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一、Handler同步屏障
1.1 线程同步问题
Handler是用于线程间通信的，但是它产生的根本并不只是用于UI处理，而更多的是handler是整个app通信的框架，大家可以在ActivityThread里面感受到，整个App都是用它来进行线程间的协调。Handler既然这么重要，那么它的线程安全就至关重要了，那么它是如何保证自己的线程安全呢？
Handler机制里面最主要的类MessageQueue，这个类就是所有消息的存储仓库，在这个仓库中，我们如何的管理好消息，这个就是一个关键点了。消息管理就2点：1）消息入库（enqueueMessage），2）消息出库（next），所以这两个接口是确保线程安全的主要档口。
MessageQueue类的enqueueMessage方法源码如下：
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
if (msg.target == null) {
throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
}
if (msg.isInUse()) {
throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
}
// 锁开始的地方
synchronized (this) {
if (mQuitting) {
IllegalStateException e = new IllegalStateException(
msg.target + " sending message to a Handler on a dead thread");
Log.w(TAG, e.getMessage(), e);
msg.recycle();
return false;
}
msg.markInUse();
msg.when = when;
Message p = mMessages;
boolean needWake;
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
// New head, wake up the event queue if blocked.
msg.next = p;
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
// Inserted within the middle of the queue. Usually we don't have to wake
// up the event queue unless there is a barrier at the head of the queue
// and the message is the earliest asynchronous message in the queue.
needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
Message prev;
for (;;) {
prev = p;
p = p.next;
if (p == null || when < p.when) {
break;
}
if (needWake && p.isAsynchronous()) {
needWake = false;
}
}
msg.next = p; // invariant: p == prev.next
prev.next = msg;
}
// We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
//锁结束的地方
synchronized锁是一个内置锁，也就是由系统控制锁的lock unlock时机的。
synchronized (this) 这个锁，说明的是对所有调用同一个MessageQueue对象的线程来说，他们都是互斥的，然而，在我们的Handler里面，一个线程是对应着一个唯一的Looper对象，而Looper中又只有一个唯一的MessageQueue。所以，我们主线程就只有一个MessageQueue对象，也就是说，所有的子线程向主线程发送消息的时候，主线程一次都只会处理一个消息，其他的都需要等待，那么这个时候消息队列就不会出现混乱。
另外，在看MessageQueue类的next方法：
Message next() {
....
for (;;) {
....
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
//MessageQueue对象锁
synchronized (this) {
// Try to retrieve the next message. Return if found.
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
Message prevMsg = null;
Message msg = mMessages;
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) {
if (now < msg.when) {
// Next message is not ready. Set a timeout to wake up when it is ready.
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
// Got a message.
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
mMessages = msg.next;
}
msg.next = null;
if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
msg.markInUse();
return msg;
}
} else {
// No more messages.
nextPollTimeoutMillis = -1;
}
...
}//synchronized 结束之处
// Run the idle handlers.
// We only ever reach this code block during the first iteration.
for (int i = 0; i < pendingIdleHandlerCount; i++) {
final IdleHandler idler = mPendingIdleHandlers[i];
mPendingIdleHandlers[i] = null; // release the reference to the handler
boolean keep = false;
try {
keep = idler.queueIdle();
} catch (Throwable t) {
Log.wtf(TAG, "IdleHandler threw exception", t);
}
if (!keep) {
synchronized (this) {
mIdleHandlers.remove(idler);
}
}
}
// Reset the idle handler count to 0 so we do not run them again.
pendingIdleHandlerCount = 0;
// While calling an idle handler, a new message could have been delivered
// so go back and look again for a pending message without waiting.
nextPollTimeoutMillis = 0;
}
}
next函数很多同学会有疑问：我从线程里面取消息，而且每次都是队列的头部取，那么它加锁是不是没有意义呢？答案是否定的，我们必须要在next里面加锁，因为，这样由于synchronized（this）作用范围是所有 this正在访问的代码块都会有保护作用，也就是它可以保证 next函数和 enqueueMessage函数能够实现互斥。这样才能真正的保证多线程访问的时候messagequeue的有序进行。
1.2 消息机制之同步屏障
图示屏障：https://juejin.cn/post/6924733444509892622
同步屏障的概念，在Android开发中非常容易被人忽略，因为这个概念在我们普通的开发中太少见了，很容易被忽略。
大家经过上面的学习应该知道，线程的消息都是放到同一个MessageQueue里面，取消息的时候是互斥取消息，而且只能从头部取消息，而添加消息是按照消息的执行的先后顺序进行的排序，那么问题来了，同一个时间范围内的消息，如果它是需要立刻执行的，那我们怎么办，按照常规的办法，我们需要等到队列轮询到我自己的时候才能执行哦，那岂不是黄花菜都凉了。所以，我们需要给紧急需要执行的消息一个绿色通道，这个绿色通道就是同步屏障的概念。
同步屏障是什么？
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()
我们看看它的源码，MessageQueue类的postSyncBarrier方法：
/**
* @hide
**/
public int postSyncBarrier() {
return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
}
private int postSyncBarrier(long when) {
// Enqueue a new sync barrier token
synchronized (this) {
// 步骤1 获取屏障的的唯一标示
final int token = mNextBarrierToken++;
// 步骤2 设置屏障消息，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;
// 步骤3 消息队列中的第一个Message赋值给p
Message prev = null;
Message p = mMessages;
// 下面代码的目的就是把屏障消息按时间排序插入到消息队列中，
// 前面的是早于自己的消息，后面的是晚于自己的消息
// 找到两个相邻的消息，使得 prev.when < msg.when < p.when
if (when != 0) {
// 步骤4 通过p的时间p.when和屏障的时间when，确定屏障消息插入的位置
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
// 步骤5 说明屏障消息不是插入消息队列的头部
msg.next = p;
prev.next = msg;
} else {
// 步骤6 屏障消息在消息队列的头部
msg.next = p;
mMessages = msg;
}
return token;
}
}
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。
图解步骤4和步骤5：
假设MessageQueue中有5个msg,时间分别是1S,2S,3S,4S,5S，而我们要插入的屏障msg的时间是3S。
经过遍历
while (p != null && p.when <= when) {
prev = p;
p = p.next;
}
结果prev = 3S，p= 4S，那么执行下面代码将屏障msg插入到prev和p之间
if (prev != null) {
msg.next = p;
prev.next = msg;
}
结果如下图：
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。
MessageQueue的next方法：
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();
}
//native阻塞方法，nextPollTimeoutMillis阻塞时长
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());//如果不是异步消息，就一直循环，直到找到异步消息
}
if (msg != null) {
//如果有消息需要处理，先判断时间有没有到，（now系统当前时间 小于 当前msg要执行的时间），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 （节点删除操作）
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
}
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：
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()。
同步消息的应用场景
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类的scheduleTraversals方法：
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();
}
}
postCallback()最终走到了Choreographer类的postCallbackDelayedInternal()方法：
public void postCallback(int callbackType, Runnable action, Object token) {
postCallbackDelayed(callbackType, action, token, 0);
}
public void postCallbackDelayed(int callbackType,
Runnable action, Object token, long delayMillis) {
if (action == null) {
throw new IllegalArgumentException("action must not be null");
}
if (callbackType < 0 || callbackType > CALLBACK_LAST) {
throw new IllegalArgumentException("callbackType is invalid");
}
postCallbackDelayedInternal(callbackType, action, token, delayMillis);
}
private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
Object action, Object token, long delayMillis) {
if (DEBUG_FRAMES) {
Log.d(TAG, "PostCallback: type=" + callbackType- ", action=" + action + ", token=" + token =" + delayMillis);
}
synchronized (mLock) {
final long now = SystemClock.uptimeMillis();
final long dueTime = now + delayMillis;
mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);
if (dueTime <= now) {
scheduleFrameLocked(now);
} else {
//msg what = MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK
Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
msg.arg1 = callbackType;
//设置发送的消息为异步消息
msg.setAsynchronous(true);
mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);
}
}
}
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);
}
}
看下Choreographer类的removeCallbacks方法：
public void removeCallbacks(int callbackType, Runnable action, Object token) {
if (callbackType < 0 || callbackType > CALLBACK_LAST) {
throw new IllegalArgumentException("callbackType is invalid");
}
removeCallbacksInternal(callbackType, action, token);
}
private void removeCallbacksInternal(int callbackType, Object action, Object token) {
if (DEBUG_FRAMES) {
Log.d(TAG, "RemoveCallbacks: type=" + callbackType
+ ", action=" + action + ", token=" + token);
}
synchronized (mLock) {
mCallbackQueues[callbackType].removeCallbacksLocked(action, token);
if (action != null && token == null) {
//删除msg what=MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK的消息
mHandler.removeMessages(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
}
}
}
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。
作者：我爱田Hebe
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来源：简书
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