Android Handler 浅析

Handler 老生常谈的问题了,非常建议看一下Handler 的源码。刚入行的时候,大佬们就说 阅读源码 是进步很快的方式。

Handler的基本原理

Handler 的 重要组成部分

  • Message 消息
  • MessageQueue 消息队列
  • Lopper 负责处理MessageQueue中的消息

图片来源网络

消息是如何添加到队列的

对照着上面的大的逻辑图,我们深入一下,看一下,一个消息 是如何被发送到 MessageQueue 又是如何被 Lopper 处理的

handler 发送一个message 的方法如下图所示

而这些方法最终都会执行 Handler 中的 enqueueMessage 方法,我们看一下 enqueueMessage 方法做了什么

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//Handler
private boolean enqueueMessage(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
long uptimeMillis) {
//...
//这里执行MessageQueue的 enqueueMessage
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}

消息队列如何将消息排序

MessageQueue 收到 消息以后,会根据时间进行排列

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//MessageQueue
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
if (msg.target == null) {
throw new IllegalArgumentException("Message must have a target.");
}
if (msg.isInUse()) {
throw new IllegalStateException(msg + " This message is already in use.");
}

synchronized (this) {
if (mQuitting) {
IllegalStateException e = new IllegalStateException(
msg.target + " sending message to a Handler on a dead thread");
Log.w(TAG, e.getMessage(), e);
msg.recycle();
return false;
}

msg.markInUse();
msg.when = when;
//step1 获取头部的message
Message p = mMessages;
boolean needWake;
//step2 头部的message 和 当前的message 对比,如果头部的message 执行时间要 小于 当前message 的时候
//那么就先执行当前的message
if (p == null || when == 0 || when < p.when) {
msg.next = p;
//头部的message 就变成了 当前的message
mMessages = msg;
needWake = mBlocked;
} else {
//step3 将当前消息 插入到 中间排队
needWake = mBlocked && p.target == null && msg.isAsynchronous();
Message prev;
//根据时间进行排序
for (;;) {
prev = p;
p = p.next;
if (p == null || when < p.when) {
break;
}
if (needWake && p.isAsynchronous()) {
needWake = false;
}
}
msg.next = p; // invariant: p == prev.next
prev.next = msg;
}

// We can assume mPtr != 0 because mQuitting is false.
if (needWake) {
nativeWake(mPtr);
}
}
return true;
}

Handler的消息队列在哪创建的

回到创建Handler的地方,他的构造方法

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//Handler
public Handler() {
this(null, false);
}
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//Handler
public Handler(Callback callback, boolean async) {
//...
//获取当前的looper
mLooper = Looper.myLooper();
//...
//获取looper 的 MessageQueue
mQueue = mLooper.mQueue;
//...
}
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//Looper
final MessageQueue mQueue;

private Looper(boolean quitAllowed) {
//在这里创建了一个 MessageQueue
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
//...
}

可以看到 Handler其实是拿着Looper 的MessageQueue当做自己的MessageQueue

Loope有什么作用

消息被有序的添加到了消息队列中,而Looper就是负责将消息从消息队列中取出。当执行Looper的loop()方法,Looper会从消息队列中取出消息,然后交给handler的dispatchMessage去处理消息

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//Looper
public static void loop() {
//...
for (;;) {
//从消息队列中获取消息
Message msg = queue.next(); // might block
//...
try {
//msg.traget 就是Handler
//使用 Handler 的 dispatchMessage() 处理消息
msg.target.dispatchMessage(msg);
//...
} catch (Exception exception) {
//...
}
//...
}
}

一个线程有几个Looper

要想知道有几个Lopper,肯定要先知道Looper在哪里创建。Looper有一个prepare方法

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//Looper
public static void prepare() {
prepare(true);
}

在这里会创建一个新的Looper 并且设置到了ThreadLocal

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//Looper
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
//通过 sThreadLocal get 检查是否已经有 looper
if (sThreadLocal.get() != null) {
//如果已经有了 就抛出异常
throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
}
//没有的话 就设置一个新的Looper
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}

在ThreadLocal可以看到是以map的形式去保存,保证了一个线程只有一个map,又将looper和ThreadLocal进行绑定

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//ThreadLocal
public void set(T value) {
//获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
//获取 ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
//有的话 就将当前的 ThreadLocal 和 Looper 绑定在一起,
if (map != null)
//set 以后 在上面 sThreadLocal.get() 就不会在为null了
map.set(this, value);
else
//没有的话 创建一个 ThreadLocalMap 在绑定在一起
createMap(t, value);
}

看到Looper中的 sThreadLocal

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//Looper
static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();

他是一个静态的 final 保证了 一个Looper只有一个 sThreadLocal

最终保证了,一个线程只有一个Looper

主线程什么时候执行preapre

想要使用Looper,肯定需要先prepare 去创建一个Looper,那么主线程如何创建Looper的呢?我们知道 java 程序的入口是 main 方法, 对于Android来说,其实也有一个main 方法,他的位置在 ActivityThread

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//ActivityThread
public static void main(String[] args) {
//...
//可以看到在这里 程序启动以后,Android 系统帮我们将主线程的Looper prepare
Looper.prepareMainLooper();

//...
//然后帮助我们启动了 loop
Looper.loop();
//...
}

Handler内存泄露

Handler为什么会有可能导致内存泄露? 我们知道 内部类会持有外部类的引用,当我们做一个延时任务,延时10S,然后在10S内退出Activity,在我们sendMessage的时候,handler对象被传递给msg 如👇所示,然后被存放在MessageQueue中。在这10S内,即使Activity销毁了,但是引用关系依然被保存在MessageQueue中,那么即使Activity销毁了,他的对象依然不会被GC销毁,因为他依然被引用。就导致内存未被回收。

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//Handler
private boolean enqueueMessage(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
long uptimeMillis) {
//这里 将 handler 本身的对象 传给 msg 的target
msg.target = this;
//...
}

那么如何处理Handler内存泄露呢

1.将Handler改成静态类。原因是因为静态类不会持有外部类的引用
2.继承Handler,将Activity作为弱引用使用
3.在界面退出的时候,调用Handler的removeMessages方法

消息队列没有消息时Handler如何挂起

Looper从MessageQueue中获取message,当获取不到message的时候,会将 nextPollTimeoutMillis置成-1,然后进入下次循环,当执行nativePollOnce方法时候,如果nextPollTimeoutMillis==-1那么就会执行Linux的epoll机制,让线程处于挂起状态,阻塞线程。

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//MessageQueue
Message next() {
for (;;) {
//step3: nextPollTimeoutMillis == -1 执行native 函数,
//执行 linux epoll 机制,线程处于等待状态,线程挂起
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);
synchronized (this) {
//...
if (msg != null) {

} else {
// step1:如果没有消息 nextPollTimeoutMillis 变成-1
nextPollTimeoutMillis = -1;
}

if (pendingIdleHandlerCount <= 0) {
// step2:跳出循环 进入下一次循环
mBlocked = true;
continue;
}
}
}
}
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//Looper
public static void loop() {
for (;;) {
//step4:这里也就挂起了
Message msg = queue.next(); // might block
}
}

Handler如何退出

使用looper去执行quit方法退出

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handler.looper.quit()
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//Looper
public void quit() {
mQueue.quit(false);
}
public void quitSafely() {
mQueue.quit(true);
}
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//MessageQueue
void quit(boolean safe) {
if (!mQuitAllowed) {
throw new IllegalStateException("Main thread not allowed to quit.");
}

synchronized (this) {
if (mQuitting) {
return;
}
//step1:将mQuitting 变量变成true
mQuitting = true;
//step2:删除所有的消息
if (safe) {
removeAllFutureMessagesLocked();
} else {
removeAllMessagesLocked();
}
//step3:唤醒线程
nativeWake(mPtr);
}
}
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//MessageQueue
Message next() {
for (;;) {
//step4:线程被唤醒。继续执行
nativePollOnce(ptr, nextPollTimeoutMillis);

//step5:检查到状态是 true 返回null 出去
if (mQuitting) {
dispose();
return null;
}
}
}
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//Looper
public static void loop() {
for (;;) {
//step6:这里也被唤醒获取到message == null
Message msg = queue.next(); // might block
//step7:最终在这里🔚循环
if (msg == null) {
return;
}
}
}

总结

Looper会先将消息队列中的消息全部清空,然后使用nativeWake的native方法唤醒线程,在上面我们介绍了,当消息队列中没有消息的时候,线程会挂起,处于等待状态,当我们唤醒以后,Looper的loop方法会继续执行下去,然后从MessageQueue中获取到一个null的Message,最终将Looper的loop()方法退出

主线程能够Quit么?

我们知道了 主线程是在ActivityThread的main方法中执行了Looper.prepareMainLooper()创建的Looper

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//Looper
@Deprecated
public static void prepareMainLooper() {
//step1: 注意看这里是一个false
prepare(false);
}
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//Looper
private static void prepare(boolean quitAllowed) {
//step2:new的Looper传入的是false
sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}
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//Looper
private Looper(boolean quitAllowed) {
//step3:创建的MessageQueue 传入的也是false
mQueue = new MessageQueue(quitAllowed);
mThread = Thread.currentThread();
}
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//MessageQueue
MessageQueue(boolean quitAllowed) {
//step4:将mQuitAllowed 变量变成了false
mQuitAllowed = quitAllowed;
}
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//MessageQueue
void quit(boolean safe) {
//step5:如果是false 就是主线程 会直接抛出错误
if (!mQuitAllowed) {
throw new IllegalStateException("Main thread not allowed to quit.");
}
}

回头在看一下 Looper的prepare方法,只有主线程可以创建一个不可以quit的MessageQueue,其他线程创建的都是可以quit的

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//Looper
//公开方法 prepare 传入的是true
public static void prepare() {
prepare(true);
}
//私有方法
private static void prepare(boolean quitAllowed)

//主线程 传入的是false
public static void prepareMainLooper() {
prepare(false);
}

为什么设计主线程不能被quit

在ActivityThread中,定义了一个H的类,继承了Handler,这个H的handler执行了Android所有的主要事件,比如广播,service,Activity生命周期等都是在这里进行处理,所以不能把主线程quit

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//ActivityThread
class H extends Handler {

}

消息如何知道是由哪个Handler发送的?

一个线程可以有多个Handler,想new几个都可以,在我们往MessageQueue中添加消息的时候,会加入一个target标记是哪个handler发送的

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//Handler
private boolean enqueueMessage(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
long uptimeMillis) {
//step1:在这里 就标记了是哪一个handler 发送的
msg.target = this;
//...
}
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//Looper
public static void loop() {
//...
for (;;) {
//...
try {
//step2:这里就对应起来是哪一个handler 发送的message
msg.target.dispatchMessage(msg);
//...
} catch (Exception exception) {
//...
}
//...
}

Handler如何确保线程安全的

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//MessageQueue
boolean enqueueMessage(Message msg, long when) {
//step1:通过加锁的方式,保证了添加消息到消息队列的安全
synchronized (this) {
}
}
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//MessageQueue
Message next() {
for (;;) {
//step2:通过枷锁的方式保证了读取消息的安全
synchronized (this) {
}
}
}

Message如何复用的

看一下我们quit的时候,是怎么从消息队列中清空消息的

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//MessageQueue
void quit(boolean safe) {
synchronized (this) {
//step1: 清除所有的消息
if (safe) {
removeAllFutureMessagesLocked();
} else {
removeAllMessagesLocked();
}
}
}
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//MessageQueue
private void removeAllMessagesLocked() {
Message p = mMessages;
while (p != null) {
Message n = p.next;
//step2:执行message的方法
p.recycleUnchecked();
p = n;
}
mMessages = null;
}
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//Message
void recycleUnchecked() {
//step3:将所有的变量全部清空
flags = FLAG_IN_USE;
what = 0;
arg1 = 0;
arg2 = 0;
obj = null;
replyTo = null;
sendingUid = UID_NONE;
workSourceUid = UID_NONE;
when = 0;
target = null;
callback = null;
data = null;

synchronized (sPoolSync) {
//默认50个Message
if (sPoolSize < MAX_POOL_SIZE) {
//step4:将已经清空状态的Message 放到一个新的链表中
next = sPool;
sPool = this;
sPoolSize++;
}
}
}

使用obtain方法会从之前清空状态的链表中取出一个Message去使用,减少创建Message带来的内存消耗。

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//Message
public static Message obtain() {
synchronized (sPoolSync) {
if (sPool != null) {
//step5:从已经清空状态的链表中取出一个Message使用
Message m = sPool;
sPool = m.next;
m.next = null;
m.flags = 0; // clear in-use flag
sPoolSize--;
return m;
}
}
return new Message();
}

这种设计模式称为享元设计模式

为什么主线程loop不会导致ANR

首先要知道ANR是怎么出现的,ANR出现的条件有两个

  • 5秒内没有响应输入的事件,触摸反馈等
  • 广播10秒内没有执行完毕

在上面我们分析知道,所有的事件都是由Handler进行分发,在主线程上,发送一个事件,这个事件耗时,将主线程的loop()给卡主,让他只能执行当前任务,不能去处理其他事件就出现了ANR

ANR的本质是由于不能及时处理消息导致的,和他的loop是没有任何关系的

Handler同步屏障

同步屏障概念

啥叫同步屏障,字面意思,就是阻挡同步消息,那么Handler同步屏障是干啥的,没错,你没听错,就是阻挡同步消息,让异步消息过去。阻挡同步消息 这就是同步屏障

在发送消息的时候,mAsynchronous 控制着是否发送的消息是否为异步消息

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//Handler
private boolean enqueueMessage(@NonNull MessageQueue queue, @NonNull Message msg,
long uptimeMillis) {
msg.target = this;
msg.workSourceUid = ThreadLocalWorkSource.getUid();

//如果是true 则将消息标记为异步消息
if (mAsynchronous) {
msg.setAsynchronous(true);
}
return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}

在Handler构造方法中,控制则是否是异步消息。但是这个方法是hide,正常我们是不能调用的

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//Handler
@hide
public Handler(@Nullable Callback callback, boolean async) {
//这里控制着变量
mAsynchronous = async;
}

开启同步屏障

那么如何开启同步屏障呢,MessageQueue 中提供了一个 postSyncBarrier 方法 开启同步屏障,

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//MessageQueue
public int postSyncBarrier() {
return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
}
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//MessageQueue
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) {
final int token = mNextBarrierToken++;
final Message msg = Message.obtain();
msg.markInUse();
//👇 注意这里 开启以后没有设置target, 所以Messaged的target 是 null
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;
}
}
if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
msg.next = p;
prev.next = msg;
} else {
msg.next = p;
mMessages = msg;
}
//返回一个 token 用来取消同步屏障时候使用
return token;
}
}

同步屏障工作原理

开启以后,同步屏障如何将异步消息传递出去,将同步消息阻挡下来呢

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//MessageQueue
Message next() {
//...
//step1:👇 看到这里 一旦收到target == null 表示同步屏障打开了
if (msg != null && msg.target == null) {
do {
prevMsg = msg;
msg = msg.next;
//step2:👇 这里就做一个循环, 寻找异步消息
} while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
}
//step3:当找到异步消息以后
if (msg != null) {
//step4:判断是否到了要执行异步消息的时间
if (now < msg.when) {
//如果还没到,就等nextPollTimeoutMillis
nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
} else {
//如果到了执行时间 从链表中移除他
mBlocked = false;
if (prevMsg != null) {
prevMsg.next = msg.next;
} else {
mMessages = msg.next;
}
msg.next = null;
if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
msg.markInUse();
return msg;
}
}
}

取消同步屏障

取消同步屏障以后,会唤醒线程,去处理之前未被处理的同步消息。

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//MessageQueue
public void removeSyncBarrier(int token) {

synchronized (this) {
Message prev = null;
Message p = mMessages;
//step1:通过token 寻找设置的同步屏障
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.");
}
final boolean needWake;
//step2:从链表中移除
if (prev != null) {
prev.next = p.next;
needWake = false;
} else {
mMessages = p.next;
needWake = mMessages == null || mMessages.target != null;
}
//step3:将Message清空
p.recycleUnchecked();


if (needWake && !mQuitting) {
//step4:唤醒线程
nativeWake(mPtr);
}
}
}

GIF演示

下面以一个简单的示例更佳直观的表现,示例分成3中情况

  • 没有启动同步屏障,发送同步消息 发送异步消息
  • 开启同步屏障,发送同步消息 发送异步消息
  • 开启同步屏障,发送同步消息 发送异步消息 在取消同步屏障

没有启动同步屏障,发送同步消息 发送异步消息

可以看到,如果不开启同步屏障,对于Handler 来说 消息都是会被发送出去

开启同步屏障,发送同步消息 发送异步消息

通过对比能够发现,当开启同步屏障以后,发送的同步消息并没有打印,只有异步消息打印了,说明同步屏障确实只能够允许异步消息通过

开启同步屏障,发送同步消息 发送异步消息 在取消同步屏障

当我们移除同步屏障以后,之前没有收到的同步消息,会立马同步过来

演示代码

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class HandlerAct : AppCompatActivity() {

companion object {
const val TAG = "handler-tag"
const val MESSAGE_TYPE_SYNC = 0x01
const val MESSAGE_TYPE_ASYN = 0x02
}


private var index = 0

private lateinit var handler :Handler

private var token: Int? = null

@RequiresApi(Build.VERSION_CODES.M)
override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
super.onCreate(savedInstanceState)
setContentView(R.layout.activity_handler)
initHandler()

linear.addView(MaterialButton(this).apply {
text = "插入同步屏障"
setOnClickListener {
sendSyncBarrier()
}
})

linear.addView(MaterialButton(this).apply {
text = "移除屏障"
setOnClickListener {
removeSyncBarrier()
}
})


linear.addView(MaterialButton(this).apply {
text = "发送同步消息"
setOnClickListener {
sendSyncMessage()
}
})

linear.addView(MaterialButton(this).apply {
text = "发送异步消息"
setOnClickListener {
sendAsynMessage()
}
})

}

private fun initHandler() {
Thread {
Looper.prepare()
handler = Handler(){
when(it.what){
MESSAGE_TYPE_SYNC -> {
Log.i(TAG, "收到同步消息<========== index:${it.arg1}")
}
MESSAGE_TYPE_ASYN -> {
Log.i(TAG, "收到异步消息<========== index:${it.arg1}")
}
}
true
}
Looper.loop()
}.start()
}

private fun sendSyncMessage() {
index++
Log.i(TAG, "插入同步消息==========> index:$index")
val message = Message.obtain()
message.what = MESSAGE_TYPE_SYNC
message.arg1 = index
handler.sendMessageDelayed(message, 1000)
}

//往消息队列插入异步消息
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP_MR1)
private fun sendAsynMessage() {
index++
Log.i(TAG, "插入异步消息==========> index:$index")
val message = Message.obtain()
message.what = MESSAGE_TYPE_ASYN
message.arg1 = index
message.isAsynchronous = true
handler.sendMessageDelayed(message, 1000)
}


@RequiresApi(Build.VERSION_CODES.M)
@SuppressLint("DiscouragedPrivateApi")
fun sendSyncBarrier() {
try {
Log.d(TAG, "插入同步屏障")
val queue: MessageQueue = handler.looper.queue
val method: Method = MessageQueue::class.java.getDeclaredMethod("postSyncBarrier")
method.isAccessible = true
token = method.invoke(queue) as Int
Log.d(TAG, "token:$token")
} catch (e: Exception) {
e.printStackTrace()
}
}

//移除屏障
@SuppressLint("DiscouragedPrivateApi")
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.M)
fun removeSyncBarrier() {
Log.i(TAG, "移除屏障")
try {
val queue: MessageQueue = handler.looper.queue
val method: Method = MessageQueue::class.java.getDeclaredMethod(
"removeSyncBarrier",
Int::class.javaPrimitiveType
)
method.isAccessible = true
method.invoke(queue, token)
} catch (e: Exception) {
e.printStackTrace()
}
}

}