android視窗管理剖析

Android視窗管理

 

一、 概述

在Android系統中，從設計的角度來看，視窗管理系統是基於C/S模式的。整個視窗系統分為服務端和客戶端兩大部分，客戶端負責請求建立視窗和使用視窗，服務端完成視窗的維護，視窗顯示等。

 

在Client端，並不是直接和WindowManagerService互動，而是直接和本地物件WindowManager互動，然後由WindowManager完成和WindowManagerService的互動。對於Android應用來說這個互動是透明的，應用不能感知到WindowManagerService的存在

 

二、 視窗的定義

在android的應用框架中，視窗主要分為兩種：

第一種是應用視窗：一個activity有一個主視窗，彈出的對話方塊也有一個視窗，Menu選單也是一個視窗。在同一個activity中，主視窗、對話方塊、Menu視窗之間通過該activity關聯起來。和應用相關的視窗表示類是PhoneWindow和Window，PhoneWindow繼承於Window，針對手機螢幕做了一些優化工作。PhoneWindow只是一個視窗封裝類，裡面核心的是mDecorView這個變數，mDecorView是一個頂層的View，視窗的新增就是通過呼叫getDecorView()獲取到mDecorView並且呼叫WindowManager.addView()把該View新增到WindowManager中。

第二種是公共介面的視窗：如最近執行對話方塊、關機對話方塊、狀態列下拉欄、鎖屏介面等。這些視窗都是系統級別的視窗，不從屬於任何應用，和activity沒有任何關係。這種視窗沒有任何視窗類來封裝，直接呼叫WindowManager.addView()來把一個view新增到WindowManager中。

在應用初始化的時候，會首先生成一個Activity物件，此時該activity還沒有屬於他的一個視窗。緊接著通過呼叫attach()函式，在attach()函式裡面該activity會呼叫PolicyManager.makeNewWindow()建立一個新的PhoneWindow，然後在activity的onCreate（）生命週期裡，一般應用都會呼叫setContentView（）設定該activity的顯示介面。在setContentView()裡，框架會自動生成一個佈局，該佈局檔案包含了如標題欄、ActionBar等元素，最重要的是包含了應用的contentView。這個佈局對應的就是PhoneWindow裡面的mDecorView。最後在activity將要顯示出來之前，通過getWindow().getDecorView()獲取到DecorView，並通過WindowManager.addView()把DecorView新增到WindowManager中。

 

Activity新增客戶端視窗時序圖

 

 

三、  視窗管理

Android的窗關管理是基於C/S模式的，並且使用獨立程式的方式實現。視窗管理的服務端WindowManagerService執行在獨立的程式system_server裡，當應用程式需要建立視窗時，通過程式通訊的方式請求WindowManagerService建立視窗，由WindowManagerService嚮應用程式傳遞和視窗相關的互動訊息。所有程式的視窗都在服務端管理，視窗的顯示和控制都在WindowManagerService裡處理。

WindowManagerService主要完成了以下幾部分功能：

1.      視窗的新增和刪除

2.      視窗的顯示和隱藏控制

3.      Z-order順序管理

4.      焦點視窗和焦點應用的管理

5.      輸入法視窗管理和牆紙視窗管理

6.      轉場動畫

7.      系統訊息收集和分發

 

服務端的實現程式碼是在/framework/base/services/java/com/android/server/wm/裡，核心的幾個類是：

WindowManagerService.java

WindowState.java

WindowToken.java

AppWindowToken.java

Session.java

InputManager.java

InputMonitor.java

 

類解釋：

WindowManagerService負責完成視窗的管理工作；

WindowState和客戶端視窗一一對應，應用呼叫WindowManager.addView()時，最終會在WindowManagerService新增一個WindowState與之一一對應。

WindowToken是一個控制程式碼，儲存了所有具有同一個token的WindowState。應用請求WindowManagerService新增視窗的時候，提供了一個token，該token標識了被新增視窗的歸屬，WindowManagerService為該token生成一個WindowToken物件，所有token相同的WindowState被關聯到同一個WindowToken。如輸入法新增視窗時，會傳遞一個mCurrToken，牆紙服務新增視窗時，會傳遞一個newConn.mToken。

AppWindowToken繼承於WindowToken，專門用於標識一個Activity。AppWindowToken裡的token實際上就是指向了一個Activity。ActivityManagerService通知應用啟動的時候，在服務端生成一個token用於標識該Activity，並且把該token傳遞到應用客戶端，客戶端的Activity在申請新增視窗時，以該token作為標識傳遞到WindowManagerService。同一個Activity中的主視窗、對話方塊視窗、選單視窗都關聯到同一個AppWindowToken。

Session表示一個客戶端和服務端的互動會話。一般來說不同的應用通過不同的會話來和WindowManagerService互動，但是處於同一個程式的不同應用通過同一個Session來互動。

InputManager和InputMonitor負責上層的訊息分發功能。

 

WindowManagerService內部的幾個重要成員變數：

ArrayList<WindowState>         mWindows

HashMap<IBinder, WindowState>         mWindowMap

ArrayList<WindowToken>        mTokenList

ArrayList<AppWindowToken>         mAppTokens

 

mWindows儲存了系統中所有的WindowState；

mWindowMap儲存了每個WindowState和客戶端視窗的對映關係，客戶端應用請求視窗操作時，通過mWindowMap查詢到對應的WindowState；

mTokenList儲存了所有的WindowToken

mAppTokens儲存了所有的AppWindowToken

 

視窗管理服務端主要類圖

 

一個Activity從啟動到新增視窗的整個流程如下：

ActivityManagerService在接收到啟動Activity請求時，首先生成一個token作為該Activity的唯一標識。然後呼叫WindowManagerService向其新增一個AppWindowToken，此AppWindowToken封裝了Activity的token。接著AMS啟動應用客戶端程式並把token傳遞到該程式，在客戶端程式裡完成Activity的初始化。在Activity的attach()函式中，Activity完成PhoneWindow的建立，並且把token傳遞給PhoneWindow。在Activity呼叫WindowManager.addView()時，在WindowManager內部會把token和該View關聯，真正向WindowManagerService申請建立視窗的時候，再把token傳遞給WindowManagerService。WindowManagerService接收到建立視窗的請求的時候，通過mTokenMap查詢對應該token的AppWindowToken，如果為空則丟擲異常，否則建立一個WindowState並完成初始化工作和其他資料結構的調整工作。在這個過程中，token貫穿了服務端的AMS、WMS和客戶端的Activity、Window。

 

Activity啟動過程中建立視窗的時序圖

 

 

四、            WMS中服務端和客戶端的互動介面和資料結構

應用請求建立視窗時，和應用直接互動的是WindowManager物件。WindowManager只是一個介面，呼叫addView()建立視窗時正真互動的是WindowManagerImpl物件。WindowManagerImpl管理單個應用的所有本地視窗。應用呼叫addView()建立視窗時，WindowManagerImpl會生成一個ViewRoot物件與之相對應，並且把相應的引數LayoutParams儲存起來。

addView()的執行流程如下：

(1)    檢查所新增的視窗是否已經新增過，不允許重複新增；

(2)    如果所新增視窗為子視窗型別，找到其父視窗，並儲存在內部變數中；

(3)    建立一個新的ViewRoot，並儲存對應的View（DecorView）和LayoutParams；

(4)    呼叫ViewRoot的setView()方法，完成真正意義上的新增工作。

 

ViewRoot本質上是一個Handler，並且實現了ViewParent介面。ViewRoot的主要功能是：

1.      負責分發訊息事件，如Key、Motion事件等；

2.      負責和WMS的互動，分發WMS的互動命令；

3.      作為DecorView的parent，對DecorView進行draw、measure、layout等操作；

 

在addView()的第3、4步完成之後，ViewRoot就全權接管了和WMS的互動工作，DecorView不需要做任何互動動作。ViewRoot和WMS之間的雙向對話，主要是通過以下兩個資料結構進行的：

IWindowSession

IWindow

這兩個資料結構都是標準的aidl介面，用於程式之間的同步通訊。IWindowSession負責ViewRoot到WMS的單向請求，IWindow則用於WMS回撥ViewRoot。在ViewRoot物件內部，存在著一個IWindowSession的靜態成員和一個IWindow的非靜態成員，所以一個程式裡只有一個IWindowSession物件，但是可以有多個IWindow物件。

Window、WindowManager、DecorView、ViewRoot、IWindowSession、IWindowSession、WindowState、WindowManagerService之間的關係可用下圖來表示：

 

 

在ViewRoot的建構函式中，呼叫getWindowSession()初始化靜態成員sWindowSession和非靜態成員mWindow。在第4步呼叫setView()方法時，ViewRoot會呼叫sWindowSession.add()方法，把IWindow新增到WMS中，WMS就會生成一個WindowState與之一一對應，並且把IWindow物件儲存到WindowState內部作為回撥的介面。之後所有WMS的命令，都會通過直接訪問IWindow介面，以訊息的形式分發到ViewRoot，ViewRoot來完成相應的處理，或對DecorView進行操作，或完成後通過sWindowSession報告給WMS。

 

 

一個視窗從新增到顯示可用以下時序圖表示：

 

 

  視窗新增過程時序圖

 

 

 

到此為止，整個視窗管理系統整體架構可表示如下：

 

視窗管理系統整體架構圖

 

 

 

五、            WindowState和Surface

 

從Client端呼叫WindowManager的addView()方法到WMS完成WindowState的初始化，在這整個過程中，只是完成了一個視窗資料結構的建立，也就是說，到現在為止，Client端的視窗和Server端的視窗已經建立了一種相對固定的連線關係，並且Client端和Server端之間能夠正常通訊，WMS能夠透明的對Client端的視窗進行操作，同時WMS也能夠接收Client端視窗的命令，對WindowState進行相應的調整。

一個WindowState想要顯示在螢幕上，必須申請一個顯示快取，這個顯示快取的管理和維護是在底層圖形模組實現的，在java層有一個操作的封裝物件Surface。WindowState申請到Surface物件之後，會將此Surface物件的相關資料拷貝到Client端的ViewRoot中，ViewRoot中也維護了一個Surface物件，實際上這兩個物件是指向同一塊顯示快取。ViewRoot有了這塊顯示快取的引用之後，即可以通過lockCanvas來獲取繪畫畫布，繪製完畢之後通過unlockAndPostCanvas來將繪製內容重新整理到顯示快取中。也就是說，Client端視窗和Server端視窗共用一個Surface，Client負責繪製Surface的內容，Server負責控制Surface在螢幕上的大小位置等。

ViewRoot通過IWindowSession的relayout()介面來向WMS傳送請求命令，包括視窗的顯示和隱藏，視窗的佈局資訊如位置大小，同時還會接收WMS的處理結果。WMS會根據螢幕大小和Client請求的佈局引數來決定視窗最終的佈局資訊，同時也會根據Client請求的顯示隱藏命令來返回一個有效的或者無效的Surface物件。通常一個視窗的顯示過程為：

1.      Client請求顯示視窗，並且傳遞佈局引數；

2.      WMS根據佈局引數，申請一個Surface物件並返回給Client；

3.      Client對Surface進行繪畫操作，完成後告訴WMS；

4.      WMS將Surface顯示在螢幕上，並且進行層級等相應調整；

 

 

視窗顯示過程時序圖

 

一個橫跨Activity、View、ViewRoot、IWindowSession、IWindow、WindowState、WindowManagerService、Surface的整體概念如下如所示：

視窗管理系統完整架構圖