Android Handler中的休眠唤醒实现详解

时间:2023-02-03 android_greenhand 人气:0

Handler中的奇奇怪怪

了解Handler原理时，有一个疑问handler中的休眠/唤醒不用Java中wait和notify呢，而是调用native方法（nativePollOnce/nativeWake）呢，奇奇怪怪的又得需要学起来，没事找事的一天嘛。

这样不行吗？wait/notify 伪代码

MessageQueue.java
//调用MessageQueue的next方法获取消息
Message next() {
      、、、
      synchronized (this) {
          //这时候检查队列有没有消息，没有消息调用this.wait()等待  
          if (message == null) {
              this.wait();
          }
          if(有消息但消息未到期){
            this.wait(time);
          }
      }
      、、、
  }
//调用MessageQueue.enqueueMessage()添加消息
enqueueMessage(Message message) {
    、、、
    synchronized (this) {
        //消息加入队列后会调用this.notity()唤醒next()方法
        if (message != null) {
            this.notify();
        }
    }
      、、、
  }

在学习nativePollOnce/nativeWake前，还需要对Linux相关的知识熟悉一下。

Linux相关

eventfd

eventfd 是从内核2.6.22开始支持的一种新的事件等待/通知机制。用来通知事件的文件描述符，它不仅可以用于进程间的通信，还可以用户内核发信号给用户层的进程。简而言之：eventfd 就是用来触发事件通知，它只有一个创建方法：

int eventfd(unsigned int initval, int flags); 表示创建一个 eventfd 文件并返回文件描述符

参数：initval, 初始值

参数：flags

EFD_CLOEXEC 会自动关闭这个文件描述符。
EFD_NONBLOCK 执行 read / write 操作时，不会阻塞。
EFD_SEMAPHORE count 递减 1。

eventfd demo

  #include <cstdlib>
  #include <inttypes.h>
  #include <iostream>
  #include <stdint.h>
  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <string>
  #include <sys/eventfd.h>
  #include <unistd.h>
  using namespace std;
  int main(int argc, char* argv[]) {
      int event_fd;
      if (argc < 2) {
          std::cout << "please input llegal argv " << endl;
          exit(EXIT_FAILURE);
      }
      event_fd = eventfd(0, EFD_NONBLOCK);
      if (event_fd == -1) {
          std::cout << "create evebtFd fail" << endl;
          exit(EXIT_FAILURE);
      }
      switch (fork()) {
      case 0:
          for (int j = 1; j < argc; j++) {
              long u = atoi(argv[j]);
              printf("Child writing %lu to efd\n", u);
              write(event_fd, &u, sizeof(long));
          }
          printf("Child completed write loop\n");
          exit(EXIT_SUCCESS);
      default:
          sleep(2);
          long u;
          printf("Parent about to read\n");
          read(event_fd, &u, sizeof(long));
          printf("Parents first read %lu from efd\n", u);
          long u2;
          read(event_fd, &u2, sizeof(long));
          printf("Parents second read %lu from efd\n", u2);
          exit(EXIT_SUCCESS);
      }
  }

⚠️ #include <sys/eventfd.h> 是在Linux操作系统中的，在Mac电脑中是找不到包的，需要装虚拟机或者其他的C++开发软件包，这里推荐一个在线免费的编译C++的软件Lightly

Q eventfd和socket、pipe、fd_set、有什么区别和联系？

Epoll

epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中,只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。另一点原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。提高应用程序效率。来源自百度百科

epoll API

int epoll_create(int size)

创建 eventpoll 对象，返回一个 epfd，即 eventpoll 句柄。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)

对eventpoll执行的操作，返回值：成功 0；失败 -1

epfd 对一个 eventPoll 进行操作

op 表示要执行的操作，包括 EPOLL_CTL_ADD (添加)、EPOLL_CTL_DEL (删除)、EPOLL_CTL_MOD (修改)；

fd 表示被监听的文件描述符；

event 表示要被监听的事件，包括：

EPOLLIN（表示被监听的fd有可以读的数据）
EPOLLOUT（表示被监听的fd有可以写的数据）
EPOLLPRI（表示有可读的紧急数据）
EPOLLERR（对应的fd发生异常）
EPOLLHUP（对应的fd被挂断）
EPOLLET（设置EPOLL为边缘触发）
EPOLLONESHOT（只监听一次）

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout)

返回值：监听到的产生的事件数等待 epfd 监听的 fd 所产生对应的事件。

epfd 表示 eventpoll句柄；
events 表示回传处理事件的数组；
maxevents 表示每次能处理的最大事件数；
timeout：等待 IO 的超时时间，-1 表示一直阻塞直到来 IO 被唤醒，大于 0 表示阻塞指定的时间后被唤醒

epoll 使用示例

创建一个管道，使用 epoll 监听管道读端，然后进入阻塞：

    #include <iostream>
    #include <stdio.h>
    #include <string>
    #include <sys/epoll.h>
    #include <sys/eventfd.h>
    #include <unistd.h>
    using namespace std;
    int main(int argc, char* argv[]) {
        if (argc < 2) {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        int event_fd;
        int epoll_fd;
        event_fd = eventfd(0, EFD_NONBLOCK);
        if (event_fd == -1) {
            std::cout << "create evebtFd fail";
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        epoll_fd = epoll_create(8);
        if (epoll_fd < 0) {
            std::cout << "create epollFd  fail";
        }
        struct epoll_event read_event;
        read_event.events = EPOLLIN;
        epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, event_fd, &read_event);
        switch (fork()) {
        case 0:
            for (int j = 1; j < argc; j++) {
                long u = atoi(argv[j]);
                sleep(1);
                printf("Child writing %lu to efd\n", u);
                write(event_fd, &u, sizeof(long));
            }
            printf("Child completed write loop\n");
            exit(EXIT_SUCCESS);
        default:
            printf("Parent about to read\n");
            struct epoll_event events[16];
            int ret;
            while (1) {
                ret = epoll_wait(epoll_fd, events, 1, -1);
                printf("Parent  epoll_wait return ret : %d\n", ret);
                if (ret > 0) {
                    long u;
                    read(event_fd, &u, sizeof(long));
                    printf("Parents  read %lu from efd\n", u);
                }
            }
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }
    }

结果

Handler 中的 epoll 源码分析

主要分析 MessageQueue.java 中的三个 native 函数：

     private native static long nativeInit(); //初始化
     private native void nativePollOnce(long ptr, int timeoutMillis); //阻塞
     private native static void nativeWake(long ptr); //唤醒

「nativeInit 返回long，这是为什么？」预知一下，或许这个可以解答我们的问题

nativeInit

首先来看 nativeInit 方法，nativeInit 在 MessageQueue 构造函数中被调用，其返回了一个底层对象的指针：

      MessageQueue(boolean quitAllowed) {
            mQuitAllowed = quitAllowed;
            mPtr = nativeInit();   //保存NativeMessageQueue
        }

      //android_os_MessageQueue.cpp
      static jlong android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz) {
        NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = new NativeMessageQueue();
        ...
        return reinterpret_cast<jlong>(nativeMessageQueue);
      }

einterpret_cast<type-id> (expression)

type-id 必须是一个指针、引用、算术类型、函数指针或者成员指针。它可以把一个指针转换成一个整数，也可以把一个整数转换成一个指针（先把一个指针转换成一个整数，再把该整数转换成原类型的指针，还可以得到原先的指针值

返回值是NativeMessageQueue，而 NativeMessageQueue 初始化时会创建一个底层的 Looper 对象：

  NativeMessageQueue::NativeMessageQueue() :
        mPollEnv(NULL), mPollObj(NULL), mExceptionObj(NULL) {
    mLooper = Looper::getForThread();
    if (mLooper == NULL) {
        mLooper = new Looper(false); 
        Looper::setForThread(mLooper);
    }
  }

Looper 的构造函数如下：

  Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) :
        mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks), ...{
    mWakeEventFd = eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC);
    ...
    rebuildEpollLocked();
  }

有没有熟悉的感觉，这和我们的Epoll的demo很相似，首先通过创建eventFd, ，专门用于事件通知。接着来看 rebuildEpollLocked 方法：

  void Looper::rebuildEpollLocked() {
    mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);
    struct epoll_event eventItem;
    memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event));
    eventItem.events = EPOLLIN;
    eventItem.data.fd = mWakeEventFd;
    int result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeEventFd, & eventItem); 
    ...
  }

可以看到我们已经熟悉的 epoll 操作了：通过 epoll_create 创建 epoll 对象，然后调用 epoll_ctl 添加 mWakeEventFd 为要监听的文件描述符。

nativePollOnce

之前学习 Handler 机制时多次看到过 nativePollOnce 方法，也知道它会进入休眠，下面就具体看看它的原理。对应的底层调用同样是在 android_os_MessageQueue.cpp 中：

    static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env, jobject obj,
          jlong ptr, jint timeoutMillis) {
      NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
      nativeMessageQueue->pollOnce(env, obj, timeoutMillis);
    }
    void NativeMessageQueue::pollOnce(JNIEnv* env, jobject pollObj, int timeoutMillis) {
      mLooper->pollOnce(timeoutMillis);
      ...
    }

可以看到实现同样是在 Looper.cpp 中，接着来看 Looper 的 pollOnce 方法：

     int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData) {
       for (;;) {
           ...
           result = pollInner(timeoutMillis);
       }
     }
     int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {
       ...
       struct epoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS];
       int eventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);
       ...

至此通过调用 epoll_wait 方法，当前线程进入休眠，等待被唤醒。

nativeWake

最后来看如何通过 nativeWake 唤醒线程，首先是 android_os_MessageQueue.cpp 中：

  static void android_os_MessageQueue_nativeWake(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong ptr) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
    nativeMessageQueue->wake();
  }
  void NativeMessageQueue::wake() {
    mLooper->wake();
  }

与 nativeInit、nativePollOnce 一样，最终实现都是在 Looper.cpp 中，Looper 的 wake 方法如下：

void Looper::wake() {
  uint64_t inc = 1;
  ssize_t nWrite = TEMP_FAILURE_RETRY(write(mWakeEventFd, &inc, sizeof(uint64_t)));
  if (nWrite != sizeof(uint64_t)) {
      if (errno != EAGAIN) {
          LOG_ALWAYS_FATAL("Could not write wake signal to fd %d: %s",
                  mWakeEventFd, strerror(errno));
      }
  }
}

其中关键逻辑是对 mWakeEventFd 发起写入操作，从而唤醒 nativePollOnce 中通过 epoll_wait 进入休眠的线程。

结束

回答刚开始的疑问handler中的休眠/唤醒不用Java中wait和notify呢，而是调用nativePollOnce/nativeWake呢？

MessageQueue.java
//调用MessageQueue的next方法获取消息
Message next() {
      、、、
      synchronized (this) {
          //这时候检查队列有没有消息，没有消息调用this.wait()等待  
          if (message == null) {
              this.wait();
          }
          if(有消息但消息未到期){
            this.wait(time);
          }
      }
      、、、
  }
//调用MessageQueue.enqueueMessage()添加消息
enqueueMessage(Message message) {
    、、、
    synchronized (this) {
        //消息加入队列后会调用this.notity()唤醒next()方法
        if (message != null) {
            this.notify();
        }
    }
      、、、
  }

private native static long nativeInit(); 返回值是nativeMessage对象，阻塞时会将mPtr当成参数nativePollOnce();

如果单纯用object.wait,那对于native层的消息是处理不到的，队列空闲时不能只判断Java层的MessageQueue，nativePollOnce去判断Native层，若大家都空闲，方法会阻塞到native的epoll_wait()方法中，等待唤醒。单纯用wait和notify，只能处理java层的消息，对于系统的消息不能处理。

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