Android nativePollOnce函数解析

nativePollOnce的实现函数是android_os_MessageQueue_nativePollOnce，代码如下：

android_os_MessageQueue.cpp

static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv*env, jobject obj,
    jintptr, 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
void NativeMessageQueue::pollOnce(inttimeoutMillis) {
  mLooper->pollOnce(timeoutMillis); //重任传递到Looper的pollOnce函数
}

Looper的pollOnce函数如下：

Looper.cpp

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：

1. 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，则无需等待立即返回。
2. outFd用来存储发生事件的那个文件描述符。
3. 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。
4. 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。
提示查看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。

1.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。

epoll工作流程分析案例

/*
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);

/*
  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到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支持四类事件，
 分别是EPOLLIN(句柄可读)、EPOLLOUT(句柄可写),EPOLLERR(句柄错误)、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，要把它加入到epoll句柄中。
 */
 structepoll_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加入到事件集合中
 */
 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;
/*
 EPOLL_CTL_ADD将监听fd和监听事件加入到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都加入到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_eventresultEvents[10];
 inttimeout = -1;
 while(1)
 {
  /*
  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
 }
 elseif(nfds == 0)
 {
  //发生超时，期间没有发生任何事件
 }
 else
 {
  //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)
   {
     /*
      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，但笔者还是推荐使用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作为线程间通讯的方式？对于pipe的写端写入的数据，读端都不感兴趣，只是为了简单的唤醒。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，可参见笔者一篇博文“随笔之如何实现一个线程池”。

2. pollOnce函数分析

下面分析带4个参数的pollOnce函数，代码如下：

Looper.cpp

int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int*outFd, int* outEvents,
void** outData) {
  intresult = 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，并没有实际做什么处理。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

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;
   }
  intresult = ALOOPER_POLL_WAKE;
  mResponses.clear();
  mResponseIndex = 0;
#ifdef LOOPER_USES_EPOLL //我们只讨论使用epoll进行I/O复用的方式
  structepoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS];
  //调用epoll_wait，等待感兴趣的事件或超时发生
  inteventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS,
                   timeoutMillis);
#else
   ......//使用别的方式进行I/O复用
#endif
  //从epoll_wait返回，这时候一定发生了什么事情
  mLock.lock();
  if(eventCount < 0) { //返回值小于零，表示发生错误
    if(errno == EINTR) {
      goto Done;
    }
    //设置result为ALLOPER_POLL_ERROR,并跳转到Done
    result = ALOOPER_POLL_ERROR;
    gotoDone;
  }

  //eventCount为零，表示发生超时，因此直接跳转到Done
  if(eventCount == 0) {
   result = ALOOPER_POLL_TIMEOUT;
    gotoDone;
  }
#ifdef LOOPER_USES_EPOLL
  //根据epoll的用法，此时的eventCount表示发生事件的个数
  for (inti = 0; i < eventCount; i++) {
    intfd = eventItems[i].data.fd;
    uint32_t epollEvents = eventItems[i].events;
    /*
     之前通过pipe函数创建过两个fd，这里根据fd知道是管道读端有可读事件。
     读者还记得对nativeWake函数的分析吗？在那里我们向管道写端写了一个”W”字符，这样
     就能触发管道读端从epoll_wait函数返回了
     */
    if(fd == mWakeReadPipeFd) {
      if (epollEvents & EPOLLIN) {
        //awoken函数直接读取并清空管道数据，读者可自行研究该函数
        awoken();
      }
     ......
    }else {
      /*
      mRequests和前面的mResponse相对应，它也是一个KeyedVector，其中存储了
      fd和对应的Request结构体，该结构体封装了和监控文件句柄相关的一些上下文信息，
      例如回调函数等。我们在后面的小节会再次介绍该结构体
      */
      ssize_t requestIndex = mRequests.indexOfKey(fd);
      if (requestIndex >= 0) {
        int events = 0;
        //将epoll返回的事件转换成上层LOOPER使用的事件
        if (epollEvents & EPOLLIN) events |= ALOOPER_EVENT_INPUT;
        if (epollEvents & EPOLLOUT) events |= ALOOPER_EVENT_OUTPUT;
        if (epollEvents & EPOLLERR) events |= ALOOPER_EVENT_ERROR;
        if (epollEvents & EPOLLHUP) events |= ALOOPER_EVENT_HANGUP;
        //每处理一个Request，就相应构造一个Response
        pushResponse(events, mRequests.valueAt(requestIndex));
      }
      ......
    }
  }
Done: ;
#else
   ......
#endif
  //除了处理Request外，还处理Native的Message
  mNextMessageUptime = LLONG_MAX;
  while(mMessageEnvelopes.size() != 0) {
    nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
    const MessageEnvelope& messageEnvelope =mMessageEnvelopes.itemAt(0);
    if(messageEnvelope.uptime <= now) {
      {
        sp<MessageHandler> handler = messageEnvelope.handler;
        Message message = messageEnvelope.message;
        mMessageEnvelopes.removeAt(0);
        mSendingMessage = true;
        mLock.unlock();
        //调用Native的handler处理Native的Message
        //从这里也可看出NativeMessage和Java层的Message没有什么关系
        handler->handleMessage(message);
      }
      mLock.lock();
      mSendingMessage = false;
      result = ALOOPER_POLL_CALLBACK;
    }else {
      mNextMessageUptime = messageEnvelope.uptime;
      break;
    }
  }

  mLock.unlock();
  //处理那些带回调函数的Response
  for(size_t i = 0; i < mResponses.size(); i++) {
    const Response& response = mResponses.itemAt(i);
    ALooper_callbackFunc callback = response.request.callback;
    if(callback) {//有了回调函数，就能知道如何处理所发生的事情了
      int fd = response.request.fd;
      int events = response.events;
      void* data = response.request.data;
      //调用回调函数处理所发生的事件
      int callbackResult = callback(fd, events, data);
      if (callbackResult == 0) {
        //callback函数的返回值很重要，如果为0，表明不需要再次监视该文件句柄
        removeFd(fd);
      }
      result = ALOOPER_POLL_CALLBACK;
    }
  }
  returnresult;
}

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：

如果是管道读这一端有事情，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，但还是有个一个拦路虎，那就是mRequests，下面就来清剿这个拦路虎。

3.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

static jint
loadNativeCode_native(JNIEnv* env, jobject clazz,jstring path,
             jstring funcName,jobject messageQueue,
             jstring internalDataDir, jstring obbDir,
             jstring externalDataDir, int sdkVersion,
             jobject jAssetMgr, jbyteArraysavedState)
{
 ......
 /*
 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

int Looper::addFd(int fd, int ident, int events,
           ALooper_callbackFunccallback, 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;
    }
   ......
  }

  #ifdefLOOPER_USES_EPOLL
  intepollEvents = 0;
  //将用户的事件转换成epoll使用的值
  if(events & ALOOPER_EVENT_INPUT) epollEvents |= EPOLLIN;
  if(events & ALOOPER_EVENT_OUTPUT) epollEvents |= EPOLLOUT;

  {
    AutoMutex _l(mLock);
    Request request; //创建一个Request对象
    request.fd = fd; //保存fd
    request.ident = ident; //保存id
    request.callback = callback; //保存callback
    request.data = data; //保存用户自定义数据

    struct epoll_event eventItem;
    memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event));
    eventItem.events = epollEvents;
    eventItem.data.fd = fd;
    //判断该Request是否已经存在，mRequests以fd作为key值
    ssize_t requestIndex = mRequests.indexOfKey(fd);
    if(requestIndex < 0) {
      //如果是新的文件句柄，则需要为epoll增加该fd
      int epollResult = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, fd, & eventItem);
      ......
      //保存Request到mRequests键值数组
      mRequests.add(fd, request);
    }else {
      //如果之前加过，那么就修改该监听句柄的一些信息
      int epollResult = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &eventItem);
      ......
      mRequests.replaceValueAt(requestIndex, request);
    }
  }
#else
  ......
#endif
  return1;
}

4.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

void Looper::pushResponse(int events, constRequest& request) {
  Responseresponse;
  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。
下面我们来了解如何添加Native的Message。

5. Native的sendMessage

Android 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了[2]。sendMessage的代码如下：

Looper.cpp

void Looper::sendMessage(constsp<MessageHandler>& handler,
               constMessage& message) {
  //Native的sendMessage函数必须同时传递一个Handler
  nsecs_tnow = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
  sendMessageAtTime(now, handler, message); //调用sendMessageAtTime
}
void Looper::sendMessageAtTime(nsecs_t uptime,
                   const sp<MessageHandler>& handler,
                   const Message& message) {
  size_t i= 0;
  { //acquire lock
    AutoMutex _l(mLock);

    size_t messageCount = mMessageEnvelopes.size();
    //按时间排序，将消息插入到正确的位置上
    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();
  }
}

1.注意，以后文件描述符也会简写为文件句柄。 ↩︎

2.我们这里略过了Android2.2到Android 4.0之间几个版本中的代码变化。 ↩︎

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