触摸Android的心脏跳动

在Android开发中，主线程扮演着至关重要的角色。毫不夸张的说，它就相当于Android的心脏。只要它还在跳动的运行，Android应用就不会终止。

它负责处理UI事件、界面更新、以及与用户交互的各种操作。本文将深入分析Android主线程的原理、独特机制以及应用，为开发者提供全面的了解和掌握主线程的知识。

主线程的原理

Android应用的核心原则之一是单线程模型，也就是说，大多数与用户界面相关的操作都必须在主线程中执行。这一原则的背后是Android操作系统的设计，主要有以下几个原因：

UI一致性：在单线程模型下，UI操作不会被多线程竞争导致的不一致性问题，确保了用户界面的稳定性和一致性。
性能优化：单线程模型简化了线程管理，降低了多线程带来的复杂性，有助于提高应用性能。
安全性：通过将UI操作限制在主线程，可以减少因多线程竞争而引发的潜在问题，如死锁和竞争条件。

主线程的原理可以用以下伪代码表示：

public class MainThread {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化应用
        Application app = createApplication();
        
        // 创建主线程消息循环
        Looper.prepareMainLooper();
        
        // 启动主线程
        while (true) {
            Message msg = Looper.getMainLooper().getNextMessage();
            if (msg != null) {
                // 处理消息
                app.handleMessage(msg);
            }
        }
    }
}

在上述伪代码中，主线程通过消息循环（Message Loop）来不断处理消息，这些消息通常包括UI事件、定时任务等。应用的UI操作都会被封装成消息，然后由主线程依次处理。

主线程的独特机制

主线程有一些独特的机制，其中最重要的是消息队列（Message Queue）和Handler。

消息队列（Message Queue）

消息队列是主线程用来存储待处理消息的数据结构。每个消息都有一个与之相关的Handler，它负责将消息放入队列中，然后由主线程依次处理。消息队列的机制确保了消息的有序性和及时性。

public Message next() {
    final long ptr = mPtr;
    if (ptr == 0) {
        return null;
    }

    int pendingIdleHandlerCount = -1; 
    int nextPollTimeoutMillis = 0;
    for (;;) {
        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
            Binder.flushPendingCommands();
        }

        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

        synchronized (this) {
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages;
            if (msg != null && msg.target == null) {
                do {
                    prevMsg = msg;
                    msg = msg.next;
                } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
            }
            if (msg != null) {
                if (now < msg.when) {
                    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;
                    msg.markInUse();
                    return msg;
                }
            } else {
                nextPollTimeoutMillis = -1;
            }

            ...
        }

        ...
    }
}

Handler

Handler是一个与特定线程关联的对象，它可以用来发送和处理消息。在主线程中，通常使用new Handler(Looper.getMainLooper())来创建一个与主线程关联的Handler。开发者可以使用Handler来将任务提交到主线程的消息队列中。

Handler handler = new Handler(Looper.getMainLooper());
handler.post(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 在主线程执行
    }
});

同步屏障

在Android中，消息可以分为同步消息和异步消息。通常，我们发送的消息都是同步消息。
然而，有一种特殊情况，即开启同步屏障。同步屏障是一种消息机制的特性，可以阻止同步消息的处理，只允许异步消息通过。通过调用MessageQueue的postSyncBarrier()方法，可以开启同步屏障。在开启同步屏障后，发送的这条消息它的target为null。

private int postSyncBarrier(long when) {
    synchronized (this) {
        final int token = mNextBarrierToken++;
        final Message msg = Message.obtain();
        msg.markInUse();
        // 没有设置target，target为null
        msg.when = when;
        msg.arg1 = token;

        Message prev = null;
        Message p = mMessages;
        if (when != 0) {
            while (p != null && p.when <= when) {
                prev = p;
                p = p.next;
            }
        }
        if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
            msg.next = p;
            prev.next = msg;
        } else {
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
        }
        return token;
    }
}

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？
我们又可以回到之前MessageQueue中的next方法了

public Message next() {
    // 省略部分代码，只体现出来同步屏障的代码
    ...
    for (;;) {
        ...

        synchronized (this) {
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            Message prevMsg = null;
            Message msg = mMessages;
            //注意这里，开始出来同步屏障
            //如果target==null，认为它就是屏障，进行循环遍历，直到找到第一个异步的消息
            if (msg != null && msg.target == null) {
                do {
                    prevMsg = msg;
                    msg = msg.next;
                } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
            }

            ...
        }

        ...
    }
}

所以同步屏障是会让消息顺序进行调整，让其忽略现有的同步消息，来直接处理临近的异步消息。
现在听起来已经知道了同步屏障的作用，但它的实际应用又有哪些呢？

应用场景

虽然在日常应用开发中，同步屏障的使用频率较低，但在Android系统源码中，同步屏障的使用场景非常重要。一个典型的使用场景是在UI更新时，例如在View的绘制、布局调整、刷新等操作中，系统会开启同步屏障，以确保与UI相关的异步消息得到优先处理。当UI更新完成后，同步屏障会被移除，允许后续的同步消息得以处理。

对应的是ViewRootImpl#scheduleTraversals()

void scheduleTraversals() {
    if (!mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = true;
        // 设置同步屏障
        mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
        mChoreographer.postCallback(
                Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
        notifyRendererOfFramePending();
        pokeDrawLockIfNeeded();
    }
}

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

经典问题

Android 主线程的消息循环是通过 Looper 和 Handler 来实现的。以下是一段伪代码示例：

// 创建一个 Looper，关联当前线程
Looper.prepare();
Looper loop = Looper.myLooper();

// 创建一个 Handler，它将和当前 Looper 关联
Handler handler = new Handler();

// 进入消息循环
Looper.loop();

开启loop后的核心代码如下：

public static void loop() {
    final Looper me = myLooper();
    ...
    for (;;) {
        if (!loopOnce(me, ident, thresholdOverride)) {
            return;
        }
    }
}

private static boolean loopOnce(final Looper me,
        final long ident, final int thresholdOverride) {
    // 注意没消息会被阻塞，进入休眠状态
    Message msg = me.mQueue.next(); // might block
    if (msg == null) {
        // No message indicates that the message queue is quitting.
        return false;
    }

    ...
    
    try {
        msg.target.dispatchMessage(msg);
        if (observer != null) {
            observer.messageDispatched(token, msg);
        }
        dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
    } catch (Exception exception) {
        if (observer != null) {
            observer.dispatchingThrewException(token, msg, exception);
        }
        throw exception;
    } finally {
        ThreadLocalWorkSource.restore(origWorkSource);
        if (traceTag != 0) {
            Trace.traceEnd(traceTag);
        }
    }
    ...
    msg.recycleUnchecked();

    return true;
}

在这段示例中，主线程的消息循环被启动，它会等待来自消息队列的消息。有了这个基础下面的问题就简单了：

为什么主线程不会陷入无限循环？

主线程的消息循环不会陷入无限循环，因为它不断地从消息队列中获取消息并处理它们。如果没有消息要处理，消息循环会进入休眠状态，不会持续消耗 CPU 资源。只有在有新消息到达时，主线程才会被唤醒来处理这些消息。这个机制确保主线程能够响应用户的操作，而不陷入死循环。
如果没有消息，主线程会如何处理？

如果消息队列为空，主线程的消息循环会等待，直到有新消息到达。在等待期间，它不会执行任何操作，也不会陷入循环。这是因为 Android 的消息循环是基于事件驱动的，只有当有事件（消息）到达时，才会触发主线程执行相应的处理代码。当新消息被投递到消息队列后，主线程会被唤醒，执行相应的处理操作，然后再次进入等待状态。

这种事件驱动的消息循环机制使得 Android 应用能够高效地管理用户交互和异步操作，同时保持了响应性和低能耗。所以，主线程不会陷入无限循环，而是在需要处理事件时才会执行相应的代码。

结论

Android主线程是应用的核心，负责处理UI事件、界面更新和定时任务等。了解主线程的原理和独特机制是Android开发的关键，它有助于确保应用的稳定性和性能。通过消息队列和Handler，开发者可以在主线程中安全地处理各种任务，提供流畅的用户体验。