五分钟用C++11实现Android系统的Handler机制
封面出自：板栗懒得很
背景
线程作为系统的基础资源，相信大多数读者都有使用到。一般情况下我们会直接开一个线程做一些耗时操作，处理完之后让线程自动结束，资源被系统回收。这种简单粗暴的方法不少读者、甚至一些大厂的APP都在用。以Java语言为例，我们可以直接new一个Thread对象，然后覆盖run方法，最后调一下start方法便可以成功运行一个线程。如果我们每次异步做一些耗时处理都单独开启一个线程，比如异步加载网络图片这种高并发操作，每张图片都开一个线程的话，必然会造成线程资源的浪费，而且也没有很好的方法去处理跨线程通讯的问题。由于语言层面的低成本导致系统的线程资源被滥用，已经成为了一个很普遍的现象。
Android系统的Handler是一种很好的解决以上问题的机制，如果能够在C/C++实现这样一套机制，将会极大的降低C/C++多线程的使用成本。通过本文你将了解到Android系统的Handler的实现原理，以及如何使用C/C++来实现这样一套机制。本文不打算过多的介绍Android系统中的源码实现，而是直接使用C++11来实现。
new Thread(){
@Override
public void run() {
//Do somethings
}
}.start();
Handler
Handler机制通过开启一个子线程，并进入死循环，不停消费其它线程发送过来的消息，从而达到跨线程通讯的目的。Handler主要用于跨线程通讯，但同时也能在一定程度上复用线程，是一种比较理想的线程使用方式。Android系统Handler主要包含以下三部分：
Handler
Looper
Message & MessageQueue
Handler顾名思义就是消息的处理类，同时也是消息发送的代理入口，通过调用Handler的相关接口发送一条消息，最终会被转发到Looper，由Looper把Message加入到队列的尾部。Looper是消息循环驱动的动力所在，我们规定同一个线程只能拥有一个Looper，当Looper准备好之后会让线程进入死循环，如果内部的Message队列不为空时，则会不停的从消息队列头部取出一条Message进行消费，直到队列为空，Looper阻塞线程进入等待状态。Message内部会记录着发送消息的Handler，当被消费时就可以找到对应的Handler进行消息处理，最终形成闭环。
实现
下面尝试使用C++11来实现Android系统Handler机制，该实现主要由AlHandlerThread、AlHandler、AlLooperManager、AlLooper、AlMessageQueue和AlMessage六个类组成。我们规定一个线程只能拥有一个AlLooper，因此需要一个AlLooperManager负责对所有线程的AlLooper对象进行管理，如果当前线程已经拥有了AlLooper对象，则直接使用当前线程的对象，保证AlLooper唯一。而AlMessageQueue则是一个支持线程阻塞和唤醒的消息队列。AlHandlerThread则是一个封装了std::thread和AlLooper的简单线程实现，仅仅是为了方便使用AlLooper，与Android系统中的HandlerThread实现是一致的。
AlHandler
AlHandler提供两个构造函数，第一个只有Callback参数，该构造函数会默认获取当前线程的AlLooper，如果当前没有AlLooper，则会抛出异常。第二个构造函数支持传入一个AlLooper，该AlLooper对象将会从AlHandlerThread获取。sendMessage函数负责把AlMessage转发到AlLooper，值得注意的是，在发送到AlLooper之前会先给AlMessage的成员变量target赋值，也就是当前AlHandler对象的指针。dispatchMessage函数用于在AlLooper中消费消息。
class AlHandler {
public:
typedef function<void(AlMessage *msg)> Callback;
public:
AlHandler(Callback callback);
AlHandler(AlLooper *looper, Callback callback);
void sendMessage(AlMessage *msg) {
_enqueueMessage(msg);
}
void dispatchMessage(AlMessage *msg) {
if (callback) {
callback(msg);
}
}
private:
void _enqueueMessage(AlMessage *msg) {
if (this->looper) {
msg->target = this;
this->looper->sendMessage(msg);
}
}
private:
AlLooper *looper = nullptr;
Callback callback = nullptr;
};
AlLooperManager
AlLooperManager只有一个功能，那就是管理所有创建的AlLooper对象，所以它是一个单例，代码虽然简单，但却很重要。由于操作系统会为每一个线程分配一个唯一的tid（Thread ID，Linux下可以使用pthread_self获取到），所以我们可以通过tid的唯一性来管理所有线程创建的AlLooper对象。该类的create和get函数分别用于创建新的AlLooper对象，以及获取缓存的对象。创建一个对象时首先需要检查缓存中是否存在该线程对应的AlLooper，如果已经存在则应该避免重复创建，直接返回空指针即可。而get函数用于从缓存中获取一个对象，如果缓存中没有则返回空指针。remove用于销毁一个AlLooper，一般会在线程销毁时使用。这几个函数都需要保证线程安全。
private:
AlLooperManager() : Object() {}
AlLooperManager(AlLooperManager &e) : Object() {}
~AlLooperManager() {}
/**
* 为当前线程创建Looper
* @return 当前线程的Looper
*/
AlLooper *create(long tid) {
std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
auto it = looperMap.find(tid);
if (looperMap.end() == it) {
auto *looper = new AlLooper();
looperMap[tid] = looper;
return looper;
}
return nullptr;
}
/**
* 获取当前线程的Looper
* @return 当前线程的Looper
*/
AlLooper *get(long tid) {
std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
auto it = looperMap.find(tid);
if (looperMap.end() == it) {
return nullptr;
}
return it->second;
}
/**
* 销毁当前线程的Looper
*/
void remove(long tid) {
std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
auto it = looperMap.find(tid);
if (looperMap.end() != it) {
looperMap.erase(it);
auto *looper = it->second;
delete looper;
}
}
private:
static AlLooperManager *instance;
std::map<long, AlLooper *> looperMap;
std::mutex mtx;
};
AlLooper
AlLooper主要有prepare、myLooper和loop三个静态函数。prepare用于为当前线程准备一个AlLooper，因为我们规定同一个线程只能拥有一个AlLooper对象，如果尝试在一个线程重复调用该函数函数将引发异常。myLooper用于获取当前线程的AlLooper，如果在该函数调用之前没有调用过prepare将会获得一个空指针。loop是AlLooper的核心函数，调用该函数后线程将进入死循环，AlLooper会依次从消息队列头部取出AlMessage进行消费。前面提到AlMessage有一个名为target的成员变量，这个变量是一个AlHandler对象，所以这里直接调用AlHandler::dispatchMessage函数把消息回传，由AlHandler进行处理。sendMessage函数则用于在消息队列尾部插入一条消息。
class AlLooper : public Object {
public:
/**
* 为线程准备一个Looper，如果线程已经存在Looper，则报错
*/
static void prepare() {
AlLooper *looper = AlLooperManager::getInstance()->create(Thread::currentThreadId());
assert(nullptr != looper);
}
/**
* 获取当前线程的Looper
* @return 前线程的Looper
*/
static AlLooper *myLooper() {
AlLooper *looper = AlLooperManager::getInstance()->get(Thread::currentThreadId());
assert(nullptr != looper);
return looper;
}
static void exit();
/**
* 循环消费消息
*/
static void loop() {
myLooper()->_loop();
}
void _loop() {
for (;;) {
AlMessage *msg = queue.take();
if (msg) {
if (msg->target) {
msg->target->dispatchMessage(msg);
}
delete msg;
}
queue.pop();
}
}
void sendMessage(AlMessage *msg) {
queue.offer(msg);
}
private:
AlLooper();
AlLooper(AlLooper &e) : Object() {}
~AlLooper();
private:
AlMessageQueue queue;
};
AlMessageQueue和AlMessage
AlMessage比较简单，主要包含几个public的成员变量，用于区分消息类型以及附带一些信息。AlMessageQueue则是一个阻塞队列，当尝试从一个空队列获取AlMessage时将会造成线程阻塞，如果其它线程向空队列新增一个AlMessage对象将会唤醒阻塞的线程。这是驱动消息循环消费的重要一环。
class AlMessage {
public:
int32_t what = 0;
int32_t arg1 = 0;
int64_t arg2 = 0;
Object *obj = nullptr;
}
class AlMessageQueue : public Object {
public:
AlMessageQueue() {
pthread_mutex_init(&mutex, nullptr);
pthread_cond_init(&cond, nullptr);
}
virtual ~AlMessageQueue() {
pthread_mutex_lock(&mutex);
invalid = true;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
clear();
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&cond);
}
void offer(AlMessage *msg) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (invalid) {
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return;
}
queue.push_back(msg);
pthread_cond_broadcast(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
AlMessage *take() {
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (invalid) {
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return nullptr;
}
if (size() <= 0) {
if (0 != pthread_cond_wait(&cond, &mutex)) {
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return nullptr;
}
}
if (queue.empty()) {
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return nullptr;
}
AlMessage *e = queue.front();
queue.pop_front();
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return e;
}
int size();
void clear();
private:
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
std::list<AlMessage *> queue;
bool invalid = false;
};
AlHandlerThread
AlLooper准备好后就可以在线程中使用了，这里我们把线程和AlLooper封装到一起方便使用。AlHandlerThread会在内部开启一个线程，该线程会调用run函数，在线程开始运行后依次调用AlLooper的prepare和loop函数即可进入消息消费流程，AlLooper::exit()用于在线程结束前销毁AlLooper对象。
class AlHandlerThread {
public:
AlLooper *getLooper() {
return mLooper;
}
private:
void run() {
AlLooper::prepare();
mLooper = AlLooper::myLooper();
AlLooper::loop();
AlLooper::exit();
}
private:
std::thread mThread = thread(&AlHandlerThread::run, this);
AlLooper *mLooper = nullptr;
};
最后我们创建一个AlHandler对象，并传入一个从AlHandlerThread获取的AlLooper对象和一个处理回调函数Callback，便可以让Handler机制运行起来。由于AlLooper可以是任意一个线程的对象，所以便实现了跨线程的通讯。如果我们把AlMessage封装成一个"Task"，当我们要处理一个耗时任务时，把任务封装成一个"Task"发送到Handler进行处理，通过该方法可以轻易实现线程的复用，而不需要重复申请销毁线程。
mThread = AlHandlerThread::create(name);
mHandler = new AlHandler(mThread->getLooper(), [this](AlMessage *msg) {
/// Do something.
});
结语
以上便是Android系统Handler机制的介绍，以及使用C++11的实现。上面展示的是部分核心代码，省略了很多，实际操作还需要处理很多问题，比如线程安全、线程的退出、AlLooper的销毁等。文章源码出自hwvc项目，感兴趣的读者可以阅读完整的AlHandlerThread源码实现。
hwvc项目：
https://github.com/imalimin/hwvc/tree/develop
AlHandlerThread源码：
https://github.com/imalimin/hwvc/blob/develop/src/common/thread/AlHandlerThread.cpp
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