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前言
今天一个朋友去面试，被问到
- 为什么 Loop 死循环而不阻塞 UI 线程？
- 为什么子线程不能更新 UI？是不是子线程一定不可以更新 UI？
- SurfaceView 是为什么可以直接子线程绘制呢？
- 用 SurfaceView 做一个小游戏，别踩百块，so easy!
今天我们来一起讨论一下这些问题，在看下面讨论时，你需要掌握 Android Handler，View 线程等基础知识。
单线程 异步消息的原理
我们刚开始学习移动端开发的时候，不管是 Android，还是 IOS，经常会听到一句话，网络请求是耗时操作，需要开一个单独的线程请求网络。
而如果最近接触过 Flutter 的同学，可能知道网络请求只是一个异步操作，不需要开单独的线程或者进程进行耗时请求，那这种机制是什么样的原理呢？
这里先解释一下，网络请求是一个耗时操作的确是没问题的，但是他不是一个耗 CPU 的操作，他仅仅是一个异步操作。那异步操作是不是可以用单线程就实现了呢？（因为他不耗 CPU）
我们看一下异步消息的模型（生产者消费者模型），如下:
那么单线程的话，怎么搞呢？其实只要一个消息不断的去读队列，如果没有消息，那就只等待状态，只要有消息进来，比如点击事件，滑动事件等，就可以直接取出消息执行。
下面我们来看一下 Android 里面的异步消息实现机制 Handler，主线程在 APP 启动 (ActivityThread) 的时候，就会启动消息循环，如下：
//ActivityThread 省略部分代码
public static void main(String[] args) {AndroidOs.install();
Process.setArgV0("<pre-initialized>");
Looper.prepareMainLooper(); //Handler 启动机制：Looper.prepare()
ActivityThread thread = new ActivityThread();
thread.attach(false, startSeq);
if (sMainThreadHandler == null) {sMainThreadHandler = thread.getHandler();
}
Looper.loop();////Handler 启动原理：Looper.loop()
}为什么 Loop 死循环而不阻塞 UI 线程？
//Looper
public static void loop() {final Looper me = myLooper();
for (;;) {Message msg = queue.next(); // might block
if (msg == null) {
// No message indicates that the message queue is quitting.
return;
}
...
}
}
....这个从上面的单线程异步消息模型，我们就可以知道，他不是阻塞线程了，而是只要有消息插入 MessageQueue 队列，就可以直接执行。
UI 更新被设计成单线程（主线程或者说是 UI 线程）的原因
我们知道 UI 刷新，需要在规定时间内完成，以此带来流畅的体验。如果刷新频率是 60HZ 的话，需要在 16ms 内完成一帧的绘制，除了一些人为原因，怎么做才能达到 UI 刷新高效呢？
事实就是 UI 线程被设计成单线程访问？这样有什么好处呢？
- 单线程访问，是不需要加锁的。
- 如果多个线程访问那就需要加锁，耗时会比较多，如果多线程访问不加锁，多个线程共同访问更新操作同一个 UI 控件时容易发生不可控的错误。
所以 UI 线程被设计成单线才能程访问，也是这样设计的一个伪锁。
是不是子线程一定不可以更新 UI
答案是否定的，有些人可能认为 SurfaceView 的画布就可以在子线程中访问，这个本来就是另外的一个范畴，我们下一节讨论。
从上面一节，我们知道，UI 线程被设计成单线程访问的，但是看代码，他设计只是在访问 UI 的时候检测线程是否是主线程。如下:
//ViewRootImpl
void checkThread() {if (mThread != Thread.currentThread()) {
throw new CalledFromWrongThreadException("Only the original thread that created a view hierarchy can touch its views.");
}
}那我们可不可以绕过这个 checkThread 方法呢？来达到子线程访问 UI，我们先看一段代码：
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
private TextView tvTest;
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
tvTest = findViewById(R.id.tvTest);
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {tvTest.setText("测试子线程加载");
}
}).start();}
}这段代码是可以直接运行成功的，并且没有任何问题，那这是是为什么呢？可能你已经猜想到这是为什么了—— 绕过了 checkThread 方法。
下面来分析一下原因: 访问及刷新 UI，最后都会调用到 ViewRootImpl，如果对 ViewRootImpl 还很陌生，可以现场 Google。
那么直接在 onCreate 启动时，ViewRootImpl 肯定还没启动起来啊，不然，那刷新肯定失败，我们可以验证一下。把上面 Thread 里面加一个延迟, 变成这样
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
private TextView tvTest;
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
tvTest = findViewById(R.id.tvTest);
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
}
tvTest.setText("测试子线程加载");
}
}).start();}
}运行起来直接崩溃
android.view.ViewRootImpl$CalledFromWrongThreadException: Only the original thread that created a view hierarchy can touch its views.
at android.view.ViewRootImpl.checkThread(ViewRootImpl.java:7753)
at android.view.ViewRootImpl.requestLayout(ViewRootImpl.java:1225)
at android.view.View.requestLayout(View.java:23093)
at android.view.View.requestLayout(View.java:23093)
at android.view.View.requestLayout(View.java:23093)
at android.view.View.requestLayout(View.java:23093)
at android.view.View.requestLayout(View.java:23093)
at android.view.View.requestLayout(View.java:23093)
at androidx.constraintlayout.widget.ConstraintLayout.requestLayout(ConstraintLayout.java:3172)
at android.view.View.requestLayout(View.java:23093)
at android.widget.TextView.checkForRelayout(TextView.java:8908)
at android.widget.TextView.setText(TextView.java:5730)
at android.widget.TextView.setText(TextView.java:5571)
at android.widget.TextView.setText(TextView.java:5528)
at com.ding.carshdemo.MainActivity$1.run(MainActivity.java:27)和猜想一致，那么 ViewRootImpl 是什么时候被启动起来的呢？
当 Activity 准备好后，最终会调用到 Activity 中的 makeVisible，并通过 WindowManager 添加 View, 代码如下
//Activity
void makeVisible() {if (!mWindowAdded) {ViewManager wm = getWindowManager();
wm.addView(mDecor, getWindow().getAttributes());
mWindowAdded = true;
}
mDecor.setVisibility(View.VISIBLE);
}看一下 wm addView 方法
//WindowManagerImpl
public void addView(@NonNull View view, @NonNull ViewGroup.LayoutParams params) {applyDefaultToken(params);
mGlobal.addView(view, params, mContext.getDisplay(), mParentWindow);
}在看一下 mGlobal.addView 方法
//WindowManagerGlobal
public void addView(View view, ViewGroup.LayoutParams params,
Display display, Window parentWindow) {
ViewRootImpl root;
.....
View panelParentView = null;
synchronized (mLock) {root = new ViewRootImpl(view.getContext(), display);
view.setLayoutParams(wparams);
mViews.add(view);
mRoots.add(root);
}
...
}终于找到了 ViewRootImpl 的创建。那么回到上面 makeVisible 是什么时候被调用到的呢？看 Activity 启动流程时，我们知道，Ativity 的启动和 AMS 交互的代码在 ActivityThread 中，搜索 makeVisible 方法，可以看到调用地方为
//ActivityThrea
public void handleResumeActivity(IBinder token, boolean finalStateRequest, boolean isForward,
String reason) {
...
if (r.activity.mVisibleFromClient) {r.activity.makeVisible();
}
...
}
private void updateVisibility(ActivityClientRecord r, boolean show) {
....
if (show) {if (!r.activity.mVisibleFromServer) {if (r.activity.mVisibleFromClient) {r.activity.makeVisible();
}
...
}
// 调用 updateVisibility 地方为
handleStopActivity() handleWindowVisibility() handleSendResult()这里我们只关注 ViewRootImpl 创建的第一个地方，从 Acitivity 声明周期 handleResumeActivity 会被优先调用到，也就是说在 handleResumeActivity 启动后（OnResume），ViewRootImpl 就被创建了，这个时候，就无法在在子线程中访问 UI 了，上面子线程延迟了一会，handleResumeActivity 已经被调用了，所以发生了崩溃。
SurfaceView 是为什么可以直接子线程绘制呢?
我们一般的 View 有一个 Surface，并且对应 SurfaceFlinger 的一块内存区域。这个本地 Surface 和 View 是绑定的，他的绘制操作，最终都会调用到 ViewRootImpl，那么这个就会被检查是否主线程了，所以只要在 ViewRootImpl 启动后，访问 UI 的所有操作都不可以在子线程中进行。
那 SurfaceView 为什么可以子线程访问他的画布呢？如下
public class MainActivity extends AppCompatActivity implements SurfaceHolder.Callback {
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
SurfaceView surfaceView = findViewById(R.id.sv);
surfaceView.getHolder().addCallback(this);
}
@Override
public void surfaceCreated(final SurfaceHolder holder) {new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {while (true){Canvas canvas = holder.lockCanvas();
canvas.drawColor(Color.RED);
holder.unlockCanvasAndPost(canvas);
try {Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();}
@Override
public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width, int height) { }
@Override
public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) {}}其实查看 SurfaceView 的代码，可以发现他自带一个 Surface
public class SurfaceView extends View implements ViewRootImpl.WindowStoppedCallback {
...
final Surface mSurface = new Surface();
...
}在 SurfaceView 的 updateSurface()中
protected void updateSurface() {
....
if (creating) {
//View 自带 Surface 的创建
mSurfaceSession = new SurfaceSession(viewRoot.mSurface);
mDeferredDestroySurfaceControl = mSurfaceControl;
updateOpaqueFlag();
final String name = "SurfaceView -" + viewRoot.getTitle().toString();
mSurfaceControl = new SurfaceControlWithBackground(
name,
(mSurfaceFlags & SurfaceControl.OPAQUE) != 0,
new SurfaceControl.Builder(mSurfaceSession)
.setSize(mSurfaceWidth, mSurfaceHeight)
.setFormat(mFormat)
.setFlags(mSurfaceFlags));
}
//SurfaceView 中自带的 Surface
if (creating) {mSurface.copyFrom(mSurfaceControl);
}
....
}SurfaceView 中的 mSurface 也有在 SurfaceFlinger 对应的内存区域，这样就很容易实现子线程访问画布了。
这样设计有什么不好的地方吗？
因为这个 mSurface 不在 View 体系中，它的显示也不受 View 的属性控制，所以不能进行平移，缩放等变换，也不能放在其它 ViewGroup 中，一些 View 中的特性也无法使用。
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别踩百块
我们知道 SurfaceView 可以在子线程中刷新画布（所称的离屏刷新），那做一些刷新频率高的游戏，就很适合. 下面我们开始撸一个前些年比较火的小游戏。
看游戏分为几个步骤，这里主要讲一下原理和关键代码(下面有完整代码地址)
- 绘制一帧
- 动起来
- 手势交互
- 判断游戏是否结束
- 优化内存
绘制一帧
我们把一行都成一个图像，那么他有一个黑色块，和多个白色块组成. 那就可以简单抽象为：
public class Block {
private int height;
private int top;
private int random = 0; // 第几个是黑色块
}绘制逻辑
public void draw(Canvas canvas,int random){
this.random=random;
canvas.save();
for(int i=0;i<WhiteAndBlack.DEAFAUL_LINE_NUME;i++){if(random == i){blackRect=new Rect(left+i*width,top,width+width*i,top+height);
canvas.drawRect(left+i*width,top,width+width*i,top+height,mPaint);
}else if(error == i){canvas.drawRect(left+i*width,top,width+width*i,top+height, errorPaint);
}else{canvas.drawRect(left+i*width,top,width+width*i,top+height,mDefaultPaint);
}
}
canvas.restore();}那么一行的数据有了，我只需要一个 List 就可以绘制一屏幕的数据
//List<Block> list;
private void drawBg() {synchronized (list) {mCanvas.drawColor(Color.WHITE);
if (list.size() == 0) {for (int i = 0; i <= DEAULT_HEIGHT_NUM; i++) {addBlock(i);
}
} else {......}
}
}
private void addBlock(int i) {Block blok = new Block(mContext);
blok.setTop(mHeight - (mHeight / DEAULT_HEIGHT_NUM) * i);
int random = (int) (Math.random() * DEAFAUL_LINE_NUME);
blok.draw(mCanvas, random);
list.add(blok);
}要让其动起来
SurfaceView 在不断的刷新，那么只要让 List 里面的数据每一行的 top 不断增加，下面没有数据了，直接添加到上面
//SurfaceView 新开的子线程 Thread
@Override
public void run() {
isRunning=true;
while (isRunning){draw();
}
}
private void draw() {
try {mCanvas = mHolder.lockCanvas();
if(mCanvas !=null) {drawBg();
// removeNotBg();
// checkGameover(-1,-1);
}
}catch (Exception e){ }finally {mHolder.unlockCanvasAndPost(mCanvas);
}
}
private void drawBg() {synchronized (list) {mCanvas.drawColor(Color.WHITE);
if (list.size() == 0) {....} else {for (Block block : list) {
//top 不断添加
block.setTop(block.getTop() + mSpeend);
block.draw(mCanvas, block.getRandom());
}
if (list.get(list.size() - 1).getTop() >= 0) {Block block = new Block(mContext);
block.setTop(list.get(list.size() - 1).getTop() - (mHeight / DEAULT_HEIGHT_NUM));
int random = (int) (Math.random() * DEAFAUL_LINE_NUME);
block.draw(mCanvas, random);
// 如果上面的 top 出去了，那下面在加一个 block
list.add(block);
}
}
mCanvas.drawText(String.valueOf(count),350,mHeight/8,textPaint);
}
}手势交互
如果用户黑块点击了, 就开始游戏，如果已经开始，那么点击了正确的黑块，就绘制成灰色并加速，并检查游戏是否结束了
@Override
public boolean onTouchEvent(MotionEvent event) {switch (event.getAction()) {
case MotionEvent.ACTION_DOWN:
if(isRunning) {checkGameover((int) event.getX(), (int) event.getY());
}else{
count=0;
list.clear();
mSpeend=0;
thread = new Thread(this);
thread.start();}
break;
}
return super.onTouchEvent(event);
}绘制灰色代码见下面
判断游戏是否结束了
- 下面到屏幕底端了，还未点击
- 点击错误
private boolean checkGameover(int x,int y){synchronized (list) {for (Block block : list) {if(x !=-1 && y !=-1) {if (block.getBlackRect().contains(x, y)) {
count++;
if(mSpeend == 0){mSpeend=DensityUtils.dp2px(getContext(),10);
}else if(mSpeend <=10){mSpeend+=DensityUtils.dp2px(getContext(),2);
}else if(count == 60){mSpeend+=DensityUtils.dp2px(getContext(),2);
} else if(count == 100){mSpeend+=DensityUtils.dp2px(getContext(),2);
}else if(count == 200){mSpeend+=DensityUtils.dp2px(getContext(),1);
} else if(count == 300){mSpeend+=DensityUtils.dp2px(getContext(),1);
} else if(count == 400){mSpeend+=DensityUtils.dp2px(getContext(),1);
}
block.setBlcakPaint();} else if (y > block.getTop() && y < block.getTop() + block.getHeight()) {
isRunning = false;
block.setError(x / block.getWidth());
}
}else{if(block.getTop()+block.getHeight()-50 >=mHeight && !block.isChick()){
isRunning=false;
block.setError(block.getRandom());
}
}
}
}
return false;
}最后优化一下内存
因为我们在不断的添加 block，玩一会内存就爆了，可以学习 ListView，划出屏幕后上方就移除.
private void removeNotBg() {synchronized (list) {for (Block block : list) {if (block.getTop() >= mHeight) {needRemoveList.add(block);
}
}
if(needRemoveList.size() !=0){list.removeAll(needRemoveList);
needRemoveList.clear();}
}
}由于代码量比较小，直接上传到了百度云网盘，地址：pan.baidu.com/s/1-pSwF34O… 提取码: 2j3a
总结
在 Android/IOS/Flutter/Window 中，都有消息循环这套机制，保证了 UI 高效，安全。我们作为 Android 开发程序员，有必要掌握。如果文章对你有帮助，帮忙点一下赞，非常谢谢。
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作者：北斗星_And