本节书摘来华章计算机出版社《深入理解Android：卷III A》一书中的第2章，第2.3节，作者：张大伟 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。1
卷I第5章介绍过，MessageQueue类封装了与消息队列有关的操作。在一个以消息驱动的系统中，最重要的两部分就是消息队列和消息处理循环。在Andrid 2.3以前，只有Java世界的居民有资格向MessageQueue中添加消息以驱动Java世界的正常运转，但从Android 2.3开始，MessageQueue的核心部分下移至Native层，让Native世界的居民也能利用消息循环来处理他们所在世界的事情。因此现在的MessageQueue心系Native和Java两界。2.3.1MessageQueue的创建现在来分析MessageQueue是如何跨界工作的，其代码如下：[MessageQueue.java-->MessageQueue.MessageQueue()]MessageQueue() {
nativeInit(); //构造函数调用nativeInit，该函数由Native层实现}nativeInit()方法的真正实现为android_os_MessageQueue_nativeInit()函数，其代码如下：[android_os_MessageQueue.cpp-->android_os_MessageQueue_nativeInit()]static void android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jobject obj) {
// NativeMessageQueue是MessageQueue在Native层的代表 NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = new NativeMessageQueue(); ...... // 将这个NativeMessageQueue对象设置到Java层保存 android_os_MessageQueue_setNativeMessageQueue(env, obj, nativeMessageQueue);}nativeInit函数在Native层创建了一个与MessageQueue对应的NativeMessageQueue对象，其构造函数如下：[android_os_MessageQueue.cpp-->NativeMessageQueue::NativeMessageQueue()]NativeMessageQueue::NativeMessageQueue() {
/* 代表消息循环的Looper也在Native层中呈现身影了。根据消息驱动的知识，一个线程会有一个 Looper来循环处理消息队列中的消息。下面一行的调用就是取得保存在线程本地存储空间 （Thread Local Storage）中的Looper对象 */ mLooper = Looper::getForThread(); if (mLooper == NULL) { /* 如果是第一次进来，则该线程没有设置本地存储，所以需要先创建一个Looper，然后再将其保 存到TLS中，这是很常见的一种以线程为单位的单例模式 */ mLooper = new Looper(false); Looper::setForThread(mLooper); }}Native的Looper是Native世界中参与消息循环的一位重要角色。虽然它的类名和Java层的Looper类一样，但此二者其实并无任何关系。这一点以后还将详细分析。2.3.2提取消息当一切准备就绪后，Java层的消息循环处理，也就是Looper会在一个循环中提取并处理消息。消息的提取就是调用MessageQueue的next()方法。当消息队列为空时，next就会阻塞。MessageQueue同时支持Java层和Native层的事件，那么其next()方法该怎么实现呢？具体代码如下：[MessagQueue.java-->MessageQueue.next()]final Message next() {
int pendingIdleHandlerCount = -1; int nextPollTimeoutMillis = 0; for (;;) { ...... // mPtr保存了NativeMessageQueue的指针，调用nativePollOnce进行等待 nativePollOnce(mPtr, nextPollTimeoutMillis); synchronized (this) { final long now = SystemClock.uptimeMillis(); // mMessages用来存储消息，这里从其中取一个消息进行处理 final Message msg = mMessages; if (msg != null) { final long when = msg.when; if (now >= when) { mBlocked = false; mMessages = msg.next; msg.next = null; msg.markInUse(); return msg; // 返回一个Message用于给Looper进行派发和处理 } else { nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(when - now, Integer.MAX_VALUE); } } else { nextPollTimeoutMillis = -1; } ...... /* 处理注册的IdleHandler，当MessageQueue中没有Message时， Looper会调用IdleHandler做一些工作，例如做垃圾回收等 */ ...... pendingIdleHandlerCount = 0; nextPollTimeoutMillis = 0; } }}看到这里，可能会有人觉得这个MessageQueue很简单，不就是从以前在Java层的wait变成现在Native层的wait了吗？但是事情本质比表象要复杂得多。请思考下面的情况：在nativePollOnce()返回后，next()方法将从mMessages中提取一个消息。也就是说，要让nativePollOnce()返回，至少要添加一个消息到消息队列，否则nativePollOnce()不过是做了一次无用功罢了。如果nativePollOnce()将在Native层等待，就表明Native层也可以投递Message，但是从Message类的实现代码上看，该类和Native层没有建立任何关系。那么nativePollOnce()在等待什么呢？对于上面的问题，相信有些读者心中已有了答案：nativePollOnce()不仅在等待Java层来的Message，实际上在Native层还做了大量工作。下面我们来分析Java层投递Message并触发nativePollOnce工作的正常流程。
在Java层投递MessageMessageQueue的enqueueMessage函数完成将一个Message投递到MessageQueue中的工作，其代码如下：[MesssageQueue.java-->MessageQueue.enqueueMessage()]final boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
...... final boolean needWake; synchronized (this) { if (mQuiting) { return false; } else if (msg.target == null) { mQuiting = true; } msg.when = when; Message p = mMessages; if (p == null || when == 0 || when < p.when) { /* 如果p为空，表明消息队列中没有消息，那么msg将是第一个消息，needWake需要根据mBlocked 的情况考虑是否触发 */ msg.next = p; mMessages = msg; needWake = mBlocked; } else { // 如果p不为空，表明消息队列中还有剩余消息，需要将新的msg加到消息尾 Message prev = null; while (p != null && p.when <= when) { prev = p; p = p.next; } msg.next = prev.next; prev.next = msg; // 因为消息队列之前还剩余有消息，所以这里不用调用nativeWakeup needWake = false; } } if (needWake) { // 调用nativeWake，以触发nativePollOnce函数结束等待 nativeWake(mPtr); } return true;}上面的代码比较简单，主要功能是：将message按执行时间排序，并加入消息队列。根据情况调用nativeWake函数，以触发nativePollOnce函数，结束等待。虽然代码简单，但是对于那些不熟悉多线程的读者，还是要细细品味一下mBlocked值的作用。我们常说细节体现美，代码也一样，这个小小的mBlocked正是如此。
nativeWake函数分析nativeWake函数的代码如下所示：[android_os_MessageQueue.cpp-->android_os_MessageQueue_nativeWake()]static void android_os_MessageQueue_nativeWake(JNIEnv* env, jobject obj,
jint ptr){
NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = // 取出NativeMessageQueue对象 reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr); return nativeMessageQueue->wake(); // 调用它的wake函数}[android_os_MessageQueue.cpp-->NativeMessageQueue::wake()]void NativeMessageQueue::wake() {
mLooper->wake(); // 层层调用，现在转到mLooper的wake函数}Native Looper的wake函数代码如下：[Looper.cpp-->Looper::wake()]void Looper::wake() {
ssize_t nWrite; do { // 向管道的写端写入一个字符 nWrite = write(mWakeWritePipeFd, "W", 1); } while (nWrite == -1 && errno == EINTR);}Wake()函数则更为简单，仅仅向管道的写端写入一个字符“W”，这样管道的读端就会因为有数据可读而从等待状态中醒来。2.3.3nativePollOnce函数分析nativePollOnce()的实现函数是android_os_MessageQueue_nativePollOnce，代码如下：[android_os_MessageQueue.cpp-->android_os_MessageQueue_nativePollOnce()]static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env, jobject obj,
jint ptr, jint timeoutMillis) NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr); // 取出NativeMessageQueue对象，并调用它的pollOnce nativeMessageQueue->pollOnce(timeoutMillis);}分析pollOnce函数：[android_os_MessageQueue.cpp-->NativeMessageQueue::pollOnece()]void NativeMessageQueue::pollOnce(int timeoutMillis) {
mLooper->pollOnce(timeoutMillis); // pollOnce()操作被传递到Looper的pollOnce函数}Looper的pollOnce函数如下：[Looper.cpp-->Looper::pollOnce()]inline int pollOnce(int timeoutMillis) {
return pollOnce(timeoutMillis, NULL, NULL, NULL);}上面的函数将调用另外一个有4个参数的pollOnce函数，这个函数的原型如下：int pollOnce(int timeoutMillis, int outFd, int outEvents, void** outData)其中：timeOutMillis参数为超时等待时间。如果为-1，则表示无限等待，直到有事件发生为止。如果值为0，则无须等待立即返回。outFd用来存储发生事件的那个文件描述符。outEvents用来存储在该文件描述符1上发生了哪些事件，目前支持可读、可写、错误和中断4个事件。这4个事件其实是从epoll事件转化而来。后面我们会介绍大名鼎鼎的epoll。outData用于存储上下文数据，这个上下文数据是由用户在添加监听句柄时传递的，它的作用和pthread_create函数最后一个参数param一样，用来传递用户自定义的数据。另外，pollOnce函数的返回值也具有特殊的意义，具体如下：当返回值为ALOOPER_POLL_WAKE时，表示这次返回是由wake函数触发的，也就是管道写端的那次写事件触发的。返回值为ALOOPER_POLL_TIMEOUT表示等待超时。返回值为ALOOPER_POLL_ERROR，表示等待过程中发生错误。返回值为ALOOPER_POLL_CALLBACK，表示某个被监听的句柄因某种原因被触发。这时，outFd参数用于存储发生事件的文件句柄，outEvents用于存储所发生的事件。上面这些知识是和epoll息息相关的。查看Looper的代码会发现，Looper采用了编译选项（即#if和#else）来控制是否使用epoll作为I/O复用的控制中枢。鉴于现在大多数系统都支持epoll，这里仅讨论使用epoll的情况。
epoll基础知识介绍epoll机制提供了Linux平台上最高效的I/O复用机制，因此有必要介绍一下它的基础知识。从调用方法上看，epoll的用法和select/poll非常类似，其主要作用就是I/O复用，即在一个地方等待多个文件句柄的I/O事件。下面通过一个简单例子来分析epoll的工作流程。/* ① 使用epoll前，需要先通过epoll_create函数创建一个epoll句柄。 下面一行代码中的10表示该epoll句柄初次创建时候分配能容纳10个fd相关信息的缓存。 对于2.6.8版本以后的内核，该值没有实际作用，这里可以忽略。其实这个值的主要目的是确定分配一块多 大的缓存。现在的内核都支持动态拓展这块缓存，所以该值就没有意义了 */ int epollHandle = epoll_create(10);
/* ② 得到epoll句柄后，下一步就是通过epoll_ctl把需要监听的文件句柄加入epoll句柄中。除了 指定文件句柄本身的fd值外，同时还需要指定在该fd上等待什么事件。epoll支持4类事件，分别是 EPOLLIN(句柄可读)、EPOLLOUT(句柄可写)、EPOLLERR(句柄错误)和EPOLLHUP(句柄断)。 epoll定义了一个结构体struct epoll_event来表达监听句柄的诉求。假设现在有一个监听端的socket 句柄listener，要把它加入epoll句柄中 */struct epoll_event listenEvent; //先定义一个event
/* EPOLLIN表示可读事件,EPOLLOUT表示可写事件，另外还有EPOLLERR,EPOLLHUP表示系统默认会将 EPOLLERR加入事件集合中 */listenEvent.events = EPOLLIN;// 指定该句柄的可读事件
// epoll_event中有一个联合体叫data，用来存储上下文数据，本例的上下文数据就是句柄自己listenEvent. data.fd = listenEvent;
/* ③ EPOLL_CTL_ADD将监听fd和监听事件加入epoll句柄的等待队列中；
EPOLL_CTL_DEL将监听fd从epoll句柄中移除； EPOLL_CTL_MOD修改监听fd的监听事件，例如本来只等待可读事件，现在需要同时等待可写事件，那么 修改listenEvent.events 为EPOLLIN|EPOLLOUT后，再传给epoll句柄 */epoll_ctl(epollHandle,EPOLL_CTL_ADD, listener,&listenEvent);
/* 当把所有感兴趣的fd都加入epoll句柄后，就可以开始坐等感兴趣的事情发生了。为了接收所发生的事 情，先定义一个epoll_event数组 */struct epoll_event resultEvents[10];
int timeout = -1;while(1) {
/* ④ 调用epoll_wait用于等待事件。其中timeout可以指定一个超时时间，resultEvents用于接收 发生的事件，10为该数组的大小。 epoll_wait函数的返回值有如下含义： nfds大于0表示所监听的句柄上有事件发生； nfds等于0表示等待超时； nfds小于0表示等待过程中发生了错误 */ int nfds = epoll_wait(epollHandle, resultEvents, 10, timeout); if(nfds == -1) { // epoll_wait发生了错误 } else if(nfds == 0) { //发生超时，期间没有发生任何事件 } else { // ⑤ resultEvents用于返回那些发生了事件的信息 for(int i = 0; i < nfds; i++) { struct epoll_event & event = resultEvents[i]; if(event & EPOLLIN) { /* ⑥ 收到可读事件。到底是哪个文件句柄发生该事件呢？可通过event.data这个联合体取 得之前传递给epoll的上下文数据，该上下文信息可用于判断到底是谁发生了事件 */ ...... } .......//其他处理 } }}epoll整体使用流程如上面代码所示，基本和select/poll类似，不过作为Linux平台最高效的I/O复用机制，这里有些内容供读者参考。epoll的效率为什么会比select高？其中一个原因是调用方法。每次调用select时，都需要把感兴趣的事件复制到内核中，而epoll只在epll_ctl进行加入的时候复制一次。另外，epoll内部用于保存事件的数据结构使用的是红黑树，查找速度很快。而select采用数组保存信息，不但一次能等待的句柄个数有限，并且查找起来速度很慢。当然，在只等待少量文件句柄时，select和epoll效率相差不是很多，但还是推荐使用epoll。epoll等待的事件有两种触发条件，一个是水平触发（EPOLLLEVEL），另外一个是边缘触发（EPOLLET，ET为Edge Trigger之意），这两种触发条件的区别非常重要。读者可通过man epoll查阅系统提供的更为详细的epoll机制。最后，关于pipe，还想提出一个小问题供读者思考讨论：为什么Android中使用pipe作为线程间通信的方式？对于pipe的写端写入的数据，读端都不感兴趣，只是为了简单唤醒。POSIX不是也有线程间同步函数吗？为什么要用pipe呢？关于这个问题的答案，可参见邓凡平的一篇博文《随笔之如何实现一个线程池》。网址为http://www.cnblogs.com/innost/archive/2011/11/24/2261454.html。
pollOnce()函数分析下面分析带4个参数的pollOnce()函数，代码如下：[Looper.cpp-->Looper::pollOnce()]int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int outFd, int outEvents, void** outData) {
int result = 0; for (;;) { // 一个无限循环 // mResponses是一个Vector，这里首先需要处理response while (mResponseIndex < mResponses.size()) { const Response& response = mResponses.itemAt(mResponseIndex++); ALooper_callbackFunc callback = response.request.callback; if (!callback) {// 首先处理那些没有callback的Response int ident = response.request.ident; // ident是这个Response的id int fd = response.request.fd; int events = response.events; void* data = response.request.data; ...... if (outFd != NULL) *outFd = fd; if (outEvents != NULL) *outEvents = events; if (outData != NULL) *outData = data; /* 实际上，对于没有callback的Response，pollOnce只是返回它的ident，实际 并没有做什么处理。因为没有callback，所以系统也不知道如何处理 */ return ident; } } if (result != 0) { if (outFd != NULL) *outFd = 0; if (outEvents != NULL) *outEvents = NULL; if (outData != NULL) *outData = NULL; return result; } // 调用pollInner函数。注意，它在for循环内部 result = pollInner(timeoutMillis); }}初看上面的代码，可能会让人有些丈二和尚摸不着头脑。但是把pollInner()函数分析完毕，大家就会明白很多。pollInner()函数非常长，把用于调试和统计的代码去掉，结果如下：[Looper.cpp-->Looper::pollInner()]int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {
if (timeoutMillis != 0 && mNextMessageUptime != LLONG_MAX) { nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC); ......//根据Native Message的信息计算此次需要等待的时间 timeoutMillis = messageTimeoutMillis; } int result = ALOOPER_POLL_WAKE; mResponses.clear(); mResponseIndex = 0;Done: ;
}看完代码了，是否还有点模糊？那么，回顾一下pollInner函数的几个关键点：首先需要计算一下真正需要等待的时间。调用epoll_wait函数等待。epoll_wait函数返回，这时候可能有三种情况：发生错误，则跳转到Done处。超时，这时候也跳转到Done处。epoll_wait监测到某些文件句柄上有事件发生。假设epoll_wait因为文件句柄有事件而返回，此时需要根据文件句柄来分别处理：如果是管道读端有事件，则认为是控制命令，可以直接读取管道中的数据。如果是其他fd发生事件，则根据Request构造Response，并push到Response数组中。真正开始处理事件是在有Done标志的位置。首先处理Native的Message。调用Native Handler的handleMessage处理该Message。处理Response数组中那些带有callback的事件。上面的处理流程还是比较清晰的，但还是有一个拦路虎，那就是mRequests，下面就来清剿这个拦路虎。
添加监控请求添加监控请求其实就是调用epoll_ctl增加文件句柄。下面通过从Native的Activity找到的一个例子来分析mRequests。[android_app_NativeActivity.cpp-->loadNativeCode_native()]static jintloadNativeCode_native(JNIEnv* env, jobject clazz, jstring path,
jstring funcName,jobject messageQueue, jstring internalDataDir, jstring obbDir, jstring externalDataDir, int sdkVersion, jobject jAssetMgr, jbyteArray savedState){
...... /* 调用Looper的addFd函数。第一个参数表示监听的fd；第二个参数0表示ident；第三个参数表示 需要监听的事件，这里为只监听可读事件；第四个参数为回调函数，当该fd发生指定事件时，looper 将回调该函数；第五个参数code为回调函数的参数 */ code->looper->addFd(code->mainWorkRead, 0, ALOOPER_EVENT_INPUT, mainWorkCallback, code);......}Looper的addFd()代码如下所示：[Looper.cpp-->Looper::addFd()]int Looper::addFd(int fd, int ident, int events,
ALooper_callbackFunc callback, void* data) { if (! callback) { /* 判断该Looper是否支持不带回调函数的文件句柄添加。一般不支持，因为没有回调函数, Looper也不知道如何处理该文件句柄上发生的事情 */ if (! mAllowNonCallbacks) { return -1; } ...... }}
处理监控请求我们发现在pollInner()函数中，当某个监控fd上发生事件后，就会把对应的Request取出来调用。pushResponse(events, mRequests.itemAt(i));此函数如下：[Looper.cpp-->Looper::pushResponse()]void Looper::pushResponse(int events, const Request& request) {
Response response; response.events = events; response.request = request; //其实很简单，就是保存所发生的事情和对应的Request mResponses.push(response); //然后保存到mResponse数组}根据前面的知识可知，并不是单独处理Request，而是需要先收集Request，等到Native Message消息处理完之后再做处理。这表明，在处理逻辑上，Native Message的优先级高于监控fd的优先级。下面来了解如何添加Native的Message。
Native的sendMessageAndroid 2.2中只有Java层才可以通过sendMessage()往MessageQueue中添加消息，从4.0开始，Native层也支持sendMessage()。sendMessage()的代码如下：[Looper.cpp-->Looper::sendMessage()]void Looper::sendMessage(const sp& handler,
const Message& message) { //Native的sendMessage函数必须同时传递一个Handler nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC); sendMessageAtTime(now, handler, message); //调用sendMessageAtTime}[Looper.java-->Looper::sendMessageAtTime()]void Looper::sendMessageAtTime(nsecs_t uptime,
const sp<MessageHandler>& handler, const Message& message) {size_t i = 0;
{ AutoMutex _l(mLock); size_t messageCount = mMessageEnvelopes.size(); // 按时间排序，将消息插入正确的位置 while (i < messageCount && uptime >= mMessageEnvelopes.itemAt(i).uptime) { i += 1; } MessageEnvelope messageEnvelope(uptime, handler, message); mMessageEnvelopes.insertAt(messageEnvelope, i, 1); // mSendingMessage和Java层中的那个mBlocked一样，是一个小小的优化措施 if (mSendingMessage) { return; } } // 唤醒epoll_wait，让它处理消息 if (i == 0) { wake(); }}2.3.4MessageQueue总结想不到，一个小小的MessageQueue竟然有如此多的内容。在后面分析Android输入系统时，会再次在Native层和MessageQueue碰面，这里仅是为后面的相会打下一定的基础。现在将站在一个比具体代码更高的层次来认识一下MessageQueue及其伙伴。
消息处理的大家族合照MessageQueue只是消息处理大家族的一员，该家族的成员合照如图2-5所示。结合前述内容可从图2-5中得到：Java层提供了Looper类和MessageQueue类，其中Looper类提供循环处理消息的机制，MessageQueue类提供一个消息队列，以及插入、删除和提取消息的函数接口。另外，Handler也是在Java层常用的与消息处理相关的类。
图 2-5消息处理的家族合照MessageQueue内部通过mPtr变量保存一个Native层的NativeMessageQueue对象，mMessages保存来自Java层的Message消息。NativeMessageQueue保存一个Native层的Looper对象，该Looper从ALooper派生，提供pollOnce和addFd等函数。Java层有Message类和Handler类，而Native层对应也有Message类和MessageHandler抽象类。在编码时，一般使用的是MessageHandler的派生类WeakMessageHandler。在include/media/stagfright/foundation目录下也定义了一个ALooper类，它是供stagefright使用的类似Java消息循环的一套基础类。这种同名类的产生，估计是两个事先未做交流的团队的人编写的。
MessageQueue处理流程总结MessageQueue核心逻辑下移到Native层后，极大地拓展了消息处理的范围，总结后有以下几点：MessageQueue继续支持来自Java层的Message消息，也就是早期的Message加Handler的处理方式。MessageQueue在Native层的代表NativeMessageQueue支持来自Native层的Message，是通过Native层的Message和MessageHandler来处理的。NativeMessageQueue还处理通过addFd添加的Request。在后面分析输入系统时，还会大量碰到这种方式。从处理逻辑上看，先是Native的Message，然后是Native的Request，最后才是Java的Message。
