Handler 同步屏障机制

本文摘自写给应用开发的 Android Framework 教程，完整教程请查阅 https://yuandaimaahao.github.io/AndroidFrameworkTutorialPages/，更为详细的视频教程与答疑服务，请联系微信 zzh0838

Handler 的 Messgae 种类分为三种：

• 普通消息
• 异步消息
• 屏障消息

异步消息

通常我们使用 Handler 想消息队列中添加的 Message 都是同步的，如果我们想要添加一个异步的 Message，有以下两种方式：

1. Handler 的构造方法有个 async 参数，默认的构造方法此参数是 false，只要我们在构造 handler 对象的时候，把该参数设置为 true 就可以了。

 public Handler(Callback callback, boolean async) {
       ......省略代码
        mQueue = mLooper.mQueue;
        mCallback = callback;
        mAsynchronous = async;
}

可以看到，async 设置为 true 后，对全局的 mAsynchronous 设置为 true。然后在 enqueueMessage() 方法里，调用 msg.setAsynchronous(true)，将 message 设置为异步的。

2. 在创建 Message 对象时，直接调用 Message 的 setAsynchronous() 方法

在一般情况下，异步消息和同步消息没有什么区别，但是一旦开启了同步屏障以后就有区别了。

同步屏障

一般来说，MessageQueue 里面的所有 Message 是按照时间从前往后有序排列的。

同步屏障消息就是在消息队列中插入一个屏障，在屏障之后的所有普通消息都会被挡着，不能被处理。不过异步消息却例外，屏障不会挡住异步消息，因此可以认为，屏障消息就是为了确保异步消息的优先级，设置了屏障后，只能处理其后的异步消息，同步消息会被挡住，除非撤销屏障。

同步屏障是通过 MessageQueue 的 postSyncBarrier 方法开启的。

private int postSyncBarrier(long when) {
    // Enqueue a new sync barrier token.
    // We don't need to wake the queue because the purpose of a barrier is to stall it.
    synchronized (this) {
            // 1
        final int token = mNextBarrierToken++;
        // 2
        final Message msg = Message.obtain();
        msg.markInUse();
        msg.when = when;
        msg.arg1 = token;
                // 3
                // 指向前一个Message
        Message prev = null;
        // 消息队列中的第一个Message赋值给p
        Message p = mMessages;
        if (when != 0) {
        // 4 通过p的时间和屏障的时间，确定屏障消息插入的位置
            while (p != null && p.when <= when) {
                prev = p;
                p = p.next;
            }
        }
        // 5 说明屏障消息不是插入消息队列的头部
        if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
            msg.next = p;
            prev.next = msg;
        } else {
        // 6 屏障消息在消息队列的头部
            msg.next = p;
            mMessages = msg;
        }
        return token;
    }
}

1. 获取屏障的的唯一标示，标示从 0 开始，自加 1。
2. 从 Message 消息对象池中获取一个 msg，设置 msg 为正在使用状态，并且重置 msg 的 when 和 arg1，arg1 的值设置为 token 值。但是这里并没有给tareget 赋值。所以 msg 的 target 是否为空是判断这个 msg 是否是屏障消息的标志。
3. 创建变量 pre 和 p，为下一步做准备。其中 p 被赋值为 mMessages，mMessages 指向消息队列中的第一个元素，所以此时p指向消息队列中的第一个元素。
4. 通过对队列中的第一个 Message 的 when 和屏障的 when 进行比较，决定屏障消息在整个消息队列中的位置，因为消息队列中的消息都是按时间排序的。 第五步，prev != null，代表不是消息的头部，把 msg 插入到消息队列中。 第六步，prev == null，代表是消息队列的头部，把 msg 插入消息的头部。

我们通常通过 Handler 发送消息 handler.sendMessage(),最终都会调用Handler.java 中的 enqueueMessage() 方法。

private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
    msg.target = this;
    if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}

可以看到，enqueueMessage() 方法里为 msg 设置了 target 字段。 而上面的 postSyncBarrier()，也是从 Message 消息对象池中获取一个 msg,插入到消息队列中，唯一的不同是没有设置 target 字段。所以从代码层面上讲，屏障消息就是一个 target 为空的 Message。

屏障消息的工作原理

通过 postSyncBarrier 方法屏障就被插入到消息队列中了，那么屏障是如何挡住普通消息只允许异步消息通过的呢？

我们知道 Handler 的消息处理是在 Looper.loop() 从消息队列中获取消息，并交给 Handler 处理的，其中是通过 MessageQueue 是通过 next 方法来获取消息的。查看一下 next() 的源码，

Message next() {
   // .....省略代码
    int pendingIdleHandlerCount = -1; // -1 only during first iteration
    int nextPollTimeoutMillis = 0;
    for (;;) {
        if (nextPollTimeoutMillis != 0) {
            Binder.flushPendingCommands();
        }

        nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

        synchronized (this) {
            // Try to retrieve the next message.  Return if found.
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            // 指向前一个 message
            Message prevMsg = null;
            // 初始时指向第一个 message
            Message msg = mMessages;
            // 1 msg.target == null 说明遇到消息屏障
            if (msg != null && msg.target == null) {
                    // 能进入这个if，说明此时的msg是屏障消息
                    // 循环遍历，退出循环的条件是，message到末尾了，或者
                    // msg是异步消息
                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) {
          // 将msg从消息链表中移除
                 prevMsg.next = msg.next;
              } else {
                mMessages = msg.next;
              }
            msg.next = null;
           if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
            msg.markInUse();
            // 返回msg
            return msg;
         }

从上面的代码可以看出，msg.target == null 时说明此时的 msg 是屏障消息，此时会进入到循环，遍历移动 msg 的位置，知道移动到的 msg 是异步 message 则退出循环，也就是说，循环的代码会过滤掉所有的同步消息，直到取出异步消息为止。

当设置了同步屏障之后，next 函数将会忽略所有的同步消息，返回异步消息。换句话说就是，设置了同步屏障之后，Handler 只会处理异步消息。再换句话说，同步屏障为 Handler 消息机制增加了一种简单的优先级机制，异步消息的优先级要高于同步消息。

移除同步屏障

同步屏障的移除是在 MessageQueue.java 的 removeSyncBarrier() 方法。

public void removeSyncBarrier(int token) {
    // Remove a sync barrier token from the queue.
    // If the queue is no longer stalled by a barrier then wake it.
    synchronized (this) {
        Message prev = null;
        Message p = mMessages;
        // 循环遍历，直到遇到屏障消息时推退出循环
        while (p != null && (p.target != null || p.arg1 != token)) {
            prev = p;
            p = p.next;
        }
        if (p == null) {
            throw new IllegalStateException("The specified message queue synchronization "
                    + " barrier token has not been posted or has already been removed.");
        }
        final boolean needWake;
        if (prev != null) {
        // 删除屏障消息p
            prev.next = p.next;
            needWake = false;
        } else {
            mMessages = p.next;
            needWake = mMessages == null || mMessages.target != null;
        }
        p.recycleUnchecked();

        // If the loop is quitting then it is already awake.
        // We can assume mPtr != 0 when mQuitting is false.
        if (needWake && !mQuitting) {
            nativeWake(mPtr);
        }
    }
}

removeSyncBarrier 方法需要传入一个参数 token，这个参数可以从 postSyncBarrier 添加屏障方法的返回值中获取到。

删除屏障消息的方法很简单，就是不断遍历消息队列，知道找到屏障消息，退出循环的条件有两个，一是 p.target == null，说明是屏障消息，二是 p.arg1 == token，也说明 p 是屏障消息，因为在屏障消息入队的时候，设置过 msg.arg1 = token。找到屏障消息后，把它从消息队列中删除并回收。

屏障消息用在哪里

系统把插入屏障和构造异步 Handler 这些东西标记为 @UnsupportedAppUsage，意思就是这些 API 是系统自己用的，不想让开发者调用呗。那系统是什么时候用的呢？

异步消息需要同步屏障的辅助，但同步屏障我们无法手动添加，因此了解系统何时添加和删除同步屏障是必要的。只有这样才能更好地运行异步消息这个功能，知道为什么要用和如何用。了解同步屏障需要简单了解一点屏幕刷新机制的内容。

手机屏幕刷新屏幕有不同的类型，60Hz、120Hz等。屏幕会在每次刷新的时候发出一个 Vsync 信号，通知 CPU 进行绘制计算。具体到我们代码中，可以认为是执行onMeasure、onLayout、onDraw这些方法。

View 绘制的起点是 ViewRootImpl 的 requestLayout() 开始的，这个方法会去执行上面的三大绘制任务：测量、布局、绘制。调用 requestLayout() 方法之后，并不会马上开始进行绘制任务，而是会给主线程设置一个同步屏幕，并设置Vsync信号监听。当Vsync信号的到来，会发送一个异步消息到主线程 Handler，执行我们上一步设置的绘制监听任务，并移除同步屏障。

//ViewRootImpl.java
@Override
public void requestLayout() {
    if (!mHandlingLayoutInLayoutRequest) {
        checkThread();
        mLayoutRequested = true;
        scheduleTraversals();
    }
}
void scheduleTraversals() {
    if (!mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = true;
        //插入屏障
        mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
        //监听Vsync信号，然后发送异步消息 -> 执行绘制任务
        mChoreographer.postCallback(
                Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
        if (!mUnbufferedInputDispatch) {
            scheduleConsumeBatchedInput();
        }
        notifyRendererOfFramePending();
        pokeDrawLockIfNeeded();
    }
}

在等待 Vsync 信号的时候主线程什么事都没干，这样的好处是保证在 Vsync 信号到来时，绘制任务可以被及时执行，不会造成界面卡顿。

这样的话，我们发送的普通消息可能会被延迟处理，在 Vsync 信号到了之后，移除屏障，才得以处理普通消息。改善这个问题的办法是使用异步消息，发送异步消息之后，即时是在等待 Vsync 期间也可以执行我们的任务，让我们设置的任务可以更快得被执行（如有必要才这样搞，UI绘制高于一切）且减少主线程的 Looper 压力。

参考资料

已经有很多文章写同步屏障主题了，文章摘抄自以下文章：

• Android Handler之同步屏障机制(sync barrier) (opens new window)
• Handler同步屏障 (opens new window)
• 用了这么多年的Handler，你知道还有个同步屏障的概念吗？ (opens new window)