[Android] Thread, Handler, Looper, Message Queue 다루기

  Asynchronous Programming

 요즘 대부분의 프로그램들은 비동기적으로 실행이 됩니다. 안드로이드에서도 마찬가지로 다양한 방법을 이용하여 비동기 프로그래밍을 구현할 수 있습니다. 별도의 Thread를 생성하여 동시적으로 작업을 실행하게 하는 방법부터 AsyncTask, RxJava, RxKotlin, Coroutine 등 편리하게 구현할 수 있도록 많은 라이브러리들이 나타나고 있습니다. 하지만 안드로이드에서 제공해주는 Thread, Handler, Looper, Message Queue를 제대로 알고 있어야 기본 원리를 깨닫게 되고 다른 라이브러리들의 편리함을 알 수 있을 것 같아 공부를 하게 되었습니다. 

 

 

Thread

 안드로이드 애플리케이션을 실행하면 메모리에 올라와 프로세스가 실행되고 자동으로 메인 스레드(Main Thread) 까지 생성하고 실행하게 됩니다. Main Thread에서는 UI 관련된 작업들을 처리하게 되는데, Main Thread 이외의 일반 Thread에서는 UI 작업을 처리할 수 없도록 하였습니다. 예를 들어 EditText의 값들을 Thread1에서 변경 후 내용을 읽을 때 Thread2에서 다른 내용으로 변경을 하면 기대한 결과가 나타날 수 없고 경쟁상태(Race condition)가 되기 때문에 안드로이드 시스템에서는 Main Thread에서만 UI를 변경할 수 있도록 하였습니다. 

 

https://academy.realm.io/kr/posts/android-thread-looper-handler/

Main Thread 

  주로 UI 작업, UI 스레드라고도 명칭, Main Thread에서 UI 작업이 아닌 시간이 오래 걸리는 작업을 하게 되면 ANR이 발생할 수도 있음. 안드로이드 컴포넌트의 생명주기 메소드와 그 내부 호출은 모두 Main Thread에서 처리
Activity외에도 BroadcastReceiver, Service, Application 이 UI와 관련이 없더라도 Main Thread에서 작업 처리

 

일반 Thread

  애플리케이션의 성능을 향상시키기 위한 Thread 생성, Network 작업, DB 쿼리 등 오래 걸리는 작업들을 주로 처리하게 됩니다. 일반 Thread는 백그라운드에서 처리하는 작업들이 많아 백그라운드 Thread라고도 부른다.

 

 

※ ANR (Application Not Response)

  안드로이드 애플리케이션 개발을 하면서 ANR은 모두가 한 번쯤은 경험해봤을 것이라고 생각합니다. ANR은 말 그래도 애플리케이션이 더이상 반응하지 않는 상태로 Main Thread에서 너무 오래 걸리는 작업을 수행할 경우 발생하게 됩니다. 애플리케이션이 포그라운드 상태에서 작업 진행 중에 ANR이 발생하면 팝업이 나타나고 해당 팝업으로 애플리케이션을 강제종료 시킬 수 있습니다. 안드로이드 컴포넌트 실행은 Main Thread에서 하여 어디서든 ANR이 발생할 수 있지만, 대표적으로 자주 발생하는 예시에 대해 작성하였습니다.

 

• Main Thread에서 Network 작업과 같은 시간이 오래 소요되는 작업 시
• BroadcastReceiver가 5초 이내로 반응하지 않을 시
• Service에서도 오랜 시간 동안 리턴하지 않을 경우

 

 

 위의 설명과 같이 UI를 변경하는 작업은 Main Thread에서 처리하고 시간이 오래 소요되는 작업은 일반 Thread가 별도로 생성하여 처리하면서 Thread 간 통신하는 방법에 대해서도 숙지해야 합니다. 이를 위한 Looper, Handler, Message Queue 등 다양한 클래스가 존재하고 해당 클래스의 역할과 통신 과정을 잘 알아야 합니다.

 

https://academy.realm.io/kr/posts/android-thread-looper-handler/

 

Looper

  Looper 클래스는 Message Queue를 관리하는 역할로 Message나 Runnable 객체를 하나씩 꺼내서 Handler에 전달합니다. Looper클래스와 Message Queue로 인해 UI의 경쟁상태(race condition)을 방지할 수 있습니다. Looper.loop() 메소드 내부에서 무한루프를 돌면서 Message Queue를 확인하여 하나씩 처리하게 됩니다.

 

public static void loop() {
        final Looper me = myLooper();
        if (me == null) {
            throw new RuntimeException("No Looper; Looper.prepare() wasn't called on this thread.");
        }
        final MessageQueue queue = me.mQueue;

        // Make sure the identity of this thread is that of the local process,
        // and keep track of what that identity token actually is.
        Binder.clearCallingIdentity();
        final long ident = Binder.clearCallingIdentity();

        // Allow overriding a threshold with a system prop. e.g.
        // adb shell 'setprop log.looper.1000.main.slow 1 && stop && start'
        final int thresholdOverride =
                SystemProperties.getInt("log.looper."
                        + Process.myUid() + "."
                        + Thread.currentThread().getName()
                        + ".slow", 0);

        boolean slowDeliveryDetected = false;

        for (;;) {
            Message msg = queue.next(); // might block
            if (msg == null) {
                // No message indicates that the message queue is quitting.
                return;
            }
            
            ...
            
            try {
                msg.target.dispatchMessage(msg);
                if (observer != null) {
                    observer.messageDispatched(token, msg);
                }
                dispatchEnd = needEndTime ? SystemClock.uptimeMillis() : 0;
            }
        }
        ...
 }

  메소드를 좀 더 자세히 살펴보면 자신의 Looper를 가져오고, Looper 클래스의 멤버변수로 MessageQueue가 있어서 직접 가져올 수 있습니다. MessageQueue에서 하나씩 살펴보면서 msg가 null이 아니면 dispatchMessage 함수를 통해 Message를 처리하게 됩니다. 여기서 Looper가 종료될 때 Message가 null이 됩니다.

 

 Main Thread에는 기본적으로 실행 시에 Looper를 생성하여 Looper.getMainLooper() 메소드를 통해 쉽게 가져올 수 있습니다. 하지만 일반 Thread에서는 Looper가 없기 때문에 run 메소드를 오버라이딩하여 작성한 코드만 실행할 뿐 메세지를 받거나 처리할 수 없습니다. 일반 Thread에서도 다른 Thread에서 보내는 메세지를 받거나 처리하기 위해서는 아래와 같은 일련의 작업이 필요합니다.

 

• 일반 스레드에서도 메시지를 받기 위해서는 Looper를 생성합니다.
• Looper.prepare() 메소드를 통해 스레드별로 Looper를 생성합니다.
• 이후 Looper.loop() 메소드에서 MessageQueue를 하나씩 확인하여 Message를 Handler에게 전달합니다.
• Handler를 해당 Message를 처리할 수 있습니다.
• Looper를 종료하기 위해서 quit(), quitSafely() 함수를 사용할 수 있습니다. quit 함수는 즉시 종료하고, quitSafely는 안전하게 MessageQueue에 쌓인 메세지까지 처리한 후 종료하게 됩니다.

 

참고

https://developer.android.com/reference/android/os/Looper#quitSafely() 

Looper  |  Android Developers

 

Message Queue

  MessageQueue는 Looper 클래스를 설명하면서 많이 설명하였지만 다시 설명하자면 Message를 담는 Queue 형태의 자료구조입니다. MessageQueue는 Message를 처리할 때 Queue에서 삭제하고, Message를 추가할 때는 Queue에 추가하기 때문에 추가, 삭제가 용이한 구조여야 합니다. MessageQueue는 LinkedBlockingQueue로 구현되어 있으며 링크드 리스트와 같은 구조로 다음 노드에 대한 링크를 가지는 방식으로 하여 Message 추가, 삭제를 빠르게 할 수 있습니다. MessageQueue에는 해당 Message가 실행되는 순서대로 추가가 되며, 중간에 먼저 처리가 되어야 하는 Message가 들어오면 중간에 삽입이 될 경우도 있습니다.

 

참고

https://developer.android.com/reference/android/os/MessageQueue

MessageQueue  |  Android Developers

 

Handler

   Handler는 Looper로 부터 처리되어야 할 Message들을 받아서 처리하는 역할과, 다시 Message Queue에 Message를 전달하는 역할을 합니다. 또한, Handler를 통해 다른 Thread에서 요청하는 메세지를 처리하고 다시 해당 Thread에 메세지를 전달할 수도 있기 때문에 Thread간의 통신을 담당한다고 할 수 있습니다.

 

https://developer.android.com/reference/android/os/Handler

 

원래는 Handler의 기본 생성자는 4개로 정의되어 있었지만, 여러가지 버그들로 인하여 아래 2개의 생성자 즉 Looper를 매개변수로 받고 Looper와 Callback을 매개변수로 받는 생성자만 사용가능합니다.

 

class LooperThread extends Thread{
    public Handler mHandler;

    @Override
    public void run() {
        Looper.prepare();
        mHandler = new Handler(Looper.myLooper()){
            @Override
            public void handleMessage(@NonNull Message msg) {
                // 메세지 처리
                super.handleMessage(msg);
            }
        };
        Looper.loop();
    }
}

  다음 코드에서 Looper.prepare와 Looper.loop코드가 없으며 NullPointerException(NPE)가 발생하게 됩니다. Handler의 생성자에는 Looper가 들어가야하고 myLooper를 통해서 TLS(Thread Local Storage)에 저장된 Looper를 가져올 수 있습니다. 하지만 prepare 함수를 호출하지 않으면 MessageQueue가 생성되지 않기 때문에 null이 되어 해당 에러가 발생하게 됩니다. 따라서 일반 스레드에서 Handler를 사용하려면 Looper를 무조건 생성해야 합니다.

 

 

Handler의 주요 용도

1. 일반 스레드에서 UI 업데이트

 일반 스레드에서 네트워크 통신이나 DB 작업 시 UI 업데이트가 필요할 경우 Main Thread의 Handler를 통해 업데이트 작업을 Runnable이나 Message를 통해 요청할 수 있음

 

2. 메인 스레드에서 다음 작업 예약

  메인 스레드에서 UI 작업을 바로 하지 못하는 경우도 있습니다. 이 때 API 중 Delayed가 붙은 메소드를 통해 특정 시간 이후에 실행할 수 있도록 Handler를 사용할 수 있음

 

3. 반복 갱신

  반복해서 UI를 갱신할 때 Handler에 Runnable 객체를 대입하고 Runnable 객체에서는 해당 Handler를 가지고 다시 Runnable을 호출하는 재귀적인 방식으로 코드 작성합니다. 처음 Handler 호출은 post 메소드를 사용하고 이후 Runnable 객체는 postDelayed를 호출하면 반복적으로 주기마다 Runnable 객체를 실행합니다.

 

4. 시간 제한

  안드로이드에서 시간 제한할 때도 Handler를 주로 사용합니다. 뒤로 가기 버튼을 더블 클릭 시 특정 이벤트가 발생한다고 했을 때 더블 클릭에 대한 시간을 제한을 두어서 시간 제한안에 클릭이벤트가 한 번 더 입력이 되면 특정 이벤트를 발생하도록 합니다.

 ex) 2초 안에 뒤로가기 더블 클릭 시 액티비티 종료, 처음 클릭 시  finish 변수 true 변경, 한 번 더 클릭 시 finish가 true면 종료
하지만 2초 안에 더블 클릭이 발생하지 않으면 Handler의 postDelayed로 설정된 이벤트가 finish를 false로 변경

 

 

참고

• 안드로이드 프로그래밍 Next Step p21 ~ p34
• https://academy.realm.io/kr/posts/android-thread-looper-handler/

안드로이드 백그라운드 잘 다루기 Thread, Looper, Handler