Android：同步屏障的简单理解和使用
同步屏障的简单理解和使用
- 1、背景
- 2、何为同步屏障？
- 2.1、 发送屏障消息——postSyncBarrier
- 2.2、发送异步消息
- 2.3、处理消息
- 2.4、移除屏障消息——removeSyncBarrier
- 2、系统什么时候添加同步屏障？
- 参考
1、背景
这里我们假设一个场景：我们向主线程发送了一个UI绘制操作Message，而此时消息队列中的消息非常多，那么这个Message的处理可能会得到延迟，绘制不及时造成界面卡顿。同步屏障机制的作用，是让这个绘制消息得以越过其他的消息，优先被执行。
2、何为同步屏障？
Handler的message分为三种
- 同步消息
- 异步消息
- 屏障消息
通常我们使用handler发送消息，都是使用默认的构造函数构造handler，然后使用send方法发送。这样发送的消息都是普通消息也就是同步消息，发出去的消息就会在MessageQueue中排队。异步消息正常情况下跟同步消息没有区别，只有在设置了同步屏障之后，才会出现差异。
什么是同步屏障？
- 开启同步屏障的第一步需要发送一个特殊消息作为屏障消息，当消息队列检测到了这种消息后，就会从这个消息开始，遍历后续的消息，只处理其中被标记为“异步”的消息，忽略同步消息（所以叫“同步屏障”），相当于给一部分消息开设了“VIP”优先通道。当使用完同步屏障后我们还注意移除屏障。
那么同步屏障如何使用，如何运行的呢，主要分为以下四步：
- 发送屏障消息（Message中target为空，target的类型是Handler）
- 发送异步消息（发送被标记为asynchronous的消息）
- 处理消息
- 移除屏障消息（通过发送屏障消息时返回的token来删除消息）
图示Android系统原理之Handler同步屏障
2.1、 发送屏障消息——postSyncBarrier
MessageQueue中的postSyncBarrier方法：
public int postSyncBarrier() {// uptimeMillis会返回从系统启动开始到现在的时间（不包括深度睡眠的时间）：milliseconds of non-sleep uptime since bootreturn postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
}private int postSyncBarrier(long when) {// Enqueue a new sync barrier token.// We dont need to wake the queue because the purpose of a barrier is to stall it.// 上面的意思是放一个新的同步屏障消息到队列中，它就会一直在那挡着（直到你移除它）synchronized (this) {// 屏障消息的token，作为唯一标识，用于移除屏障消息final int token = mNextBarrierToken++;// 循环利用Message对象final Message msg = Message.obtain();// 标记为正在使用，记录时间与tokenmsg.markInUse();msg.when = when;msg.arg1 = token;// 下面代码的目的就是把屏障消息按时间排序插入到消息队列中，// 前面的是早于自己的消息，后面的是晚于自己的消息// 1、找到两个相邻的消息，使得 prev.when < msg.when < p.whenMessage prev = null;Message p = mMessages;if (when != 0) {while (p != null && p.when <= when) {prev = p;p = p.next;}}// 2、插入屏障消息到prev与p之间if (prev != null) { // invariant: p == prev.nextmsg.next = p;prev.next = msg;} else {msg.next = p;mMessages = msg;}return token;}
}
该方法会返回一个token，在移除屏障消息的时候使用。
- 这里插一句，感觉很多人其实不理解token到底是什么意思，我们在用户登录的时候也会用到token，其实token的意义就是一个唯一标识，
token意思是“已经发生了”，就是给一个已发生的事物一个唯一标识。
postSyncBarrier的作用就是在消息队列中插入一个屏障消息，插入到什么位置呢，按消息的先来后到，排到对应的位置（消息都有记录when的，按when大小排队）。这里注意了，这个消息是没有给Message中的target赋值的，这个会作为后面判断是否开启同步屏障的依据。
2.2、发送异步消息
添加异步消息有两种办法：
- 使用异步类型的Handler发送的全部Message都是异步的
- 给Message标志异步
给Message标记异步是比较简单的，通过setAsynchronous方法即可。
Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_FRAME);
msg.setAsynchronous(true);
mHandler.sendMessageAtTime(msg, nextFrameTime);public void setAsynchronous(boolean async) {if (async) {flags |= FLAG_ASYNCHRONOUS;} else {flags &= ~FLAG_ASYNCHRONOUS;}
}
Handler有一系列带Boolean类型的参数的构造器，这个参数就是决定是否是异步Handler：
public Handler(@NonNull Looper looper, @Nullable Callback callback, boolean async) {mLooper = looper;mQueue = looper.mQueue;mCallback = callback;// 这里赋值mAsynchronous = async;
}在发送消息的时候就会给Message赋值：
private boolean enqueueMessage(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,long uptimeMillis) {msg.target = this;msg.workSourceUid = ThreadLocalWorkSource.getUid();// 赋值if (mAsynchronous) {msg.setAsynchronous(true);}return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
2.3、处理消息
在MessageQueue的next方法中进行了消息读取，在这里做了同步屏障的相关判断：
......int nextPollTimeoutMillis = 0;for (;;) {......// 阻塞，nextPollTimeoutMillis为等待时间，如果为-1则会一直阻塞nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);synchronized (this) {// Try to retrieve the next message. Return if found.// 下面的代码目的是获取一个可用的消息，如果找到就return，// 没找到就继续后面我省略的代码（省略了IdHandler的相关代码）// 获取时间，还是通过uptimeMillis这个方法final long now = SystemClock.uptimeMillis();Message prevMsg = null;Message msg = mMessages;// 如果队列头部消息为屏障消息，即“target”为空的消息，则去寻找队列中的异步消息if (msg != null && msg.target == null) {// Stalled by a barrier. Find the next asynchronous message in the queue.do {prevMsg = msg;msg = msg.next;} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());}// 如果队列头部消息不是屏障消息，就会直接处理// 如果是，就会获取异步消息，获取的到就处理，获取不到就去运行省略的代码if (msg != null) {if (now < msg.when) {// 当前时间小于消息的时间，设置进入下次循环后的等待时间// Next message is not ready. Set a timeout to wake up when it is ready.nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);} else {// Got a message.// 一个标记，表示next循环是不是还在被阻塞着mBlocked = false;// 移除消息if (prevMsg != null) {// 移除异步消息prevMsg.next = msg.next;} else {// 移除同步消息mMessages = msg.next;}msg.next = null;// 标记为正在使用msg.markInUse();return msg;}} else {// No more messages.// 没有获取到消息，接下来运行下面省略的代码，nextPollTimeoutMillis为“-1”，在循环开始的nativePollOnce方法将会一直阻塞。nextPollTimeoutMillis = -1;}// Process the quit message now that all pending messages have been handled.if (mQuitting) {dispose();return null;}......// IdleHandler}// end of synchronized......// IdleHandler}
}
可以看到，在next方法的无限循环中，首先是nativePollOnce阻塞，然后是取消息的同步代码块（使用synchronized包裹），在这其中，首先取消息队列的头部消息（即mMessages），如果是屏障消息（消息的target为空），则寻找队列中的异步消息进行处理，否则直接处理这条头部消息。
在找到合适的消息后（if(msg != null)），会将即将处理的消息移除队列并返回；当然，如果没有找到就会将nextPollTimeoutMillis置为-1，让循环进入阻塞状态。
在next方法返回消息后，Looper会调用Handler的dispatchMessage回调到对应的方法中，我们来看看Looper.loop()方法：
public static void loop() {.....for (;;) {// 无限取消息，“might block” 指的就是nativePollOnce的阻塞Message msg = queue.next(); // might blockif (msg == null) {// No message indicates that the message queue is quitting.// 如果返回的消息是空的，则会退出循环。如果循环没退出并且没有消息，则会被nativePollOnce阻塞着。return;}......// 分发消息，target即是发送消息的Handlermsg.target.dispatchMessage(msg);......// 回收消息msg.recycleUnchecked();
}
最后Handler的dispatchMessage就会调用到handleMessage或者Message的callback（callback为Runnable对象），运行消息所指向的内容：
public void dispatchMessage(Message msg) {if (msg.callback != null) {handleCallback(msg);} else {if (mCallback != null) {if (mCallback.handleMessage(msg)) {return;}}handleMessage(msg);}
}2.4、移除屏障消息——removeSyncBarrier
使用同步屏障一定要记得移除消息，消息队列是不会自动移除的。我们通过MessageQueue的removeSyncBarrier方法移除屏障消息：
// Remove a sync barrier token from the queue.// If the queue is no longer stalled by a barrier then wake it.synchronized (this) {// 找出屏障消息Message prev = null;Message p = mMessages;while (p != null && (p.target != null || p.arg1 != token)) {prev = p;p = p.next;}if (p == null) {throw new IllegalStateException("The specified message queue synchronization "+ " barrier token has not been posted or has already been removed.");}// 移除屏障消息，并判断是否需要唤醒队列（nativePollOnce用于阻塞，nativeWake用于唤醒）final boolean needWake;if (prev != null) {prev.next = p.next;needWake = false;} else {mMessages = p.next;needWake = mMessages == null || mMessages.target != null;// 消息队列为空或者首个消息不为屏障消息}// 被移除的屏障消息需要回收p.recycleUnchecked();// If the loop is quitting then it is already awake.// We can assume mPtr != 0 when mQuitting is false.if (needWake && !mQuitting) {nativeWake(mPtr);}}
}
在removeSyncBarrier方法中，首先是去寻找屏障消息，找不到会抛出异常；
然后是移除屏障消息，并且判断是否需要唤醒消息队列继续取消息（唤醒next方法，这里的nativeWake用于唤醒，next方法中的nativePollOnce用于阻塞）。
2、系统什么时候添加同步屏障？
在请求监听Vsync信号时，阻塞Handler消息队列中的同步消息，优先保证接收Vsync信号的异步消息，及时生成新的屏幕数据，供屏幕显示。
关于Handler同步屏障你可能不知道的问题
我们的手机屏幕刷新频率有不同的类型，60Hz、120Hz等。60Hz表示屏幕在一秒内刷新60次，也就是每隔16.6ms刷新一次。屏幕会在每次刷新的时候发出一个 VSYNC 信号，通知CPU进行绘制计算。具体到我们的代码中，可以认为就是执行onMesure()、onLayout()、onDraw()这些方法。
1、view绘制的起点是在 viewRootImpl.requestLayout() 方法开始，这个方法会去执行上面的三大绘制任务，就是测量布局绘制。但是，重点来了：
2、调用requestLayout()方法之后，并不会马上开始进行绘制任务，而是会给主线程设置一个同步屏障，并设置 VSYNC 信号监听。
3、当 VSYNC 信号的到来，会发送一个异步消息到主线程Handler，执行我们上一步设置的绘制监听任务，并移除同步屏障
- 这里我们只需要明确一个情况：调用
requestLayout()方法之后会设置一个同步屏障，直到VSYNC信号到来才会执行绘制任务并移除同步屏障。
@Overridepublic void requestLayout() {if (!mHandlingLayoutInLayoutRequest) {//校验主线程checkThread();mLayoutRequested = true;//调用这个方法启动绘制流程scheduleTraversals();}}//在调用scheduleTraversals()的时候 postSyncBarrier添加同步消息屏障@UnsupportedAppUsagevoid scheduleTraversals() {if (!mTraversalScheduled) {mTraversalScheduled = true;//1. 往主线程的Handler对应的MessageQueue发送一个同步屏障消息mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();//2.将mTraversalRunnable保存到Choreographer中mChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);if (!mUnbufferedInputDispatch) {scheduleConsumeBatchedInput();}notifyRendererOfFramePending();pokeDrawLockIfNeeded();}} ...//在doTraversal方法中移除同步消息屏障void doTraversal() {if (mTraversalScheduled) {mTraversalScheduled = false;//移除同步屏障mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);...}}在这个方法中，涉及到三个比较重要的信息
- mTraversalRunnable
- 首先看
mTraversalRunnable，它的作用就是从ViewRootImpl从上往下执行performMeasure、performLayout、performDraw。
- 首先看
- Choreographer编舞者
- 同步屏障消息
Choreographer主要是为了配合Vsync信号，给上层app的渲染提供一个稳定的Message处理时机，也就是Vsync信号到来时，系统通过对Vsync信号的调整，来控制每一帧绘制操作的时机。当Vsync信号到来时，会往主线程的MessageQueue中插入一条异步消息，由于在scheduleTraversals中给MessageQueue中插入了同步屏障消息，那么当执行到同步屏障时，会取出异步消息执行。
看下Choreography中插入消息的方法是如何实现的：
private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,Object action, Object token, long delayMillis) {synchronized (mLock) {...if (dueTime <= now) {scheduleFrameLocked(now);} else {Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);msg.arg1 = callbackType;//设置为异步消息msg.setAsynchronous(true);mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);}}}
参考
1 、什么是Handler的同步屏障机制？
2、关于Handler同步屏障你可能不知道的问题
3、图示Android系统原理之Handler同步屏障（三）
4、源码阅读#Handler（下）同步屏障与IdleHandler
Android：同步屏障的简单理解和使用相关推荐
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