Android 7.0中的多視窗實現解析

qiangbo.space發表於2016-10-28

Android

在以往的Android系統上，所有Activity都是全屏的，如果不設定透明效果，一次只能看到一個Activity介面。

但是從Android N（7.0）版本開始，系統支援了多視窗功能。在有了多視窗支援之後，使用者可以同時開啟和看到多個應用的介面。並且系統還支援在多個應用之間進行拖拽。在大螢幕裝置上，這一功能非常實用。

本文將詳細講解Android系統中多視窗功能的實現。

多視窗功能介紹

概述

Android 從 Android N（7.0)版本開始引入了多視窗的功能。

關於Android N的新特性，請參見這裡：Android 7.0 for Developers
關於多視窗的詳細說明，請參見這裡：Multi-Window Support

Android N上的多視窗功能有三種模式：

1. 分屏模式

這種模式可以在手機上使用。該模式將螢幕一分為二，同時顯示兩個應用的介面。如下圖所示：

splitscreen

2. 畫中畫模式

這種模式主要在TV上使用，在該模式下視訊播放的視窗可以一直在最頂層顯示。如下圖所示：

pip-active

3. Freeform模式

這種模式類似於我們常見的桌面作業系統，應用介面的視窗可以自由拖動和修改大小。如下圖所示：

freeform_mode

生命週期

多視窗不影響和改變原先Activity的生命週期。

在多視窗模式，多個Activity可以同時可見，但只有一個Activity是最頂層的，即：獲取焦點的Activity。

所有其他Activity都會處於Paused狀態（儘管它們是可見的）。

在以下三種場景下，系統會通知應用有狀態變化，應用可以進行處理：

當使用者以多視窗的模式啟動的應用
當使用者改變了Activity的視窗大小
當使用者將應用視窗從多視窗模式改為全屏模式

關於應用如何進行狀態變化的處理，請參見這裡：Handling Runtime Changes，這裡不再贅述。

開發者相關

Android從API Level 24開始，提供了以下一些機制來配合多視窗功能的使用。

Manifest新增屬性
android:resizeableActivity=["true" | "false"]

這個屬性可以用在<activity>或者<application> 上。置為true，表示可以以分屏或者Freeform模式啟動。false表示不支援多視窗模式。對於API目標Level為24的應用來說，這個值預設是true。
- android:supportsPictureInPicture=["true" | "false"]這個屬性用在<activity>上，表示是否支援畫中畫模式。如果android:resizeableActivity為false，這個屬性值將被忽略。
Layout新增屬性
- android:defaultWidth，android:defaultHeight Freeform模式下的預設寬度和高度
- android:gravity Freeform模式下的初始Gravity
- android:minWidth, android:minHeight 分屏和Freeform模式下的最小高度和寬度

這裡是一段程式碼示例：

<activity android:name=".MyActivity">
    <layout android:defaultHeight="500dp"
          android:defaultWidth="600dp"
          android:gravity="top|end"
          android:minHeight="450dp"
          android:minWidth="300dp" />
</activity>

新增API
- Activity.isInMultiWindowMode() 查詢是否處於多視窗模式
- Activity.isInPictureInPictureMode() 查詢是否處於畫中畫模式
- Activity.onMultiWindowModeChanged() 多視窗模式變化時進行通知(進入或退出多視窗)
- Activity.onPictureInPictureModeChanged() 畫中畫模式變化時進行通知（進入或退出畫中畫模式）
- Activity.enterPictureInPictureMode() 呼叫這個介面進入畫中畫模式，如果系統不支援，這個呼叫無效
- ActivityOptions.setLaunchBounds() 在系統已經處於Freeform模式時，可以通過這個引數來控制新啟動的Activity大小，如果系統不支援，這個呼叫無效
拖拽相關 Android N之前，系統只允許在一個Activity內部進行拖拽。但從Android N開始，系統支援在多個Activity之間進行拖拽，下面是一些相關的API。具體說明請參見官方文件。
- DragAndDropPermissions
- View.startDragAndDrop()
- View.cancelDragAndDrop()
- View.updateDragShadow()
- Activity.requestDragAndDropPermissions()

多視窗的功能實現

多視窗功能的實現主要依賴於ActivityManagerService與WindowManagerService這兩個系統服務，它們都位於system_server程式中。該程式是Android系統中一個非常重要的系統程式。Framework中的很多服務都位於這個程式中。

整個Android的架構是CS的模型，應用程式是Client，而system_server程式就是對應的Server。

應用程式呼叫的很多API都會傳送到system_server程式中對應的系統服務上進行處理，例如startActivity這個API，最終就是由ActivityManagerService進行處理。

而由於應用程式和system_server在各自獨立的程式中執行，因此對於系統服務的請求需要通過Binder進行程式間通訊（IPC）來完成呼叫，以及呼叫結果的返回。

兩個系統服務簡介

ActivityManagerService負責Activity管理。

對於應用中建立的每一個Activity，在ActivityManagerService中都會有一個與之對應的ActivityRecord，這個ActivityRecord記錄了應用程式中的Activity的狀態。ActivityManagerService會利用這個ActivityRecord作為標識，對應用程式中的Activity程式排程，例如生命週期的管理。

實際上，ActivityManagerService的職責遠超出的它的名稱，ActivityManagerService負責了所有四大元件（Activity，Service，BroadcastReceiver，ContentProvider）的管理，以及應用程式的程式管理。

WindowManagerService負責Window管理。包括：

視窗的建立和銷燬
視窗的顯示與隱藏
視窗的佈局
視窗的Z-Order管理
焦點的管理
輸入法和桌布管理

等等每一個Activity都會有一個自己的視窗，在WindowManagerService中便會有一個與之對應的WindowState。WindowManagerService以此標示應用程式中的視窗，並用這個WindowState來儲存，查詢和控制視窗的狀態。

ActivityManagerService與WindowManagerService需要緊密配合在一起工作，因為無論是建立還是銷燬Activity都牽涉到Actiivty物件和視窗物件的建立和銷燬。這兩者是既相互獨立，又緊密關聯在一起的。

Activity啟動過程

Activity的啟動過程主要包含以下幾個步驟：

Intent的解析（Intent可能是隱式的：關於Intents and Intent Filters）
Activity的匹配（符合Intent的Activity可能會有多個）
應用程式的建立
Task，Stack的獲取或者建立
Activity視窗的建立
Activity生命週期的排程（onCreate，onResume等）

本文不打算講解Activity啟動的詳細過程，對於這部分內容有興趣的讀者請參閱其他資料，比如這篇Android中Activity啟動過程探究

Task和Stack

Android系統中的每一個Activity都位於一個Task中。一個Task可以包含多個Activity，同一個Activity也可能有多個例項。在AndroidManifest.xml中，我們可以通過android:launchMode來控制Activity在Task中的例項。

另外，在startActivity的時候，我們也可以通過setFlag 來控制啟動的Activity在Task中的例項。

Task管理的意義還在於近期任務列表以及Back棧。當你通過多工鍵（有些裝置上是長按Home鍵，有些裝置上是專門提供的多工鍵）調出多工時，其實就是從ActivityManagerService獲取了最近啟動的Task列表。

Back棧管理了當你在Activity上點選Back鍵，當前Activity銷燬後應該跳轉到哪一個Activity的邏輯。關於Task和Back棧，請參見這裡：Tasks and Back Stack。

其實在ActivityManagerService與WindowManagerService內部管理中，在Task之外，還有一層容器，這個容器應用開發者和使用者可能都不會感覺到或者用到，但它卻非常重要，那就是Stack。下文中，我們將看到，Android系統中的多視窗管理，就是建立在Stack的資料結構上的。一個Stack中包含了多個Task，一個Task中包含了多個Activity（Window），下圖描述了它們的關係：

另外還有一點需要注意的是，ActivityManagerService和WindowManagerService中的Task和Stack結構是一一對應的，對應關係對於如下：

ActivityStack <–> TaskStack
TaskRecord <–> Task

即，ActivityManagerService中的每一個ActivityStack或者TaskRecord在WindowManagerService中都有對應的TaskStack和Task，這兩類物件都有唯一的id（id是int型別），它們通過id進行關聯。

多視窗與Stack

用過macOS或者Ubuntu的人應該都會用過虛擬桌面的功能，如下圖所示：

這裡建立了多個“虛擬桌面”，並在最上面一排列出了出來。每個虛擬桌面裡面都可以放置一個或多個應用視窗，虛擬桌面可以作為一個整體進行切換。

Android為了支援多視窗，在執行時建立了多個Stack，Stack就是類似這裡虛擬桌面的作用。

每個Stack會有一個唯一的Id，在ActivityManager.java中定義了這些Stack的Id：

/** First static stack ID. */
public static final int FIRST_STATIC_STACK_ID = 0;

/** Home activity stack ID. */
public static final int HOME_STACK_ID = FIRST_STATIC_STACK_ID;

/** ID of stack where fullscreen activities are normally launched into. */
public static final int FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID = 1;

/** ID of stack where freeform/resized activities are normally launched into. */
public static final int FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID = FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID + 1;

/** ID of stack that occupies a dedicated region of the screen. */
public static final int DOCKED_STACK_ID = FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID + 1;

/** ID of stack that always on top (always visible) when it exist. */
public static final int PINNED_STACK_ID = DOCKED_STACK_ID + 1;

由此我們可以知道，系統中可能會包含這麼幾個Stack：

【Id：0】Home Stack，這個是Launcher所在的Stack。其實還有一些系統介面也執行在這個Stack上，例如近期任務
【Id：1】FullScren Stack，全屏的Activity所在的Stack。但其實在分屏模式下，Id為1的Stack只佔了半個螢幕。
【Id：2】Freeform模式的Activity所在Stack
【Id：3】Docked Stack 下文中我們將看到，在分屏模式下，螢幕有一半執行了一個固定的應用，這個就是這裡的Docked Stack
【Id：4】Pinned Stack 這個是畫中畫Activity所在的Stack

需要注意的是，這些Stack並不是系統一啟動就全部建立好的。而是在需要用到的時候才會建立。上文已經提到過，ActivityStackSupervisor負責ActivityStack的管理。

有了以上這些背景知識之後，我們再來具體講解一下Android系統中的三種多視窗模式。

分屏模式

在Nexus 6P手機上，分屏模式的啟動和退出是長按多工虛擬按鍵。下圖是在Nexus 6P上啟動分屏模式的樣子：

在啟動分屏模式的之後，系統會將螢幕一分為二。當前開啟的應用移到螢幕上方（如果是橫屏那就是左邊），其他所有開啟的應用，在下方（如果是橫屏那就是右邊）以多工形式列出。

之後使用者在操作的時候，下方的半屏保持了原先的使用方式：可以啟動或退出應用，可以啟動多工後進行切換，而上方的應用保持不變。前面我們已經提到過，其實這裡處於上半屏固定不變的應用就是處在Docked的Stack中（Id為3），下半屏是之前全屏的Stack進行了Resize（Id為1）。

下面，我們就順著長按多工按鈕為線索，來調查一下分屏模式是如何啟動的：其實無論是NavigationBar（螢幕最下方的三個虛擬按鍵）還是StatusBar（螢幕最上方的狀態列）都是在SystemUI中。我們可以以此為入口來調查。

PhoneStatusBar#prepareNavigationBarView 為NavigationBar初始化了UI。同時也在這裡為按鈕設定了事件監聽器。這裡包括我們感興趣的近期任務按鈕的長按事件監聽器：

private void prepareNavigationBarView() {
   mNavigationBarView.reorient();

   ButtonDispatcher recentsButton = mNavigationBarView.getRecentsButton();
   recentsButton.setOnClickListener(mRecentsClickListener);
   recentsButton.setOnTouchListener(mRecentsPreloadOnTouchListener);
   recentsButton.setLongClickable(true);
   recentsButton.setOnLongClickListener(mRecentsLongClickListener);
   ...
}

在mRecentsLongClickListener中，主要的邏輯就是呼叫toggleSplitScreenMode。

toggleSplitScreenMode這個方法的名稱很明顯的告訴我們，這裡是在切換分屏模式

private View.OnLongClickListener mRecentsLongClickListener = new View.OnLongClickListener() {

   @Override
   public boolean onLongClick(View v) {
       if (mRecents == null || !ActivityManager.supportsMultiWindow()
               || !getComponent(Divider.class).getView().getSnapAlgorithm()
                       .isSplitScreenFeasible()) {
           return false;
       }

       toggleSplitScreenMode(MetricsEvent.ACTION_WINDOW_DOCK_LONGPRESS,
               MetricsEvent.ACTION_WINDOW_UNDOCK_LONGPRESS);
       return true;
   }
};

再順著往下看PhoneStatusBar#toggleSplitScreenMode的程式碼：

這裡我們看到，通過查詢WindowManagerProxy.getInstance().getDockSide(); 來確定當前是否處於分屏模式，如果沒有則將Top Task移到Docked的Stack上。這裡的Top Task就是我們在長按多工按鍵之前開啟的當前應用。

@Override
protected void toggleSplitScreenMode(int metricsDockAction, int metricsUndockAction) {
   if (mRecents == null) {
       return;
   }
   int dockSide = WindowManagerProxy.getInstance().getDockSide();
   if (dockSide == WindowManager.DOCKED_INVALID) {
       mRecents.dockTopTask(NavigationBarGestureHelper.DRAG_MODE_NONE,
               ActivityManager.DOCKED_STACK_CREATE_MODE_TOP_OR_LEFT, null, metricsDockAction);
   } else {
       EventBus.getDefault().send(new UndockingTaskEvent());
       if (metricsUndockAction != -1) {
           MetricsLogger.action(mContext, metricsUndockAction);
       }
   }
}

之後便會呼叫到ActivityManagerService#moveTaskToDockedStack中。後面的大部分邏輯在ActivityStackSupervisor#moveTaskToStackLocked中，在這個方法中，會做如下幾件事情：

通過指定的taskId獲取對應的TaskRecord
為當前Activity替換視窗（因為要從FullScreen的Stack切換的Docked Stack上）
呼叫mWindowManager.deferSurfaceLayout通知WindowManagerService暫停佈局
將當前TaskRecord移動到Docked Stack上
為移動後的Task和Stack設定Bounds，並且進行resize。這裡還會通知Activity onMultiWindowModeChanged
呼叫mWindowManager.continueSurfaceLayout(); 通知WindowManagerService繼續開始佈局

而Resize和佈局就完全是WindowManagerService的事情，這裡面需要計算兩個Stack各自的大小，然後根據大小來對Stack中的Task和Activity視窗進行重新佈局。

由於篇幅關係，這裡不再貼出更多的程式碼。如果有興趣，請自行獲取AOSP的程式碼然後檢視。

下圖總結了啟動分屏模式的執行邏輯：

sequece_splitscreen_mode_start

這裡需要注意的是：

黃色標記的模式是執行在SystemUI的程式中。

藍色標記的模式是執行在system_server程式中。

moveTaskToDockedStack是一個Binder呼叫，通過IPC呼叫到了ActivityManagerService。

畫中畫模式

當應用程式呼叫Activity#enterPictureInPictureMode便進入了畫中畫模式。

Activity#enterPictureInPictureMode會通過Binder呼叫到ActivityManagerService中對應的方法，該方法程式碼如下：

public void enterPictureInPictureMode(IBinder token) {
   final long origId = Binder.clearCallingIdentity();
   try {
       synchronized(this) {
           if (!mSupportsPictureInPicture) {
               throw new IllegalStateException("enterPictureInPictureMode: "
                       + "Device doesn't support picture-in-picture mode.");
           }

           final ActivityRecord r = ActivityRecord.forTokenLocked(token);

           if (r == null) {
               throw new IllegalStateException("enterPictureInPictureMode: "
                       + "Can't find activity for token=" + token);
           }

           if (!r.supportsPictureInPicture()) {
               throw new IllegalArgumentException("enterPictureInPictureMode: "
                       + "Picture-In-Picture not supported for r=" + r);
           }

           // Use the default launch bounds for pinned stack if it doesn't exist yet or use the
           // current bounds.
           final ActivityStack pinnedStack = mStackSupervisor.getStack(PINNED_STACK_ID);
           final Rect bounds = (pinnedStack != null)
                   ? pinnedStack.mBounds : mDefaultPinnedStackBounds;

           mStackSupervisor.moveActivityToPinnedStackLocked(
                   r, "enterPictureInPictureMode", bounds);
       }
   } finally {
       Binder.restoreCallingIdentity(origId);
   }
}

這裡的 mStackSupervisor.getStack(PINNED_STACK_ID); 是在獲取Pinned Stack，當這個Stack不存在時，會將其建立。 IBinder token是呼叫enterPictureInPictureMode的Activity的Binder標示，通過這個標示可以獲取到Activity對應的ActivityRecord物件，然後就是將這個ActivityRecord移動到Pinned Stack上。

Pinned Stack的預設大小來自於mDefaultPinnedStackBounds，這個值是從Internal的Resource上獲取的：

mDefaultPinnedStackBounds = Rect.unflattenFromString(res.getString(
     com.android.internal.R.string.config_defaultPictureInPictureBounds));

而com.android.internal.R.string.config_defaultPictureInPictureBounds的值是從配置檔案：/frameworks/base/core/res/res/values/config.xml 中讀取的。

為什麼一旦將Activity移動到Pinned Stack上，該視窗就能一直在最上層顯示呢？這就是由Z-Order控制的，Z-Order決定了視窗的上下關係。 Android N中新增了一個類WindowLayersController來專門負責Z-Order的計算。在計算Z-Order的時候，有幾類視窗會進行特殊處理，處於Pinned Stack上的視窗便是其中之一。

下面這段程式碼是在統計哪些視窗是需要特殊處理的，這裡可以看到，除了Pinned Stack上的視窗，還有分屏模式下的視窗以及輸入法視窗都需要特殊處理：

private void collectSpecialWindows(WindowState w) {
   if (w.mAttrs.type == TYPE_DOCK_DIVIDER) {
       mDockDivider = w;
       return;
   }
   if (w.mWillReplaceWindow) {
       mReplacingWindows.add(w);
   }
   if (w.mIsImWindow) {
       mInputMethodWindows.add(w);
       return;
   }
   final TaskStack stack = w.getStack();
   if (stack == null) {
       return;
   }
   if (stack.mStackId == PINNED_STACK_ID) {
       mPinnedWindows.add(w);
   } else if (stack.mStackId == DOCKED_STACK_ID) {
       mDockedWindows.add(w);
   }
}

在統計完這些特殊視窗之後，在計算Z-Order時會對它們進行特殊處理：

private void adjustSpecialWindows() {
   int layer = mHighestApplicationLayer + WINDOW_LAYER_MULTIPLIER;
   // For pinned and docked stack window, we want to make them above other windows also when
   // these windows are animating.
   while (!mDockedWindows.isEmpty()) {
       layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mDockedWindows.remove(), layer);
   }

   layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mDockDivider, layer);

   if (mDockDivider != null && mDockDivider.isVisibleLw()) {
       while (!mInputMethodWindows.isEmpty()) {
           final WindowState w = mInputMethodWindows.remove();
           // Only ever move IME windows up, else we brake IME for windows above the divider.
           if (layer > w.mLayer) {
               layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(w, layer);
           }
       }
   }

   // We know that we will be animating a relaunching window in the near future, which will
   // receive a z-order increase. We want the replaced window to immediately receive the same
   // treatment, e.g. to be above the dock divider.
   while (!mReplacingWindows.isEmpty()) {
       layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mReplacingWindows.remove(), layer);
   }

   while (!mPinnedWindows.isEmpty()) {
       layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mPinnedWindows.remove(), layer);
   }
}

這段程式碼保證了處於Pinned Stack上的視窗（即處於畫中畫模式的視窗）的會在普通的應用視窗之上。

Freeform模式

在Andorid N裝置上開啟Freeform模式很簡單，只需以下兩個步驟：

執行以下命令：adb shell settings put global enable_freeform_support 1
然後重啟手機：adb reboot

重啟之後，在近期任務介面會出現一個按鈕，這個按鈕可以將視窗切換到Freeform模式，如下圖所示：

這個按鈕的作用其實就是將當前應用移到Freeform Stack上，相關邏輯在：

ActivityStackSupervisor中，程式碼如下：

void findTaskToMoveToFrontLocked(TaskRecord task, int flags, ActivityOptions options, String reason, boolean forceNonResizeable) {
   ...
   if (task.isResizeable() && options != null) {
       int stackId = options.getLaunchStackId();
       if (canUseActivityOptionsLaunchBounds(options, stackId)) {
           final Rect bounds = TaskRecord.validateBounds(options.getLaunchBounds());
           task.updateOverrideConfiguration(bounds);
           if (stackId == INVALID_STACK_ID) {
               stackId = task.getLaunchStackId();
           }
           if (stackId != task.stack.mStackId) {
               final ActivityStack stack = moveTaskToStackUncheckedLocked(
                       task, stackId, ON_TOP, !FORCE_FOCUS, reason);
               stackId = stack.mStackId;
               ...
}

這段程式碼通過查詢stackId，然後呼叫moveTaskToStackUncheckedLocked移動Task。而這裡通過task.getLaunchStackId() 獲取到的stackId，其實就是FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID，相關程式碼如下：

TaskRecord#getLaunchStackId程式碼如下：

int getLaunchStackId() {
   if (!isApplicationTask()) {
       return HOME_STACK_ID;
   }
   if (mBounds != null) {
       return FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID;
   }
   return FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID;
}

即，如果設定了Bound，便表示該Task會在Freeform Stack上啟動。

PS：這裡將應用切換到Freeform模式，必須先開啟應用，然後在近期任務中切換。

如果想要開啟應用就直接進入Freeform模式，可以看一下這篇文章：

Taskbar lets you enable Freeform mode on Android Nougat without root or adb

如果沒有Google Play，可以到這裡下載上文中提到的Taskbar應用：Taskbar

有興趣的讀者也可以去GitHub上獲取TaskBar的原始碼：farmerbb/Taskbar

其實TaskBar的原理就是在啟動Activity的時候設定了Activity的Bounds，相關程式碼如下：

public static void launchPhoneSize(Context context, Intent intent) {
   DisplayManager dm = (DisplayManager) context.getSystemService(Context.DISPLAY_SERVICE);
   Display display = dm.getDisplay(Display.DEFAULT_DISPLAY);

   int width1 = display.getWidth() / 2;
   int width2 = context.getResources().getDimensionPixelSize(R.dimen.phone_size_width) / 2;
   int height1 = display.getHeight() / 2;
   int height2 = context.getResources().getDimensionPixelSize(R.dimen.phone_size_height) / 2;

   try {
       context.startActivity(intent, ActivityOptions.makeBasic().setLaunchBounds(new Rect(
               width1 - width2,
               height1 - height2,
               width1 + width2,
               height1 + height2
       )).toBundle());
   } catch (ActivityNotFoundException e) { /* Gracefully fail */ }
}

而在ActivityStarter#computeStackFocus中會判斷如果新啟動的Activity設定了Bounds，

則在FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID這個Stack上啟動Activity，相關程式碼如下：

final int stackId = task != null ? task.getLaunchStackId() :
      bounds != null ? FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID :
              FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID;
stack = mSupervisor.getStack(stackId, CREATE_IF_NEEDED, ON_TOP);
if (DEBUG_FOCUS || DEBUG_STACK) Slog.d(TAG_FOCUS, "computeStackFocus: New stack r="
      + r + " stackId=" + stack.mStackId);
return stack;

下圖是啟動Activity時建立Stack的呼叫過程：

startActivity