惊天秘密！从Thread开始，揭露Android线程通讯的诡计和主线程的阴谋
背景介绍
我们在Android开发过程中，几乎都离不开线程。但是你对线程的了解有多少呢?它完美运行的背后，究竟隐藏了多少不为人知的秘密呢?线程间互通暗语，传递信息究竟是如何做到的呢?Looper、Handler、MessageQueue究竟在这背后进行了怎样的运作。本期，让我们一起从Thread开始，逐步探寻这个完美的线程链背后的秘密。
注意，大部分分析在代码中，所以请仔细关注代码哦!
从Tread的创建流程开始
在这一个环节，我们将一起一步步的分析Thread的创建流程。
话不多说，直接代码里看。
线程创建的起始点init()
- // 创建Thread的公有构造函数，都调用的都是这个私有的init()方法。我们看看到底干什么了。
- /**
- *
- * @param 线程组
- * @param 就是我们平时接触最多的Runnable同学
- * @param 指定线程的名称
- * @param 指定线程堆栈的大小
- */
- private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name, long stackSize) {
- Thread parent = currentThread(); //先获取当前运行中的线程。这一个Native函数，暂时不用理会它怎么做到的。黑盒思想，哈哈！
- if (g == null) {
- g = parent.getThreadGroup(); //如果没有指定ThreadGroup，将获取父线程的TreadGroup
- }
- g.addUnstarted(); //将ThreadGroup中的就绪线程计数器增加一。注意，此时线程还并没有被真正加入到ThreadGroup中。
- this.group = g; //将Thread实例的group赋值。从这里开始线程就拥有ThreadGroup了。
- this.target = target; //给Thread实例设置Runnable。以后start()的时候执行的就是它了。
- this.priority = parent.getPriority(); //设置线程的优先权重为父线程的权重
- this.daemon = parent.isDaemon(); //根据父线程是否是守护线程来确定Thread实例是否是守护线程。
- setName(name); //设置线程的名称
- init2(parent); //纳尼？又一个初始化，参数还是父线程。不急，稍后在看。
- /* Stash the specified stack size in case the VM cares */
- this.stackSize = stackSize; //设置线程的堆栈大小
- tid = nextThreadID(); //线程的id。这是个静态变量，调用这个方法会自增，然后作为线程的id。
- }
第二个init2()
至此，我们的Thread就初始化完成了，Thread的几个重要成员变量都赋值了。
启动线程，开车啦!
通常，我们这样了启动一条线程。
- Thread threadDemo = new Thread(() -> {
- });
- threadDemo.start();
那么start()背后究竟隐藏着什么样不可告人的秘密呢?是人性的扭曲?还是道德的沦丧?让我们一起点进start()。探寻start()背后的秘密。
- //如我们所见，这个方法是加了锁的。原因是避免开发者在其它线程调用同一个Thread实例的这个方法，从而尽量避免抛出异常。
- //这个方法之所以能够执行我们传入的Runnable里的run()方法，是应为JVM调用了Thread实例的run()方法。
- public synchronized void start() {
- //检查线程状态是否为0，为0表示是一个新状态，即还没被start()过。不为0就抛出异常。
- //就是说，我们一个Thread实例，我们只能调用一次start()方法。
- if (threadStatus != 0)
- throw new IllegalThreadStateException();
- //从这里开始才真正的线程加入到ThreadGroup组里。再重复一次，前面只是把nUnstartedThreads这个计数器进行了增量，并没有添加线程。
- //同时，当线程启动了之后，nUnstartedThreads计数器会-1。因为就绪状态的线程少了一条啊！
- group.add(this);
- started = false;
- try {
- nativeCreate(this, stackSize, daemon); //又是个Native方法。这里交由JVM处理，会调用Thread实例的run()方法。
- started = true;
- } finally {
- try {
- if (!started) {
- group.threadStartFailed(this); //如果没有被启动成功，Thread将会被移除ThreadGroup，同时，nUnstartedThreads计数器又增量1了。
- }
- } catch (Throwable ignore) {
- }
- }
- }
好吧，最精华的函数是native的，先当黑盒处理吧。只要知道它能够调用到Thread实例的run()方法就行了。那我们再看看run()方法到底干了什么神奇的事呢?
黑实验
上面的实验表明了，我们完全可以用Thread来作为Runnable。
几个常见的线程手段(操作)
Thread.sleep()那不可告人的秘密
我们平时使用Thread.sleep()的频率也比较高，所以我们在一起研究研究Thread.sleep()被调用的时候发生了什么。
在开始之前，先介绍一个概念——纳秒。1纳秒=十亿分之一秒。可见用它计时将会非常的精准。但是由于设备限制，这个值有时候并不是那么准确，但还是比毫秒的控制粒度小很多。
- //平时我们调用的Thread.sleep(long)最后调用到这个方法来，后一个陌生一点的参数就是纳秒。
- //你可以在纳秒级控制线程。
- public static void sleep(long millis, int nanos)
- throws InterruptedException {
- //下面三个检测毫秒和纳秒的设置是否合法。
- if (millis < 0) {
- throw new IllegalArgumentException("millis < 0: " + millis);
- }
- if (nanos < 0) {
- throw new IllegalArgumentException("nanos < 0: " + nanos);
- }
- if (nanos > 999999) {
- throw new IllegalArgumentException("nanos > 999999: " + nanos);
- }
- if (millis == 0 && nanos == 0) {
- if (Thread.interrupted()) { //当睡眠时间为0时，检测线程是否中断，并清除线程的中断状态标记。这是个Native的方法。
- throw new InterruptedException(); //如果线程被设置了中断状态为true了(调用Thread.interrupt())。那么他将抛出异常。如果在catch住这个异常之后return线程，那么线程就停止了。
- //需要注意，在调用了Thread.sleep()之后，再调用isInterrupted()得到的结果永远是False。别忘了Thread.interrupted()在检测的同时还会清除标记位置哦！
- }
- return;
- }
- long start = System.nanoTime(); //类似System.currentTimeMillis()。但是获取的是纳秒，可能不准。
- long duration = (millis * NANOS_PER_MILLI) + nanos;
- Object lock = currentThread().lock; //获得当前线程的锁。
- synchronized (lock) { //对当前线程的锁对象进行同步操作
- while (true) {
- sleep(lock, millis, nanos); //这里又是一个Native的方法，并且也会抛出InterruptedException异常。
- //据我估计，调用这个函数睡眠的时长是不确定的。
- long now = System.nanoTime();
- long elapsed = now - start; //计算线程睡了多久了
- if (elapsed >= duration) { //如果当前睡眠时长，已经满足我们的需求，就退出循环，睡眠结束。
- break;
- }
- duration -= elapsed; //减去已经睡眠的时间，重新计算需要睡眠的时长。
- start = now;
- millis = duration / NANOS_PER_MILLI; //重新计算毫秒部分
- nanos = (int) (duration % NANOS_PER_MILLI); //重新计算微秒部分
- }
- }
- }
通过上面的分析可以知道，使线程休眠的核心方法就是一个Native函数sleep(lock, millis, nanos)，并且它休眠的时常是不确定的。因此，Thread.sleep()方法使用了一个循环，每次检查休眠时长是否满足需求。
同时，需要注意一点，如果线程的interruted状态在调用sleep()方法时被设置为true，那么在开始休眠循环前会抛出InterruptedException异常。
Thread.yield()究竟隐藏了什么?
这个方法是Native的。调用这个方法可以提示cpu，当前线程将放弃目前cpu的使用权，和其它线程重新一起争夺新的cpu使用权限。当前线程可能再次获得执行，也可能没获得。就酱。
无处不在的wait()究竟是什么?
大家一定经常见到，不论是哪一个对象的实例，都会在最下面出现几个名为wait()的方法。等待?它们究竟是怎样的一种存在，让我们一起点击去看看。
哎哟我去，都是Native函数啊。
那就看看文档它到底是什么吧。
根据文档的描述，wait()配合notify()和notifyAll()能够实现线程间通讯，即同步。在线程中调用wait()必须在同步代码块中调用，否则会抛出IllegalMonitorStateException异常。因为wait()函数需要释放相应对象的锁。当线程执行到wait()时，对象会把当前线程放入自己的线程池中，并且释放锁，然后阻塞在这个地方。直到该对象调用了notify()或者notifyAll()后，该线程才能重新获得，或者有可能获得对象的锁，然后继续执行后面的语句。
呃。。。好吧，在说明一下notify()和notifyAll()的区别。
- notify()
调用notify()后，对象会从自己的线程池中(也就是对该对象调用了wait()函数的线程)随机挑选一条线程去唤醒它。也就是一次只能唤醒一条线程。如果在多线程情况下，只调用一次notify()，那么只有一条线程能被唤醒，其它线程会一直在
- notifyAll()
调用notifyAll()后，对象会唤醒自己的线程池中的所有线程，然后这些线程就会一起抢夺对象的锁。
扒一扒Looper、Handler、MessageQueue之间的爱恨情仇
我们可能过去都写过形如这样的代码：
很多同学知道，在线程中使用Handler时(除了Android主线程)必须把它放在Looper.prepare()和Looper.loop()之间。否则会抛出RuntimeException异常。但是为什么要这么做呢?下面我们一起来扒一扒这其中的内幕。
从Looper.prepare()开始
当Looper.prepare()被调用时，发生了什么?
经过上面的分析，我们已经知道Looper.prepare()调用之后发生了什么。
但是问题来了!sThreadLocal是个静态的ThreadLocal 实例(在Android中ThreadLocal的范型固定为Looper)。就是说，当前进程中的所有线程都共享这一个ThreadLocal。那么，Looper.prepare()既然是个静态方法，Looper是如何确定现在应该和哪一个线程建立绑定关系的呢?我们接着往里扒。
来看看ThreadLocal的get()、set()方法。
创建Handler
Handler可以用来实现线程间的通行。在Android中我们在子线程作完数据处理工作时，就常常需要通过Handler来通知主线程更新UI。平时我们都使用new Handler()来在一个线程中创建Handler实例，但是它是如何知道自己应该处理那个线程的任务呢。下面就一起扒一扒Handler。
- public Handler() {
- this(null, false);
- }
- public Handler(Callback callback, boolean async) { //可以看到，最终调用了这个方法。
- if (FIND_POTENTIAL_LEAKS) {
- final Class<? extends Handler> klass = getClass();
- if ((klass.isAnonymousClass() || klass.isMemberClass() || klass.isLocalClass()) &&
- (klass.getModifiers() & Modifier.STATIC) == 0) {
- Log.w(TAG, "The following Handler class should be static or leaks might occur: " +
- klass.getCanonicalName());
- }
- }
- mLooper = Looper.myLooper(); //重点啊！在这里Handler和当前Thread的Looper绑定了。Looper.myLooper()就是从ThreadLocale中取出当前线程的Looper。
- if (mLooper == null) {
- //如果子线程中new Handler()之前没有调用Looper.prepare()，那么当前线程的Looper就还没创建。就会抛出这个异常。
- throw new RuntimeException(
- "Can't create handler inside thread that has not called Looper.prepare()");
- }
- mQueue = mLooper.mQueue; //赋值Looper的MessageQueue给Handler。
- mCallback = callback;
- mAsynchronous = async;
- }
Looper.loop()
我们都知道，在Handler创建之后，还需要调用一下Looper.loop()，不然发送消息到Handler没有用!接下来，扒一扒Looper究竟有什么样的魔力，能够把消息准确的送到Handler中处理。
- public static void loop() {
- final Looper me = myLooper(); //这个方法前面已经提到过了，就是获取到当前线程中的Looper对象。
- if (me == null) {
- //没有Looper.prepare()是要报错的！
- throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
- }
- final MessageQueue queue = me.mQueue; //获取到Looper的MessageQueue成员变量，这是在Looper创建的时候new的。
- //这是个Native方法，作用就是检测一下当前线程是否属于当前进程。并且会持续跟踪其真实的身份。
- //在IPC机制中，这个方法用来清除IPCThreadState的pid和uid信息。并且返回一个身份，便于使用restoreCallingIdentity()来恢复。
- Binder.clearCallingIdentity();
- final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
- for (;;) { //重点(敲黑板)！这里是个死循环，一直等待抽取消息、发送消息。
- Message msg = queue.next(); // 从MessageQueue中抽取一条消息。至于怎么取的，我们稍后再看。
- if (msg == null) {
- // No message indicates that the message queue is quitting.
- return;
- }
- // This must be in a local variable, in case a UI event sets the logger
- final Printer logging = me.mLogging;
- if (logging != null) {
- logging.println(">>>>> Dispatching to " + msg.target + " " +
- msg.callback + ": " + msg.what);
- }
- final long traceTag = me.mTraceTag; //取得MessageQueue的跟踪标记
- if (traceTag != 0) {
- Trace.traceBegin(traceTag, msg.target.getTraceName(msg)); //开始跟踪本线程的MessageQueue中的当前消息，是Native的方法。
- }
- try {
- msg.target.dispatchMessage(msg); //尝试分派消息到和Message绑定的Handler中
- } finally {
- if (traceTag != 0) {
- Trace.traceEnd(traceTag); //这个和Trace.traceBegin()配套使用。
- }
- }
- if (logging != null) {
- logging.println("<<<<< Finished to " + msg.target + " " + msg.callback);
- }
- final long newIdent = Binder.clearCallingIdentity(); //what？又调用这个Native方法了。这里主要是为了再次验证，线程所在的进程是否发生改变。
- if (ident != newIdent) {
- Log.wtf(TAG, "Thread identity changed from 0x"
- + Long.toHexString(ident) + " to 0x"
- + Long.toHexString(newIdent) + " while dispatching to "
- + msg.target.getClass().getName() + " "
- + msg.callback + " what=" + msg.what);
- }
- msg.recycleUnchecked(); //回收释放消息。
- }
- }
从上面的分析可以知道，当调用了Looper.loop()之后，线程就就会被一个for(;;)死循环阻塞，每次等待MessageQueue的next()方法取出一条Message才开始往下继续执行。然后通过Message获取到相应的Handler (就是target成员变量)，Handler再通过dispatchMessage()方法，把Message派发到handleMessage()中处理。
这里需要注意，当线程loop起来是时，线程就一直在循环中。就是说Looper.loop()后面的代码就不能被执行了。想要执行，需要先退出loop。
- Looper myLooper = Looper.myLoop();
- myLooper.quit(); //普通退出方式。
- myLooper.quitSafely(); //安全的退出方式。
现在又产生一个疑问，MessageQueue的next()方法是如何阻塞住线程的呢?接下来，扒一扒这个幕后黑手MessageQueue。
幕后黑手MessageQueue
MessageQueue是一个用单链的数据结构来维护消息列表。
可以看到。MessageQueue在取消息(调用next())时，会进入一个死循环，直到取出一条Message返回。这就是为什么Looper.loop()会在queue.next()处等待的原因。
那么，一条Message是如何添加到MessageQueue中呢?要弄明白最后的真相，我们需要调查一下mHandler.post()这个方法。
Handler究竟对Message做了什么?
Handler的post()系列方法，最终调用的都是下面这个方法：
接下来就看看MessageQueue的enqueueMessage()作了什么。
至此，我们已经揭露了Looper、Handler、MessageQueue隐藏的秘密。
另一个疑问?
也许你已经注意到在主线程中可以直接使用Handler，而不需要Looper.prepare()和Looper.loop()。为什么可以做到这样呢?根据之前的分析可以知道，主线程中必然存在Looper.prepare()和Looper.loop()。既然如此，为什么主线程没有被loop()阻塞呢?看一下ActivityThread来弄清楚到底是怎么回事。
注意ActivityThread并没有继承Thread，它的Handler是继承Handler的私有内部类H.class。在H.class的handleMessage()中，它接受并执行主线程中的各种生命周期状态消息。UI的16ms的绘制也是通过Handler来实现的。也就是说，主线程中的所有操作都是在Looper.prepareMainLooper()和Looper.loop()之间进行的。进一步说是在主Handler中进行的。
总结
- Android中Thread在创建时进行初始化，会使用当前线程作为父线程，并继承它的一些配置。
- Thread初始化时会被添加到指定/父线程的ThreadGroup中进行管理。
- Thread正真启动是一个native函数完成的。
- 在Android的线程间通信中，需要先创建Looper，就是调用Looper.prepare()。这个过程中会自动依赖当前Thread，并且创建MessageQueue。经过上一步，就可以创建Handler了，默认情况下，Handler会自动依赖当前线程的Looper，从而依赖相应的MessageQueue，也就知道该把消息放在哪个地方了。MessageQueue通过Message.next实现了一个单链表结构来缓存Message。消息需要送达Handler处理，还必须调用Looper.loop()启动线程的消息泵送循环。loop()内部是无限循环，阻塞在MessageQueue的next()方法上，因为next()方法内部也是一个无限循环，直到成功从链表中抽取一条消息返回为止。然后，在loop()方法中继续进行处理，主要就是把消息派送到目标Handler中。接着进入下一次循环，等待下一条消息。由于这个机制，线程就相当于阻塞在loop()这了。
经过上面的揭露，我们已经对线程及其相互之间通讯的秘密有所了解。掌握了这些以后，相信在以后的开发过程中我们可以思路清晰的进行线程的使用，并且能够吸收Android在设计过程中的精华思想。
