Android消息循环的同步屏障机制及UI渲染性能的提升（Android Q）

我们在 Handler线程通信机制：实战、原理、性能优化！ 中已经知道了Handler的消息同步机制，在MessageQueue的next方法中，有一段逻辑是处理同步屏障的，我们在本章中将分析同步屏障是什么？原理？以及它在Android中的使用。

同步屏障机制的原理

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在Handler的介绍中，我们已经了解了同步屏障，但当时这块不是重点介绍的内容，我们来复习一下它的实现原理。

MessageQueue的next方法：

    Message next() {
        ……
        for (;;) {
            ……
            synchronized (this) {
                // Try to retrieve the next message.  Return if found.
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                Message prevMsg = null;
                Message msg = mMessages;
                if (msg != null && msg.target == null) {//同步屏障消息
                    // Stalled by a barrier.  Find the next asynchronous message in the queue.
                    do {
                        prevMsg = msg;
                        msg = msg.next;
                    } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
                }
                ……
    }

在MessageQueue的next方法中，获取当前执行的消息时，首先对消息进行了判断，如果当前消息是同步屏障消息，则屏蔽后续所有同步消息的执行，异步消息不受影响。

同步屏障消息对象的target属性是null，也就是没有持有Handler对象的引用。

这里我们回想一下，如果消息通过Handler的sendMessage方法添加到消息队列时，会判断target是否为null，如果是null则会抛出错误，所以同步屏障消息的添加不是通过Handler的常用方法添加的。

同步屏障的添加和移除

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既然同步屏障不是通过Handler的sendMessage等方法添加的，那么它又是通过哪个方法进行设置的呢？

我们在MessageQueue中发现是postSyncBarrier方法添加的同步屏障消息。

同步屏障的添加

MessageQueue的postSyncBarrier方法：

    @TestApi
    public int postSyncBarrier() {
        return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
    }

    private int postSyncBarrier(long when) {
        // Enqueue a new sync barrier token.
        // We don't need to wake the queue because the purpose of a barrier is to stall it.
        synchronized (this) {
            //获取token值
            final int token = mNextBarrierToken++;
            //生成一个同步屏障消息
            final Message msg = Message.obtain();
            msg.markInUse();
            msg.when = when;
            msg.arg1 = token;

            Message prev = null;
            Message p = mMessages;
            if (when != 0) {
                while (p != null && p.when <= when) {
                    prev = p;
                    p = p.next;
                }
            }
            //将同步屏障消息插入到合适的消息队列位置
            if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
                msg.next = p;
                prev.next = msg;
            } else {
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
            }
            return token;
        }
    }

逻辑解析：

1. postSyncBarrier方法调用了有参的postSyncBarrier方法，传递了一个执行时间的参数。
2. 在同步代码块中，执行添加逻辑。
3. 首先通过mNextBarrierToken属性获取一个int类型的token，它也是该方法的返回值，用于移除屏障时使用。
4. 获取了一个新的Message对象，注意这里没有设置target属性，正常的消息target属性不能为空。
5. 根据when属性，将同步屏障消息添加到消息队列的合适位置。
6. 最后返回token。

注意：添加同步屏障，不需要唤醒线程。

同步屏障的移除

同步屏障添加后，并不能自动移除，需要调用系统接口手动移除。

MessageQueue的removeSyncBarrier方法：

    public void removeSyncBarrier(int token) {//参数token就是我们添加同步屏障时的返回值。
        // Remove a sync barrier token from the queue.
        // If the queue is no longer stalled by a barrier then wake it.
        synchronized (this) {
            Message prev = null;
            Message p = mMessages;
            //如果当前消息不是同步屏障消息，则遍历消息链表进行查找
            while (p != null && (p.target != null || p.arg1 != token)) {
                prev = p;
                p = p.next;
            }
            if (p == null) {//没有找到则抛出error
                throw new IllegalStateException("The specified message queue synchronization "
                        + " barrier token has not been posted or has already been removed.");
            }
            final boolean needWake;//表示是否需要唤醒线程
            if (prev != null) {//表示同步屏障还未执行，所以不需要唤醒消息循环（唤醒线程）
                prev.next = p.next;
                needWake = false;
            } else {//同步屏障已经执行，需要唤醒消息循环（唤醒线程）
                mMessages = p.next;
                needWake = mMessages == null || mMessages.target != null;
            }
            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);
            }
        }
    }

逻辑解析：

1. MessageQueue的removeSyncBarrier方法可以移除同步屏障，参数是添加消息屏障的返回值token，用于移除指定的消息屏障。
2. removeSyncBarrier方法首先判断当前消息mMessages，是否是同步屏障消息，如果当前消息不是同步屏障消息，则遍历消息链表进行查找。
3. 如果没有找到同步屏障消息，则抛出Error，否则继续执行。
4. 如果同步屏障消息尚未执行，则删除该消息即可，不用执行唤醒消息循环。
5. 否则，当前消息既是同步屏障消息，删除该消息后，需要根据条件，进一步判断是否需要唤醒消息循环。
6. 最后，如果需要唤醒消息循环，并且当前消息循环未执行退出操作，则调用nativeWake方法执行唤醒操作。

同步消息屏障在Android系统中的使用场景

在Android系统中，当应用进行视图的刷新渲染时，用到了同步消息屏障，这里使用的目的是：优先保障视图的刷新逻辑的执行，避免UI线程执行其他同步任务导致的卡顿等问题。

ViewRootImpl的scheduleTraversals方法：

    @UnsupportedAppUsage
    void scheduleTraversals() {
        if (!mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = true;
            mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
            mChoreographer.postCallback(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
            if (!mUnbufferedInputDispatch) {
                scheduleConsumeBatchedInput();
            }
            notifyRendererOfFramePending();
            pokeDrawLockIfNeeded();
        }
    }

ViewRootImpl的scheduleTraversals方法，调用了MessageQueue的postSyncBarrier方法来添加一个同步消息屏障，然后执行视图渲染相关逻辑。

ViewRootImpl的unscheduleTraversals方法

当系统完成UI视图的渲染刷新后，会调用ViewRootImpl的unscheduleTraversals方法移除同步屏障。

    void unscheduleTraversals() {
        if (mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = false;
            mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
            mChoreographer.removeCallbacks(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
        }
    }

总结

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本文章我们学习了Android消息循环的同步屏障机制原理，以及Android系统中的使用，我们来简单总结下：

1. 在MessageQueue的next方法中，获取当前执行的消息时，首先对消息进行了判断，如果当前消息是同步屏障消息，则屏蔽后续所有同步消息的执行，异步消息不受影响。
2. 同步屏障消息对象的target属性是null，也就是没有持有Handler对象的引用。
3. 同步屏障的消息可以通过MessageQueue的postSyncBarrier方法进行添加，添加时，不需要进行消息循环的唤醒操作。
4. MessageQueue的postSyncBarrier方法的返回值是一个int类型的token，用于移除屏障时使用。
5. 同步屏障添加后，并不能自动移除，需要调用系统接口手动移除。
6. MessageQueue的removeSyncBarrier方法可以移除同步屏障，参数是添加消息屏障的返回值token。
7. 如果同步屏障消息尚未执行，则删除该消息即可，不用执行唤醒消息循环。
8. 当前消息既是同步屏障消息，删除该消息后，需要根据条件，进一步判断是否需要唤醒消息循环，如果需要唤醒消息循环，并且当前消息循环未执行退出操作，则调用nativeWake方法执行唤醒操作。
9. 在Android系统中，当应用进行视图的刷新渲染时，ViewRootImpl的scheduleTraversals方法中，用到了同步消息屏障。这里使用的目的是：优先保障视图的刷新逻辑的执行，避免UI线程执行其他同步任务导致的卡顿等问题。
10. 当系统完成UI视图的渲染刷新后，会调用ViewRootImpl的unscheduleTraversals方法移除同步屏障。