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揭秘 Android 消息机制之同步屏障:target==null ?

1、引言

我们知道,Android的消息机制就是Handler、Looper、Message、MessageQueue之间的运作机制。本文假设大家对 它们都已经有所了解,所以并不打算介绍它们之间千丝万缕的联系,不了解的同学可以参考网上其他博文~

这其中有个小细节,估计很多人没有注意到,那就是消息机制的同步屏障是什么? 同步屏障与target == null有什么关系?与 target 不为 null 的区别在哪里?这篇文章就是要揭露同步屏障与 target 之间的微妙关系。

2、 target 为何物

首先,看下 Message 类中 target 的定义出处:

//Message.java

Handler target;
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从这里可以知道,Message 是持有 Handler 的, 所谓的 target 即为 Handler 对象。

让我们再看看 target 是哪里出现的?

我们知道,通过 Handle 发送消息的时候(如调用Handler#sendMessage()等 ),最终都是会调用 Handler#enqueueMessage()让消息入队,如下:

 private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
        msg.target = this;
        if (mAsynchronous) {
            msg.setAsynchronous(true);
        }
        return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
    }
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看到没,当我们发送一个消息的时候,msg.target 就会被赋值为this, 而 this 即为我们的 Handler 对象。因此,通过这种方式传进来的消息的 target 肯定也就不为 null,并且 mAsynchronous 默认为 false,也就是说我们一般发送的消息都为同步消息。相对地,也应该有异步消息吧?的确,还有一种很容易被忽略的 异步消息,因为除了系统的源码外,我们一般很少会使用异步消息。那么什么是异步消息呢?这里先说一下结论:满足target == null的消息就是异步消息。那么,如何发送一个异步消息呢?

简单来说有两种方式。

一种是直接设置消息为异步的:

Message msg = mMyHandler.obtainMessage();
msg.setAsynchronous(true);
mMyHandler.sendMessage(msg);
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还有一个需要用到 Handler 的一个构造方法,不过该方法已被标记为@Hide了:

/**
  *
  * @hide
  */
  public Handler(boolean async) {
     this(null, async);
  }
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使用如下:

Handler mMyHandler = new Handler(true);
Message msg = mHandler.obtainMessage();
mMyHandler.sendMessage(msg);
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参数 asynctrue 即为异步消息。

但需要注意的是,通过上面两种方式来发送的消息还不是异步消息,因为它们最终还是会进入 enqueueMessage(),仍然会给 target 赋值 ,导致 target 不为null。这与前面所说的同步消息无异。那么什么情况下会满足target == null 这个条件呢?

咱们今天的主角,同步屏障 (Sync Barrier) 就要登场啦。

3、同步屏障是什么

没错,发送异步消息的关键就是要消息开启一个同步屏障。屏障的意思即为阻碍,顾名思义,同步屏障就是阻碍同步消息,只让异步消息通过。如何开启同步屏障呢?如下而已:

MessageQueue#postSyncBarrier()
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我们看看这行代码面里蕴藏着什么样的黑科技:

   /**
     *
     * @hide
     */
    public int postSyncBarrier() {
        return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
    }

    private int postSyncBarrier(long when) {
        // Enqueue a new sync barrier token
        synchronized (this) {
            final int token = mNextBarrierToken++;
            //从消息池中获取Message
            final Message msg = Message.obtain();
            msg.markInUse();
            
            //就是这里!!!初始化Message对象的时候,并没有给target赋值,因此 target==null
            msg.when = when;
            msg.arg1 = token;

            Message prev = null;
            Message p = mMessages;
           
            if (when != 0) {
                while (p != null && p.when <= when) {
                 //如果开启同步屏障的时间(假设记为T)T不为0,且当前的同步消息里有时间小于T,则prev也不为null
                    prev = p;
                    p = p.next;
                }
            }
            /根据prev是不是为null,将 msg 按照时间顺序插入到 消息队列(链表)的合适位置
            if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
                msg.next = p;
                prev.next = msg;
            } else {
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
            }
            return token;
        }
    }
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可以看到,Message 对象初始化的时候并没有给 target 赋值,因此,target == null的 来源就找到了。上面消息的插入也做了相应的注释。这样,一条target == null 的消息就进入了消息队列。

那么,开启同步屏障后,所谓的异步消息又是如何被处理的呢?

如果对消息机制有所了解的话,应该知道消息的最终处理是在消息轮询器Looper#loop()中,而loop()循环中会调用MessageQueue#next()从消息队列中进行取消息,来看看关键代码:

//MessageQueue.java

Message next() 

        .....//省略一些代码
        int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
        // 1.如果nextPollTimeoutMillis=-1,一直阻塞不会超时。
        // 2.如果nextPollTimeoutMillis=0,不会阻塞,立即返回。
        // 3.如果nextPollTimeoutMillis>0,最长阻塞nextPollTimeoutMillis毫秒(超时)
        //   如果期间有程序唤醒会立即返回。
        int nextPollTimeoutMillis = 0;
        //next()也是一个无限循环
        for (;;) {
            if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
                Binder.flushPendingCommands();
            }
            nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
            synchronized (this) {
                //获取系统开机到现在的时间
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                Message prevMsg = null;
                Message msg = mMessages; //当前链表的头结点
                
                //关键!!!
                //如果target==null,那么它就是屏障,需要循环遍历,一直往后找到第一个异步的消息
                if (msg != null && msg.target == null) {
                // Stalled by a barrier.  Find the next asynchronous message in the queue.
                    do {
                        prevMsg = msg;
                        msg = msg.next;
                    } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
                }
                if (msg != null) {
                    //如果有消息需要处理,先判断时间有没有到,如果没到的话设置一下阻塞时间,
                    //场景如常用的postDelay
                    if (now < msg.when) {
                       //计算出离执行时间还有多久赋值给nextPollTimeoutMillis,
                       //表示nativePollOnce方法要等待nextPollTimeoutMillis时长后返回
                        nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                    } else {
                        // 获取到消息
                        mBlocked = false;
                       //链表操作,获取msg并且删除该节点 
                        if (prevMsg != null) 
                            prevMsg.next = msg.next;
                        } else {
                            mMessages = msg.next;
                        }
                        msg.next = null;
                        msg.markInUse();
                        //返回拿到的消息
                        return msg;
                    }
                } else {
                    //没有消息,nextPollTimeoutMillis复位
                    nextPollTimeoutMillis = -1;
                }
                .....//省略

    }
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从上面可以看出,当消息队列开启同步屏障的时候(即标识为msg.target == null),消息机制在处理消息的时候,优先处理异步消息。这样,同步屏障就起到了一种过滤和优先级的作用。

下面用示意图简单说明:

同步屏障示意图

如上图所示,在消息队列中有同步消息和异步消息(黄色部分)以及一道墙----同步屏障(红色部分)。有了同步屏障的存在,msg_2 和 msg_M 这两个异步消息可以被优先处理,而后面的 msg_3 等同步消息则不会被处理。那么这些同步消息什么时候可以被处理呢?那就需要先移除这个同步屏障,即调用removeSyncBarrier()

举个生活中的栗子哈。开演唱会的时候,观众们需要在体育馆门口排队依次检票入场(这些排队的观众相当于消息队列中的普通同步消息),但这个时候演唱会的嘉宾来了(相当于异步消息,优先级高于观众),如果他们出示证件(不出示证件,就相当于普通观众入场,也还是需要排队,这种情形就是最前面所说的仅仅设置了msg.setAsynchronous(true)),保安立马拦住进场的观众(保安拦住普通观众就相当于开启了同步屏障,阻止同步消息通过),让嘉宾先进去(只处理异步消息,而阻挡同步消息)。等工作人员全部进去了,如果保安不再阻拦观众(即移除同步屏障),这样观众又可以进场了(又可以处理同步消息)。只要保安不解除拦截,那么后面的观众就永远不可能进场(不移除同步屏障,同步消息就不会得到处理)。

4、同步屏障使用场景

似乎在日常的应用开发中,很少会用到同步屏障。那么,同步屏障在系统源码中有哪些使用场景呢?Android 系统中的 UI 更新相关的消息即为异步消息,需要优先处理。

比如,在 View 更新时,draw、requestLayout、invalidate 等很多地方都调用了ViewRootImpl#scheduleTraversals(),如下:

//ViewRootImpl.java

    void scheduleTraversals() {
        if (!mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = true;
            //开启同步屏障
            mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
            //发送异步消息
            mChoreographer.postCallback(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
            if (!mUnbufferedInputDispatch) {
                scheduleConsumeBatchedInput();
            }
            notifyRendererOfFramePending();
            pokeDrawLockIfNeeded();
        }
    }
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postCallback()最终走到了ChoreographerpostCallbackDelayedInternal()

在这里插入图片描述
这里就开启了同步屏障,并发送异步消息,由于 UI 更新相关的消息是优先级最高的,这样系统就会优先处理这些异步消息。

最后,当要移除同步屏障的时候需要调用ViewRootImpl#unscheduleTraversals()

    void unscheduleTraversals() {
        if (mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = false;
            //移除同步屏障
            mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
            mChoreographer.removeCallbacks(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
        }
    }
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5、总结

同步屏障的设置可以方便地处理那些优先级较高的异步消息。当我们调用Handler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier() 并设置消息的setAsynchronous(true)时,target 即为 null ,也就开启了同步屏障。当在消息轮询器 Looper 在loop()中循环处理消息时,如若开启了同步屏障,会优先处理其中的异步消息,而阻碍同步消息。