过send方法发出;send方法传入的实例对象为Message类型,在实现中,将Message压入MessageQueue。

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

      通过Handler将Message压入MessageQueue之后,Looper将其轮询后交由Message的target handler处理。Handler首先会对消息进行分发。首先判断Message的回调处理接口Callback是否为null,不为null则调用该Callback进行处理;否判断Handler的回调接口mCallback是否为null,不为null则调用该Callback进行处理;如果上述Callback均为null,则调用handleMessage方法处理。

public void dispatchMessage(Message msg) {  if (msg.callback != null) {    handleCallback(msg);  } else {    if (mCallback != null) {      if (mCallback.handleMessage(msg)) {        return;      }    }    handleMessage(msg);  }}

      handleMessage方法在Handler的子类中必须实现。即消息具体的处理交由应用软件实现。

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

      回到Activity(Fragment),在Handler的子类中实现handleMessage方法。这里需要注意一个内存泄露的问题,比较下述两种实现方式,第一种直接定义Handler的实现,第二种通过静态内部类继承Handler,定义继承类的实例。

Handler mHandler = new Handler() {        @Override  public void handleMessage(Message msg) {    super.handleMessage(msg);          // 根据msg调用Activity的方法  }};

static class MyHandler extends Handler {  WeakReference<DemoActivity> mActivity;  public MyHandler(DemoActivity demoActivity) {    mActivity = new WeakReference<DemoActivity>(demoActivity);  }  @Override  public void handleMessage(Message msg) {    super.handleMessage(msg);    DemoActivity theActivity = mActivity.get();    // 根据msg调用theActivity的方法}

      不绕弯子,直接说明为什么第一种方式会引起内存泄露,而第二种不会。

      在第一种方式中,mHandler通过匿名内部类方式实例化,在Java中,内部类会强持有外部类的引用(handleMessage方法中可以直接调用Activity的方法),在外部Activity调用onDestroy()方法之后,如果Handler的MessageQueue依然有未处理的消息,那么由于Handler持有Activity的引用导致Activity无法被系统GC回收,从而引起内存泄露。

      在第二种方式中,首先继承Handler定义静态内部类,由于MyHandler为静态类,即使定义在Activity的内部,也与Activity没有逻辑上的联系,即不会持有外部Activity的引用;其次,在静态类内部,定义外部Activity的弱引用,弱引用在系统资源紧张时会被系统优先回收。最后,在handleMessage()方法中,通过WeakReference的get方法获取外部Activity的引用,如果该弱引用已被回收,则get方法返回null。

struct GcSpec { /* If true, only the application heap is threatened. */ bool isPartial; /* If true, the trace is run concurrently with the mutator. */ bool isConcurrent; /* Toggles for the soft reference clearing policy. */ bool doPreserve; /* A name for this garbage collection mode. */ const char *reason;};

      这段代码定义在dalvik/vm/alloc/Heap.h中,其中doPreserve为true时,表示在执行GC的过程中,不回收软引用引用的对象;为false时,表示在执行GC的过程中,回收软引用引用的对象。

      最后,使用Handler的过程中,还需要注意一点,在前面的方法列表图中已经提到。为避免Activity调用onDestroy后,Handler的MessageQueue中仍存在Message,一般会在onDestroy中调用removeCallbacksAndMessages()方法。

@Overrideprotected void onDestroy() {  super.onDestroy();  // 清空Message队列  myHandler.removeCallbacksAndMessages(null);}

public final void removeCallbacksAndMessages(Object token) {  mQueue.removeCallbacksAndMessages(this, token);}

      removeCallbacksAndMessages()方法会移除obj为token的由post发送的callback和send发送的message,当token为null时,会移除所有callback和message。

1.2 MessageQueue的属性及操作

      MessageQueue,消息队列,其属性与常规队列相似,包括入队、出队等,这里简要介绍一下MessageQueue的实现。

      首先,MessageQueue新建队列的工作是通过在其构造器中调用本地方法nativeInit实现的。nativeInit会创建NativeMessageQueue对象,然后赋值给MessageQueue成员变量mPtr。mPtr是int类型数据,代表NativeMessageQueue的内存指针。

MessageQueue(boolean quitAllowed) {  mQuitAllowed = quitAllowed;  mPtr = nativeInit();}

      其次,Message入队的通过enqueueMessage方法实现。首先检查message是否符合入队要求(是否正在使用,target handler是否为null),符合要求后通过设置prev.next = msg队列的指针完成入队操作。

boolean enqueueMessage(Message msg, long when);

      再次,出队是通过next()方法完成的。涉及到同步、锁等问题,这里不详细展开了。

      再次,删除元素有两个实现。即分别通过p.callback == r和p.what == what来进行消息识别。

void removeMessages(Handler h, int what, Object object);void removeMessages(Handler h, Runnable r, Object object);

      最后,销毁队列和创建队列一样,是通过本地函数完成的。传入的参数为MessageQueue的内存指针。

private native static void nativeDestroy(int ptr);

1.3 Looper的工作原理

      Looper是线程通信的关键,正是因为Looper,整个线程通信机制才真正实现“通”。

      在应用开发过程中,一般当主线程需要传递消息给用户自定义线程时,会在自定义线程中定义Handler进行消息处理,并在Handler实现的前后分别调用Looper的prepare()方法和loop()方法。大致实现如下:

new Thread(new Runnable() {        private Handler mHandler;        @Override  public void run() {    Looper.prepare();    mHandler = new Handler() {      @Override      public void handleMessage(Message msg) {        super.handleMessage(msg);                  }    };    Looper.loop();  }});

这里重点说明prepare()方法和loop()方法,实际项目中不建议定义匿名线程。

 

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));}

      可以看出,prepare方法的重点是sThreadLocal变量,sThreadLocal变量是什么呢?

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

      ThreadLocal实现了线程本地存储。简单看一下它的类注解文档,ThreadLocal是一种特殊的全局变量,全局性在于它存储于自己所在线程相关的数据,而其他线程无法访问。

/** * Implements a thread-local storage, that is, a variable for which each thread * has its own value. All threads share the same {@code ThreadLocal} object, * but each sees a different value when accessing it, and changes made by one * thread do not affect the other threads. The implementation supports * {@code null} values. * * @see java.lang.Thread * @author Bob Lee */public class ThreadLocal<T> {}

      回到prepare方法中,sThreadLocal添加了一个针对当前线程的Looper对象。并且prepare方法只能调用一次,否则会抛出运行时异常。

      初始化完毕之后,Handler通过post和send方法如何保证消息投递到Looper所持有的MessageQueue中呢?其实,MessageQueue是Handler和Looper的桥梁。在前面Handler章节中提到Handler的初始化方法,Handler的mLooper对象是通过Looper的静态方法myLooper()获取的,而myLooper()是通过调用sThreadLocal.get()来得到的,即Handler的mLooper就是当前线程的Looper对象,Handler的mQueue就是mLooper.mQueue。

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

public static Looper myLooper() {  return sThreadLocal.get();}