AsyncTask陷阱之:Handler,Looper与MessageQueue的详解

AsyncTask的隐蔽陷阱
先来看一个实例
这个例子很简单，展示了AsyncTask的一种极端用法，挺怪的。


代码如下:

public class AsyncTaskTrapActivity extends Activity {
    private SimpleAsyncTask asynctask;
    private Looper myLooper;
    private TextView status;

@Override
    public void onCreate(Bundle icicle) {
        super.onCreate(icicle);
        asynctask = null;
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Looper.prepare();
                myLooper = Looper.myLooper();
                status = new TextView(getApplication());
                asynctask = new SimpleAsyncTask(status);
                Looper.loop();
            }
        }).start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        LayoutParams params = new LayoutParams(LayoutParams.FILL_PARENT, LayoutParams.FILL_PARENT);
        setContentView((TextView) status, params);
        asynctask.execute();
    }

@Override
    public void onDestroy() {
        super.onDestroy();
        myLooper.quit();
    }

private class SimpleAsyncTask extends AsyncTask<Void, Integer, Void> {
        private TextView mStatusPanel;

public SimpleAsyncTask(TextView text) {
            mStatusPanel = text;
        }

@Override
        protected Void doInBackground(Void... params) {
            int prog = 1;
            while (prog < 101) {
                SystemClock.sleep(1000);
                publishProgress(prog);
                prog++;
            }
            return null;
        }

// Not Okay, will crash, said it cannot touch TextView
        @Override
        protected void onPostExecute(Void result) {
            mStatusPanel.setText("Welcome back.");
        }

// Okay, because it is called in #execute() which is called in Main thread, so it runs in Main Thread.
        @Override
        protected void onPreExecute() {
            mStatusPanel.setText("Before we go, let me tell you something buried in my heart for years...");
        }

// Not okay, will crash, said it cannot touch TextView
        @Override
        protected void onProgressUpdate(Integer... values) {
            mStatusPanel.setText("On our way..." + values[0].toString());
        }
    }
}

这个例子在Android2.3中无法正常运行，在执行onProgressUpdate()和onPostExecute()时会报出异常

代码如下:

11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762): FATAL EXCEPTION: Thread-10
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762): android.view.ViewRoot$CalledFromWrongThreadException: Only the original thread that created a view hierarchy can touch its views.
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.view.ViewRoot.checkThread(ViewRoot.java:2990)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.view.ViewRoot.requestLayout(ViewRoot.java:670)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.view.View.requestLayout(View.java:8316)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.view.View.requestLayout(View.java:8316)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.view.View.requestLayout(View.java:8316)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.view.View.requestLayout(View.java:8316)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.widget.TextView.checkForRelayout(TextView.java:6477)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.widget.TextView.setText(TextView.java:3220)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.widget.TextView.setText(TextView.java:3085)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.widget.TextView.setText(TextView.java:3060)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at com.hilton.effectiveandroid.os.AsyncTaskTrapActivity$SimpleAsyncTask.onProgressUpdate(AsyncTaskTrapActivity.java:110)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at com.hilton.effectiveandroid.os.AsyncTaskTrapActivity$SimpleAsyncTask.onProgressUpdate(AsyncTaskTrapActivity.java:1)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.os.AsyncTask$InternalHandler.handleMessage(AsyncTask.java:466)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.os.Handler.dispatchMessage(Handler.java:130)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at android.os.Looper.loop(Looper.java:351)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at com.hilton.effectiveandroid.os.AsyncTaskTrapActivity$1.run(AsyncTaskTrapActivity.java:56)
11-03 09:13:10.501: E/AndroidRuntime(762):  at java.lang.Thread.run(Thread.java:1050)
11-03 09:13:32.823: E/dalvikvm(762): [DVM] mmap return base = 4585e000

但在Android4.0及以上的版本中运行就正常（3.0版本未测试）。

从2.3运行时的Stacktrace来看原因是在非UI线程中操作了UI组件。不对呀，神奇啊，AsyncTask#onProgressUpdate()和AsyncTask#onPostExecute()的文档明明写着这二个回调是在UI线程里面的嘛，怎么还会报出这样的异常呢！
原因分析
AsyncTask设计出来执行异步任务却又能与主线程通讯，它的内部有一个InternalHandler是继承自Handler的静态成员sHandler，这个sHandler就是用来与主线程通讯的。看下这个对象的声明：private static final InternalHandler sHandler = new InternalHandler();而InternalHandler又是继承自Handler的。所以本质上讲sHandler就是一个Handler对象。Handler是用来与线程通讯用的，它必须与Looper和线程绑定一起使用，创建Handler时必须指定Looper，如果不指定Looper对象则使用调用栈所在的线程，如果调用栈线程没有Looper会报出异常。看来这个sHandler是与调用new InternalHandler()的线程所绑定，它又是静态私有的，也就是与第一次创建AsyncTask对象的线程绑定。所以，如果是在主线程中创建的AsyncTask对象，那么其sHandler就与主线程绑定，这是正常的情况。在此例子中AsyncTask是在衍生线程里创建的，所以其sHandler就与衍生线程绑定，因此，它自然不能操作UI元素，会在onProgressUpdate()和onPostExecute()中抛出异常。

以上例子有异常的原因就是在衍生线程中创建了SimpleAsyncTask对象。至于为什么在4.0版本上没有问题，是因为4.0中在ActivityThread.main()方法中，会进行BindApplication的动作，这时会用AsyncTask对象，也会创建sHandler对象，这是主线程所以sHandler是与主线程绑定的。后面再创建AsyncTask对象时，因为sHandler已经初始化完了，不会再次初始化。至于什么是BindApplication，为什么会进行BindApplication的动作不影响这个问题的讨论。
AsyncTask的缺陷及修改方法
这其实是AsyncTask的隐藏的Bug，它不应该这么依赖开发者，应该强加条件限制，以保证第一次AsyncTask对象是在主线程中创建：
1. 在InternalHandler的构造中检查当前线程是否为主线程，然后抛出异常，显然这并不是最佳实践。


代码如下:

new InternalHandler() {

代码如下:

if (Looper.myLooper() != Looper.getMainLooper()) {
  throw new RuntimeException("AsyncTask must be initialized in main thread");
     }

代码如下:

11-03 08:56:07.055: E/AndroidRuntime(890): FATAL EXCEPTION: Thread-10
11-03 08:56:07.055: E/AndroidRuntime(890): java.lang.ExceptionInInitializerError
11-03 08:56:07.055: E/AndroidRuntime(890):  at com.hilton.effectiveandroid.os.AsyncTaskTrapActivity$1.run(AsyncTaskTrapActivity.java:55)
11-03 08:56:07.055: E/AndroidRuntime(890):  at java.lang.Thread.run(Thread.java:1050)
11-03 08:56:07.055: E/AndroidRuntime(890): Caused by: java.lang.RuntimeException: AsyncTask must be initialized in main thread
11-03 08:56:07.055: E/AndroidRuntime(890):  at android.os.AsyncTask$InternalHandler.<init>(AsyncTask.java:455)
11-03 08:56:07.055: E/AndroidRuntime(890):  at android.os.AsyncTask.<clinit>(AsyncTask.java:183)
11-03 08:56:07.055: E/AndroidRuntime(890):  ... 2 more

2. 更好的做法是在InternalHandler构造时把主线程的MainLooper传给


代码如下:

new IntentHandler() {
     super(Looper.getMainLooper());
 }

会有人这样写吗，你会问？通常情况是不会的，没有人会故意在衍生线程中创建AsyncTask。但是假如有一个叫Worker的类，用来完成异步任务从网络上下载图片，然后显示，还有一个WorkerScheduler来分配任务，WorkerScheduler也是运行在单独线程中，Worker用AsyncTask来实现，WorkScheduler会在接收到请求时创建Worker去完成请求，这时就会出现在WorkerScheduler线程中---衍生线程---创建AsyncTask对象。这种Bug极其隐蔽，很难发现。
如何限制调用者的线程
正常情况下一个Java应用一个进程，且有一个线程，入口即是main方法。安卓应用程序本质上也是Java应用程序，它的主入口在ActivityThread.main()，在main()方法中会调用Looper.prepareMainLooper()，这就初始化了主线程的Looper，且Looper中保存有主线程的Looper对象mMainLooper，它也提供了方法来获取主线程的Looper，getMainLooper()。所以如果需要创建一个与主线程绑定的Handler，就可以用new Handler(Looper.getMainLooper())来保证它确实与主线程绑定。
如果想要保证某些方法仅能在主线程中调用就可以检查调用者的Looper对象：


代码如下:

if (Looper.myLooper() != Looper.getMainLooper()) {
    throw new RuntimeException("This method can only be called in main thread");
 }

Handler，Looper，MessageQueue机制
线程与线程间的交互协作
线程与线程之间虽然共享内存空间，也即可以访问进程的堆空间，但是线程有自己的栈，运行在一个线程中的方法调用全部都是在线程自己的调用栈中。通俗来讲西线程就是一个run()方法及其内部所调用的方法。这里面的所有方法调用都是独立于其他线程的，由于方法调用的关系，一个方法调用另外的方法，那么另外的方法也发生在调用者的线程里。所以，线程是时序上的概念，本质上是一列方法调用。
那么线程之间要想协作，或者想改变某个方法所在的线程（为了不阻塞自己线程），就只能是向另外一个线程发送一个消息，然后return；另外线程收到消息后就去执行某些操作。如果是简单的操作可以用一个变量来标识，比如A线程主需要B线程做某些事时，可以把某个对象obj设置值，B则当看到obj != null时就去做事，这种线程交互协作在《Java编程思想》中有大量示例。
Android中的ITC-Inter Thread Communication
注意：当然Handler也可以用做一个线程内部的消息循环，不必非与另外的线程通信，但这里重点讨论的是线程与线程之间的事情。

Android当中做了一个特别的限制就是非主线程不能操作UI元素，而一个应用程序是不可能不创衍生线程的，这样一来主线程与衍生线程之间就必须进行通信。由于这种通信很频繁，所以不可能全用变量来标识，程序将变得十分混乱。这个时候消息队列就变得有十分有必要，也就是在每个线程中建立一个消息队列。当A需要B时，A向B发一个消息，此过程实质为把消息加入到B的消息队列中，A就此return，B并不专门等待某个消息，而是循环的查看其消息队列，看到有消息后就去执行。

整套ITC的基本思想是：定义一个消息对象，把需要的数据放入其中，把消息的处理的方法也定义好作为回调放到消息中，然后把这个消息发送另一个线程上；另外的线程在循环处理其队列里的消息，看到消息时就对消息调用附在其上的回调来处理消息。这样一来可以看出，这仅仅是改变了处理消息的执行时序：正常是当场处理，这种则是封装成一个消息丢给另外的线程，在某个不确定的时间被执行；另外的线程也仅提供CPU时序，对于消息是什么和消息如何处理它完全不干预。简言之就是把一个方法放到另外一个线程里去调用，进而这个方法的调用者的调用栈(call stack)结束，这个方法的调用栈转移到了另外的线程中。
那么这个机制改变的到底是什么呢？从上面看它仅是让一个方法（消息的处理）安排到了另外一个线程里去做（异步处理），不是立刻马上同步的做，它改变的是CPU的执行时序(execution sequence)。
那么消息队列存放在哪里呢？不能放在堆空间里(直接new MessageQueue())，这样的话对象的引用容易丢失，针对线程来讲也不易维护。Java支持线程的本地存储ThreadLocal，通过ThreadLocal对象可以把对象放到线程的空间上，每个线程都有了属于自己的对象。因此，可以为每个需要通信的线程创建一个消息队列并放到其本地存储中。
基于这个模型还可以扩展，比如给消息定义优先级等。

MessageQueue
以队列的方式来存储消息，主要是二个操作一个是入列enqueueMessage，一个是出列next()，需要保证的是线程安全，因为入列通常是另外的线程在调用。
MessageQueue是一个十分接近底层的机制，所以不方便开发者直接使用，要想使用此MessageQueue必须做二个方面工作，一个是目标线程端：创建，与线程关联，运转起来；另一个就是队列线程的客户端：创建消息，定义回调处理，发送消息到队列。Looper和Handler就是对MessageQueue的封装：Looper是给目标线程用的：用途是创建MessageQueue，将MessageQueue与线程关联起来，并让MessageQueue运转起来，且Looper有保护机制，让一个线程仅能创建一个MessageQueue对象；而Handler则是给队列客户端用的：用来创建消息，定义回调和发送消息。
因为Looper对象封装了目标队列线程及其队列，所以对队列线程的客户端来讲，Looper对象就代表着一个拥有MessageQueue的线程，和这个线程的MessageQueue。也即当你构建Handler对象时用的是Looper对象，而当你检验某个线程是否是预期线程时也用Looper对象。
Looper内幕
Looper的任务是创建消息队列MessageQueue，放到线程的ThreadLocal中（与线程关联），并且让MessageQueue运转起来，处于Ready的状态，并要提供供接口以停止消息循环。它主要有四个接口：
•public static void Looper.prepare()
这个方法是为线程创建一个Looper对象和MessageQueue对象，并把Looper对象通过ThreadLocal放到线程空间里去。需要注意的是这个方法每个线程只能调用一次，通常的做法是在线程run()方法的第一句，但只要保证在loop()前面即可。
•public static void Looper.loop()
这个方法要在prepare()这后调用，是让线程的MessageQueue运转起来，一旦调用此方法，线程便会无限循环下去(while (true){...})，无Message时休眠，有Message入队时唤醒处理，直到quit()调用为止。它的简化实现就是：


代码如下:

loop() {
   while (true) {
      Message msg = mQueue.next();
      if msg is a quit message, then
         return;
      msg.processMessage(msg)
   }
}

•public void Looper.quit()
让线程结束MessageQueue的循环，终止循环，run()方法会结束，线程也会停止，因此它是对象的方法，意即终止某个Looper对象。一定要记得在不需要线程的时候调用此方法，否则线程是不会终止退出的，进程也就会一直运行，占用着资源。如果有大量的线程未退出，进程最终会崩掉。
•public static Looper Looper.myLooper()
这个是获得调用者所在线程所拥有的Looper对象的方法。
还有二个接口是与主线程有关的：
•一个是专门为主线程准备的
public static void Looper.prepareMainLooper()；
这个方法只给主线程初始化Looper用的，它仅在ActivityThread.main()方法中调用，其他地方或其他线程不可以调用，如果在主线程中调用会有异常抛出，因为一个线程只能创建一个Looper对象。但是如在其他线程中调用此方法，会改变mainLooper，接下来的getMainLooper就会返回它而非真正的主线程的Looper对象，这不会有异常抛出，也不会有明显的错误，但是程序将不能正常工作，因为原本设计在主线程中运行的方法将转到这个线程里面，会产生很诡异的Bug。这里Looper.prepareMainThread()的方法中应该加上判断：


代码如下:

public void prepareMainLooper() {
    if (getMainLooper() != null) {
         throw new RuntimeException("Looper.prepareMainthread() can ONLY be called by Frameworks");
     }
     //...
}

以防止其他线程非法调用，光靠文档约束力远不够。
•另外一个就是获取主线程Looper的接口：
public static Looper Looper.getMainLooper()
这个主要用在检查线程合法性，也即保证某些方法只能在主线程里面调用。但这并不保险，如上面所说，如果一个衍生线程调用了prepareMainLooper()就会把真正的mMainLooper改变，此衍生线程就可以通过上述检测，导致getMainLooper() != myLooper()的检测变得不靠谱了。所以ViewRoot的方法是用Thread来检测：mThread != Thread.currentThread();其mThread是在系统创建ViewRoot时通过Thread.currentThread()获得的，这样的方法来检测是否是主线程更加靠谱一些，因为它没有依赖外部而是相信自己保存的Thread的引用。
Message对象
消息Message是仅是一个数据结构，是信息的载体，它与队列机制是无关的，封装着要执行的动作和执行动作的必要信息，what, arg1, arg2, obj可以用来传送数据；而Message的回调则必须通过Handler来定义，为什么呢?因为Message仅是一个载体，它不能自己跑到目标MessageQueue上面去，它必须由Handler来操作，把Message放到目标队列上去，既然它需要Handler来统一的放到MessageQueue上，也可以让Handler来统一定义处理消息的回调。需要注意的是同一个Message对象只能使用一次，因为在处理完消息后会把消息回收掉，所以Message对象仅能使用一次，尝试再次使用时MessageQueue会抛出异常。
Handler对象
它被设计出来目的就是方便队列线程客户端的操作，隐藏直接操作MessageQueue的复杂性。Handler最主要的作用是把消息发送到与此Handler绑定的线程的MessageQueue上，因此在构建Handler的时候必须指定一个Looper对象，如果不指定则通过Looper获取调用者线程的Looper对象。它有很多重载的send*Message和post方法，可以以多种方式来向目标队列发送消息，廷时发送，或者放到队列的头部等等；
它还有二个作用，一个是创建Message对象通过obtain*系统方法，另一个就是定义处理Message的回调mCallback和handleMessage，由于一个Handler可能不止发送一个消息，而这些消息通常共享此Handler的回调方法，所以在handleMessage或者mCallback中就要区分这些不同的消息，通常是以Message.what来区分，当然也可以用其他字段，只要能区别出不同的Message即可。需要指明的是，消息队列中的消息本身是独立的，互不相干的，消息的命名空间是在Handler对象之中的，因为Message是由Handler发送和处理的，所以只有同一个Handler对象需要区别不同的Message对象。广义上讲，如果一个消息自己定义有处理方法，那么所有的消息都是互不相干的，当从队列取出消息时就调用其上的回调方法，不会有命名上的冲突，但由Handler发出的消息的回调处理方法都是Handler.handleMessage或Handler.mCallback，所以就会有影响了，但影响的范围也令局限在同一个Handler对象。

因为Handler的作用是向目标队列发送消息和定义处理消息的回调（处理消息），它仅是依赖于线程的MessageQueue，所以Handler可以有任意多个，都绑定到某个MessageQueue上，它并没有个数限制。而MessageQueue是有个数限制的，每个线程只能有一个，MessageQueue通过Looper创建，Looper存储在线程的ThreadLocal中，Looper里作了限制，每个线程只能创建一个。但是Handler无此限制，Handler的创建通过其构造函数，只需要提供一个Looper对象即可，所以它没有个数限制。