Android基础进阶 – 消息机制 之Native层分析

时间:2021-7-2 作者:qvyue

目录

  1. 基础知识简介
    • Linux eventfd事件等待/响应机制
    • Linux IO多路复用epoll
  2. Android消息机制Native层分析
    • nativeInit流程
    • nativePollOnce流程
    • nativeWake流程
  3. 资料
  4. 收获

上一篇中关于ThreadLocal的使用,遗漏了一个点:ThreadLocal的回收,使用不当会操作内存泄漏。通过上一篇的分析我们知道了ThreadLocalMap.Entry中的key时ThreadLocal的弱引用,而value需要在堆上分配的内存,当key的强引用断开之后,在gc的时候会被回收,就过时key为null,但是value还存在。如果处理不当,可能会引发内存泄露。

Android基础进阶 - 消息机制 之Native层分析

图片来自:彻底搞清楚ThreadLocal与弱引用

那么key为null了value何时被清除呐?
ThreadLocal的设计者考虑到这个问题,在每次调用ThreadLocal的set/get方法时会清除key为null的value。但是谁知道下次什么时候调用set/get,这是一种被动的清除方式。
除此之外ThreadLocal还提供了remove方法,可以有我们自动的进行清除。当ThreadLocal不再使用的时候,要记得调用remove。示例如下

public class ExampleUnitTest {
    private static ThreadLocal sStrThreadlocal = new ThreadLocal();
    private static ThreadLocal sIntegerThreadLocal = new ThreadLocal();

    @Test
    public void testThreadLocal(){

        //在主线程给Threadlocal赋值,请取出输出

        sStrThreadlocal.set("aaa");
        String value = sStrThreadlocal.get();

        sIntegerThreadLocal.set(1);
        Integer intValue = sIntegerThreadLocal.get();
        System.out.println("111 curThreadId="+Thread.currentThread()+" strthreadLocalValue="+value
        +" intThreadLocalValue="+intValue);
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        //最后在输出下主线程的ThreadLocal值
        value = sStrThreadlocal.get();
        intValue = sIntegerThreadLocal.get();
        System.out.println("444 curThreadId="+Thread.currentThread()+" strthreadLocalValue="+value
                +" intThreadLocalValue="+intValue);

        //用完之后记得remove,虽然,ThreadLocalMap.Entry的key是ThreadLocal的弱引用,但是value占用的内存空间还在。
        //被回收的场景有两个,再次调用set或者get方法是会坚持map中是否有key为空的Entry(由于key是弱引用,外部强引用依赖断开后,gc时就会回收该key,
        // 回收后即可null),如果有则清除。

        //但是不知道什么时候再次调用set或者get,这种被动的方式只能说是做了个保证,如果没有调用set/get,就可能引发内存泄露
        //ThreadLocal提供了一个remove方法,由我们主动清除ThreadLocal对应的ThreadLocalMap.Entry中的堆内存
        sStrThreadlocal.remove();
        sIntegerThreadLocal.remove();
        value = sStrThreadlocal.get();
        intValue = sIntegerThreadLocal.get();
        System.out.println("after remove 444 curThreadId="+Thread.currentThread()+" strthreadLocalValue="+value
                +" intThreadLocalValue="+intValue);
    }
}

对应的输出为

111 curThreadId=Thread[main,5,main] strthreadLocalValue=aaa intThreadLocalValue=1
444 curThreadId=Thread[main,5,main] strthreadLocalValue=aaa intThreadLocalValue=1
after remove 444 curThreadId=Thread[main,5,main] strthreadLocalValue=null intThreadLocalValue=null

下面开始本篇的分析学习

我们在前面两篇关于Android消息机制的分析学习中了解到MessageQueue中涉及到何Native的交互,比如nativeInit初始化Native层的MessageQueue;nativePollOnce阻塞;nativeWake唤醒。

问题是,为什么要这样设计?直接Java层不是一样可以管理维护消息队列以及消息的读取分发吗?nativePollOnce真正的意义是什么?这个问题一致困挠着我。通过反复查资料翻源码,终于了解了其流程。在消息机制Native层实现之前我们先了解下其中用到的一些Linux基础知识。否则的话,很容易被卡住。

一、 基础知识简介

1.1 Linux eventfd事件等待/响应机制

Linux常用的进程/线程间通信机制有管道、信号量、消息队列、信号、共享内存、socket等等,其中主要作为进程/线程间通知/等待的有管道pipe和socket。从Linux 2.6.27版本开始增加了eventfd,主要用于进程或者线程间的通信,eventfd用于进程/线程间通信,效率比pipe高.

1.2 Linux IO多路复用epoll

epoll是Linux中最高效的IO多路复用机制,可以同时监控多个描述符,当某个描述符就绪(读或写就绪),则立刻通知相应程序进行读或写操作

epoll有3个方法,epoll_create(), epoll_ctl(),epoll_wait()_

epoll_create :创建epoll句柄

int epoll_create(int size);
:用于创建一个epoll的句柄,size是指监听的描述符个数, 现在内核支持动态扩展,该值的意义仅仅是初次分配的fd个数,后面空间不够时会动态扩容。 当创建完epoll句柄后,占用一个fd值.

使用完epoll后,必须调用close()关闭,否则可能导致fd被耗尽。

epoll_ctl:执行对需要监听的文件描述符(fd)的操作

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

用于执行对需要监听的文件描述符(fd)的操作,比如EPOLL_CTL_ADD
fd:需要监听的文件描述符;
epoll_event:需要监听的事件

epoll_wait:等待事件的到来

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

等待事件的到来,有三种情况会触发返回
1. 发生错误 返回值为负数
2. 等待超时(timeout)
3. 监测到某些文件句柄上有事件发生

epoll和eventfd结合使用
eventfd中无数据,线程触发epoll_wait()的等待,该线程处于阻塞,另外一个线程通过往eventfd中write数据,使描述符可读,epoll返回,这就达到了唤醒的目的。_

二、Android消息机制Native层简单分析

我们先来回顾下消息机制中Java层MessageQueue的往队列里加消息和从队列里面取消息的调用

//android.os.MessageQueue#enqueueMessage
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
        ......

        synchronized (this) {
          
            msg.markInUse();
            msg.when = when;
            Message p = mMessages;
            boolean needWake;
            
            //如果消息链表为空,或者插入的Message比消息链表第一个消息要执行的更早,直接插入到头部
            if (p == null || when == 0 || when 
//android.os.MessageQueue#next
Message next() {

        //native层NativeMessageQueue的指针
        final long ptr = mPtr;
        if (ptr == 0) {
            return null;
        }

     ......
        for (;;) {
           
            //阻塞操作,当等待nextPollTimeoutMillis时长,或者消息队列被唤醒
            //nativePollOnce用于“等待”, 直到下一条消息可用为止. 如果在此调用期间花费的时间很长, 表明对应线程没有实际工作要做,或者Native层的message有耗时的操作在执行
            nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

            }

可以看到在MessageQueue#next会调用课程阻塞的native方法nativePollOnce,在MessageQueue#enqueueMessage 中如果需要唤醒会调用native方法nativeWake
问题是怎么阻塞的,怎么唤醒的,为什么要这样设计,直接在Java层完成处理不可以吗?

带着这样的困惑,开始Native层消息机制的分析学习。

2.1 MessageQueue Init流程

Android基础进阶 - 消息机制 之Native层分析

图片来自:Android消息机制2-Handler(Native层)

调用Native方法初始化,返回值为native层的NativeMessageQueue指针地址

//android.os.MessageQueue#MessageQueue   
 MessageQueue(boolean quitAllowed) {
        mQuitAllowed = quitAllowed;
        //调用Native方法初始化,返回值为native层的NativeMessageQueue指针地址
        mPtr = nativeInit();
    }

android_os_MessageQueue_nativeInit

//java native方法 nativeInit 的jni方法,返回类型long,即 mptr
static jlong android_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz) {
    //NativeMessageQueue是一个内部类
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = new NativeMessageQueue();

    //返回为NativeMessageQueue指针地址
    ......
    return reinterpret_cast(nativeMessageQueue);
}

NativeMessageQueue构造方法

会进行Native层的Looper创建。Java层创建Looper然后再创建MessageQueue,而在Native层则刚刚相反,先创建NativeMessageQueue然后再创建Looper。

// core/jni/android_os_MessageQueue.cpp

//NativeMessageQueue构造方法
//Java层创建Looper然后再创建MessageQueue,
//而在Native层则刚刚相反,先创建NativeMessageQueue然后再创建Looper

//MessageQueue是在Java层与Native层有着紧密的联系,
//但是Native层的Looper与Java层的Looper没有任何关系
NativeMessageQueue::NativeMessageQueue() :
        mPollEnv(NULL), mPollObj(NULL), mExceptionObj(NULL) {
            //Looper::getForThread()获取当前线程的Looper,相当于Java层的Looper.myLooper()
    mLooper = Looper::getForThread();
    if (mLooper == NULL) {
    //如果为空, new一个native层的Looper
        mLooper = new Looper(false);
        //相当于java层的ThreadLocal.set() ?
        Looper::setForThread(mLooper);
    }
}

Natvie层的Looper的构造
MessageQueue是在Java层与Native层有着紧密的联系,但是Native层的Looper与Java层的Looper没有任何关系

// libutils/Looper.cpp

Looper::Looper(bool allowNonCallbacks)
    : mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks),
      mSendingMessage(false),
      mPolling(false),
      mEpollRebuildRequired(false),
      mNextRequestSeq(0),
      mResponseIndex(0),
      mNextMessageUptime(LLONG_MAX) {
      //eventfd事件句柄,负责线程通信,替换了之前版本的pipe 构造唤醒事件fd
    mWakeEventFd.reset(eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC));
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mWakeEventFd.get() 

epoll句柄的创建、添加唤醒事件句柄到epoll

//libutils/Looper.cpp

void Looper::rebuildEpollLocked() {
    ......

    //epoll_create1创建一个epoll句柄实例,并注册wake管道
    mEpollFd.reset(epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC));

    ......

    //epoll事件结构体
    struct epoll_event eventItem;
    memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event)); // zero out unused members of data field union
    eventItem.events = EPOLLIN;
    eventItem.data.fd = mWakeEventFd.get();

    int result = epoll_ctl(mEpollFd.get(), EPOLL_CTL_ADD, mWakeEventFd.get(), &eventItem);
    
    for (size_t i = 0; i 

Native层的init流程主要内容如下:

  1. NativeQueueMessage和Looper的初始化。
  2. 构建了epoll句柄,向epoll中添加epoll事件注册

2.2 消息读取流程

Android基础进阶 - 消息机制 之Native层分析

图片来自:Android消息机制2-Handler(Native层)

nativePollOnce

//core/jni/android_os_MessageQueue.cpp

static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env, jobject obj,
        jlong ptr, jint timeoutMillis) {
        //将Java层传过来的mPtr 转换为 nativeMessageQueue
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast(ptr);
         //调用nativeMessageQueue的pollOnce
    nativeMessageQueue->pollOnce(env, obj, timeoutMillis);
}

NativeMessageQueue :: pollOnce

//core/jni/android_os_MessageQueue.cpp
void NativeMessageQueue::pollOnce(JNIEnv* env, jobject pollObj, int timeoutMillis) {
    ......
    //又调用了Natvie的Looper的pollOnce
    mLooper->pollOnce(timeoutMillis);
    ......
}

Native层Looper::pollOnce

//libutils/Looper.cpp

/**
* timeoutMillis:超时时长
* outFd:发生事件的文件描述符
* outEvents:当前outFd上发生的事件,包含以下4类事件
  EVENT_INPUT:可读
  EVENT_OUTPUT:可写
  EVENT_ERROR:错误
  EVENT_HANGUP:中断

*outData:上下文数据

**/
int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData) {
    int result = 0;
    for (;;) {
        ......
        //关键实现在pollInner中
        result = pollInner(timeoutMillis);
    }
}

Looper::pollInner
先会调用epoll_wait进入阻塞专题,唤醒的场景 想epoll中添加的epollevent等待事件发生或者超时触发nativeWake()方法,会向eventfd写入字符,进行唤醒。

然后进性要处理的事件收集,然后在做处理。Natvie的消息的处理顺序如下

  1. 处理Native的Message,调用Native的Handler来处理该Message
  2. 处理Resposne数组,POLL_CALLBACK类型的事件
//libutils/Looper.cpp

int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {

    ......

    // Poll.
    int result = POLL_WAKE;
    mResponses.clear();
    mResponseIndex = 0;

    // We are about to idle.
    mPolling = true;

    struct epoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS];
    
    //等待事件发生或者超时触发nativeWake()方法,会向eventfd写入字符
    int eventCount = epoll_wait(mEpollFd.get(), eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);

    // No longer idling.
    mPolling = false;

    // Acquire lock.
    mLock.lock();

    // Rebuild epoll set if needed.
    if (mEpollRebuildRequired) {
        mEpollRebuildRequired = false;
        rebuildEpollLocked();
        goto Done;
    }

    // Check for poll error.
    if (eventCount = 0) {
                int events = 0;
                if (epollEvents & EPOLLIN) events |= EVENT_INPUT;
                if (epollEvents & EPOLLOUT) events |= EVENT_OUTPUT;
                if (epollEvents & EPOLLERR) events |= EVENT_ERROR;
                if (epollEvents & EPOLLHUP) events |= EVENT_HANGUP;
                pushResponse(events, mRequests.valueAt(requestIndex));
            } 
        }
    }

//上面是收集,Done中是处理的部分,很多设计都是采用这种设计,逻辑分离

Done: ;
        //1. 先处理Native的Message,调用Native的Handler来处理该Message
 
    mNextMessageUptime = LLONG_MAX;
    while (mMessageEnvelopes.size() != 0) {
        ......
        if (messageEnvelope.uptime handleMessage(message);
            } 
        } else {
              mNextMessageUptime = messageEnvelope.uptime;
            break;
        }
    }

   
//2. 再处理Resposne数组,POLL_CALLBACK类型的事件,比如一些
    // Invoke all response callbacks.
    for (size_t i = 0; i handleEvent(fd, events, data);
        }
    }
    return result;
}

消息获取流程主要如下

  1. 依此调用NativeMessageQueue和looper中的pollonce,最终调用到Looper的pollInner
  2. pollInner会调用epoll_wait进入阻塞,唤醒的条件是epoll中添加的事件响应了或者发生了超时等。_
  3. 先执行Native层的Message,再执行Native层的Resposne数组,POLL_CALLBACK类型的事件(比如一些按键事件等)_
  4. 返回到Java层后再调用Java层MessageQueue中的读取Message。

2.3 消息发送流程

Android基础进阶 - 消息机制 之Native层分析

图片来自:Android消息机制2-Handler(Native层)

nativeWake

//core/jni/android_os_MessageQueue.cpp

static void android_os_MessageQueue_nativeWake(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong ptr) {
    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast(ptr);
    //调用NativeMessageQueue的wake
    nativeMessageQueue->wake();
}

NativeMessageQueue::wake

//core/jni/android_os_MessageQueue.cpp

void NativeMessageQueue::wake() {
    //调用Native层Looper的wake
    mLooper->wake();
}

Looper::wake

libutils/Looper.cpp

void Looper::wake() {

    //write方法 向mWakeEventfd中写一些内容,会把epoll_wait唤醒,线程就不阻塞了继续发送
    //Native层的消息,然后处理之前的addFd事件,然后处理Java层的消息
    ssize_t nWrite = TEMP_FAILURE_RETRY(write(mWakeEventFd.get(), &inc, sizeof(uint64_t)));
    ......
}

消息发送流程如下

  1. Java层的enqueueMessage想java层的MessageQueue添加消息
  2. 如果需要唤醒调用native方法nativeWake
  3. 依次调用NativeMessageQueue和Looper的wake方法
  4. 最终调用writ方法想eventfd中写入一些内容进行epoll_wait的唤醒。

Android消息机制的分析到这里就结束了,最后来张消息处理家族类的关系图

Android基础进阶 - 消息机制 之Native层分析

图片来自:图书:《深入理解Android 卷3》

三、资料

  1. Android源码
  2. 图书:《深入理解Android 卷3》
  3. Android消息机制2-Handler(Native层)
  4. Android Handler机制10之Native的实现
  5. Android 中 MessageQueue 的 nativePollOnce
  6. IO多路复用之epoll总结
  7. select/poll/epoll对比分析
  8. 深入分析 ThreadLocal 内存泄漏问题
  9. 彻底搞清楚ThreadLocal与弱引用

四、收获

  1. 了解了消息机制在Native层处理流程
  2. 通过IO多路复用的epoll和eventfd进行事件的等待和唤醒实现
  3. 每次获取消息时,先执行Native层的Message,再执行Natvice层addfd的response,之后执行Java层的MessageQueue中消息

感谢你的阅读

Android消息机制就到这篇了,下篇我们进入Binder的分析学习,欢迎关注公众号“音视频开发之旅”,一起学习成长。

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