跟着Innost理解下Android控件(ViewRoot)系统


Android的控件系统的作用是封装了:
· 测量各个UI元素(一段文字、一个图片)的显示尺寸与位置。
· 对各个UI元素进行布局计算与绘制。
· 当显示内容需要发生变化时进行重绘。出于效率考虑,必须保证重绘区域尽可能地小。
· 分析InputEventReceiver所接收的事件的类型,并确定应该由哪个UI元素响应这个事件。
· 处理来自WMS的很多与窗口状态相关的回调。

1. Activity控件系统的架构

1.1 Activity控件系统的层级结构

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对于一个Activity来说:
· 它包含一个Window(真实类型是PhoneWindow)和一个WindowManager(真实类型是LocalWindowManager)对象。这两个对象将控制整个Activity的显示。
· PhoneWindow的顶层View是DecorView,而我们在onCreate函数中通过setContentView设置的View只不过是这个DecorView中的一部分罢了。DecorView是一个FrameLayout类型的ViewGroup。
· LocalWindowManager使用了WindowManagerImpl做为最终的处理对象(Proxy模式),这个WindowManagerImpl中有一个ViewRoot对象。
· ViewRoot实现了ViewParent接口,它有两个重要的成员变量,一个是mView,它指向Activity顶层UI单元的DecorView,另外有一个mSurface,这个Surface包含了一个Canvas(画布)。除此之外,ViewRoot还通过Binder系统和WindowManagerService进行了跨进程交互。
· ViewRoot能处理Handler的消息,Activity的显示就是由ViewRoot在它的performTraversals函数中完成的。
· 整个Activity的绘图流程就是从mSurface中lock一块Canvas,然后交给mView去自由发挥画画的才能,最后unlockCanvasAndPost释放这块Canvas。

1. WindowManager

WindowManager的主要功能是提供简单的API使得使用者可以方便地将一个控件作为一个窗口添加到系统中。
WindowManager其实是一个继承自ViewManager的接口,它提供了添加/删除窗口,更新窗口布局的API,可以看作是WMS在客户端的代理类。不过WindowManager的接口与WMS的接口相差很大,几乎已经无法通过WindowManager看到WMS的模样。这也说明了WindowManager为了精简WMS的接口做过大量的工作。

1.1 WindowManager Arch

· ViewManager接口:WindowManager体系中最基本的接口。ViewManager定义了三个函数,分别用于添加/删除一个控件,以及更新控件的布局。ViewManager接口的另一个实现者是ViewGroup,它是容器类控件的基类,用于将一组控件容纳到自身的区域中,这一组控件被称为子控件。ViewGroup可以根据子控件的布局参数(LayoutParams)在其自身的区域中对子控件进行布局。
可以将WindowManager与ViewGroup进行一下类比:设想WindowManager是一个ViewGroup,其区域为整个屏幕,而其中的各个窗口就是一个一个的View。WindowManager通过WMS的帮助将这些View按照其布局参数(LayoutParams)将其显示到屏幕的特定位置。二者的核心工作是一样的,因此WindowManager与ViewGroup都继承自ViewManager。
WindowManager继承自这个接口说明了WindowManager与ViewGroup本质上的一致性。

· WindowManager接口:WindowManager接口继承自ViewManager接口的同时,根据窗口的一些特殊性增加了两个新的接口。getDefaultDisplay()用以得知这个WindowManager的实例会将窗口添加到哪个屏幕上去。而removeViewImmediate()则要求WindowManager必须在这个调用返回之前完成所有的销毁工作。

· WindowManagerImpl类:WindowManager接口的实现者。它自身没有什么实际的逻辑,WindowManager所定义的接口都是交由WindowManagerGlobal完成的。但是它保存了两个重要的只读成员,它们分别指明了通过这个WindowManagerImpl实例所管理的窗口将被显示在哪个屏幕上,以及将会作为哪个窗口的子窗口。因此在一个进程中,WindowManagerImpl的实例可能有多个。

· WindowManagerGlobal类:它没有继承上述任何一个接口,但它是WindowManager的最终实现者。它维护了当前进程中所有已经添加到系统中的窗口的信息。另外,在一个进程中仅有一个WindowManagerGlobal的实例。

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1.2 通过WindowManagerGlobal添加窗口

WindowManagerGlobal在通过父窗口调整了布局参数之后,将新建的ViewRootImpl、控件以及布局参数保存在自己的三个数组中,然后将控件交由新建的ViewRootImpl进行托管,从而完成了窗口的添加。

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添加窗口的代码并不复杂。其中的关键点有:
· 父窗口修改新窗口的布局参数。可能修改的只有LayoutParams.token和LayoutParams.mTitle两个属性。mTitle属性不必赘述,仅用于调试。而token属性则值得一提。回顾之前的内容,每一个新窗口必须通过LayoutParams.token向WMS出示相应的令牌才可以。在addView()函数中通过父窗口修改这个token属性的目的是为了减少开发者的负担。开发者不需要关心token到底应该被设置为什么值,只需将LayoutParams丢给一个WindowManager,剩下的事情就不用再关心了。
父窗口修改token属性的原则是:如果新窗口的类型为子窗口(其类型大于等于LayoutParams.FIRST_SUB_WINDOW并小于等于LayoutParams.LAST_SUB_WINDOW),则LayoutParams.token所持有的令牌为其父窗口的ID(也就是IWindow.asBinder()的返回值)。否则LayoutParams.token将被修改为父窗口所属的Activity的ID(也就是之前所介绍的AppToken),这对类型为TYPE_APPLICATION的新窗口来说非常重要。
从这点来说,当且仅当新窗的类型为子窗口时addView()的parentWindow参数才是真正意义上的父窗口。这类子窗口有上下文菜单、弹出式菜单以及游标等等,在WMS中,这些窗口对应的WindowState所保存的mAttachedWindow既是parentWindow所对应的WindowState。然而另外还有一些窗口,如对话框窗口,类型为TYPE_APPLICATION, 并不属于子窗口,但需要AppToken作为其令牌,为此parentWindow将自己的AppToken赋予了新窗口的的LayoutParams.token中。此时parentWindow便并不是严格意义上的父窗口了。

· 为新窗口创建一个ViewRootImpl对象。顾名思义,ViewRootImpl实现了一个控件树的根。它负责与WMS进行直接的通讯,负责管理Surface,负责触发控件的测量与布局,负责触发控件的绘制,同时也是输入事件的中转站。总之,ViewRootImpl是整个控件系统正常运转的动力所在,无疑是本章最关键的一个组件。

· 将控件、布局参数以及新建的ViewRootImpl以相同的索引值添加到三个对应的数组mViews、mParams以及mRoots中,以供之后的查询之需。控件、布局参数以及ViewRootImpl三者共同组成了客户端的一个窗口。或者说,在控件系统中的窗口就是控件、布局参数与ViewRootImpl对象的一个三元组。

· 调用ViewRootImpl.setView()函数,将控件交给ViewRootImpl进行托管。这个动作将使得ViewRootImpl向WMS添加窗口、获取Surface以及重绘等一系列的操作。这一步是控件能够作为一个窗口显示在屏幕上的根本原因!

1.3 更新窗口的布局updateViewLayout()

ViewManager所定义的另外一个功能就是更新View的布局。在WindowManager中,则是更新窗口的布局。窗口的布局参数发生变化时,如LayoutParams.width从100变为了200,则需要将这个变化通知给WMS使其调整Surface的大小,并让窗口进行重绘。这个工作在WindowManagerGlobal中由updateViewLayout()函数完成。

更新窗口布局的工作在WindowManagerGlobal中是非常简单的,主要是保存新的布局参数,然后调用ViewRootImpl.setLayoutParams()进行更新。

1.4 删除窗口

所需要做的工作:

· 从3个数组中删除此窗口所对应的元素,包括控件、布局参数以及ViewRootImpl。
· 要求ViewRootImpl从WMS中删除对应的窗口(IWindow),并释放一切需要回收的资源。

只是有一点需要说明一下:要求ViewRootImpl从WMS中删除窗口并释放资源的方法是调用ViewRootImpl.die()函数。因此可以得出这样一个结论:ViewRootImpl的生命从setView()开始,到die()结束。

2. ViewRootImpl

ViewRootImpl实现了ViewParent接口,作为整个控件树的根部,它是控件树正常运作的动力所在,控件的测量、布局、绘制以及输入事件的派发处理都由ViewRootImpl触发。另一方面,它是WindowManagerGlobal工作的实际实现者,因此它还需要负责与WMS交互通信以调整窗口的位置大小,以及对来自WMS的事件(如窗口尺寸改变等)作出相应的处理。

2.1 ViewRootImpl的创建及重要的成员

ViewRootImpl的创建过程是由构造函数和setView()方法两个环节构成的。其中构造函数主要进行成员的初始化,setView()则是创建窗口、建立输入事件接收机制的场所。同时,触发第一次“遍历”操作的消息已经发送给主线程,在随后的第一次“遍历”完成后,ViewRootImpl将会完成对控件树的第一次测量、布局,并从WMS获取窗口的Surface以进行控件树的初次绘制工作。
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· mHandler,类型为ViewRootHandler,一个依附于创建ViewRootImpl的线程,即主线程上的,用于将某些必须主线程进行的操作安排在主线程中执行。mHandler与mChoreographer的同时存在看似有些重复,其实它们拥有明确不同的分工与意义。由于mChoreographer处理消息时具有VSYNC特性,因此它主要用于处理与重绘相关的操作。但是由于mChoreographer需要等待VSYNC的垂直同步事件来触发对下一条消息的处理,因此它处理消息的及时性稍逊于mHandler。而mHandler的作用,则是为了将发生在其他线程中的事件安排在主线程上执行。所谓发生在其他线程中的事件是指来自于WMS,由继承自IWindow.Stub的mWindow引发的回调。由于mWindow是一个Binder对象的Bn端,因此这些回调发生在Binder的线程池中。而这些回调会影响到控件系统的重新测量、布局与绘制,因此需要此Handler将回调安排到主线程中。

说明 mHandler与mThread两个成员都是为了单线程模型而存在的。Android的UI操作不是线程安全的,而且很多操作也是建立在单线程的假设之上(如scheduleTraversals())。采用单线程模型的目的是降低系统的复杂度,并且降低锁的开销。

· mSurface,类型为Surface。采用无参构造函数创建的一个Surface实例。mSurface此时是一个没有任何内容的空壳子,在 WMS通过relayoutWindow()为其分配一块Surface之前尚不能实用。

· mWinFrame、mPendingContentInset、mPendingVisibleInset以及mWidth,mHeight。这几个成员存储了窗口布局相关的信息。其中mWinFrame、mPendingConentInsets、mPendingVisibleInsets与窗口在WMS中的Frame、ContentInsets、VisibleInsets是保持同步的。这是因为这3个成员不仅会作为 relayoutWindow()的传出参数,而且ViewRootImpl在收到来自WMS的回调IWindow.Stub.resize()时,立即更新这3个成员的取值。因此这3个成员体现了窗口在WMS中的最新状态。
与mWinFrame中的记录窗口在WMS中的尺寸不同的是,mWidth/mHeight记录了窗口在ViewRootImpl中的尺寸,二者在绝大多数情况下是相同的。当窗口在WMS中被重新布局而导致尺寸发生变化时,mWinFrame会首先被IWindow.Stub.resize()回调更新,此时mWinFrame便会与mWidth/mHeight产生差异。此时ViewRootImpl即可得知需要对控件树进行重新布局以适应新的窗口变化。在布局完成后,mWidth/mHeight会被赋值为mWinFrame中所保存的宽和高,二者重新统一。在随后分析performTraversals()方法时,读者将会看到这一处理。另外,与mWidth/mHeight类似,ViewRootImpl也保存了窗口的位置信息Left/Top以及ContentInsets/VisibleInsets供控件树查询,不过这四项信息被保存在了mAttachInfo中。

ViewRootImpl的在其构造函数中初始化了一系列的成员变量,然而其创建过程仍未完成。仅在为其指定了一个控件树进行管理,并向WMS添加了一个新的窗口之后,ViewRootImpl承上启下的角色才算完全确立下来。因此需要进一步分析ViewRootImpl.setView()方法。

2.2 控件系统的心跳:performTraversals()

ViewRootImpl在其创建过程中通过requestLayout()向主线程发送了一条触发“遍历”操作的消息,“遍历”操作是指performTraversals()方法。它的性质与WMS中的performLayoutAndPlaceSurfacesLocked()类似,是一个包罗万象的方法。ViewRootImpl中接收到的各种变化,如来自WMS的窗口属性变化,来自控件树的尺寸变化、重绘请求等都引发performTraversals()的调用,并在其中完成处理。View类及其子类中的onMeasure()、onLayout()以及onDraw()等回调也都是在performTraversals()的执行过程中直接或间接地引发。也正是如此,一次次的performTraversals()调用驱动着控件树有条不紊地工作着,一旦此方法无法正常执行,整个控件树都将处于僵死状态。因此,performTraversals()函数可谓是ViewRootImpl的心跳。

2.2.1 performTraversals()的工作阶段
很多文章都倾向于将performTraversals()的工作划分为测量、布局与绘制三个阶段。然而Innost认为如此划分隐藏了WMS在这个过程中的地位,并且没能体现出控件树对窗口尺寸的期望、WMS对窗口尺寸做最终的确定,最后以WMS给出的结果为准再次进行测量的协商过程。而这个协商过程充分体现了ViewRootImpl作为WMS与控件树的中间人的角色。

· 预测量阶段。这是进入performTraversals()方法后的第一个阶段,它会对控件树进行第一次测量。测量结果可以通过mView. getMeasuredWidth()/Height()获得。在此阶段中将会计算出控件树为显示其内容所需的尺寸,即期望的窗口尺寸。在这个阶段中,View及其子类的onMeasure()方法将会沿着控件树依次得到回调。

· 布局窗口阶段。根据预测量的结果,通过IWindowSession.relayout()方法向WMS请求调整窗口的尺寸等属性,这将引发WMS对窗口进行重新布局,并将布局结果返回给ViewRootImpl。

· 最终测量阶段。预测量的结果是控件树所期望的窗口尺寸。然而由于在WMS中影响窗口布局的因素很多,WMS不一定会将窗口准确地布局为控件树所要求的尺寸,而迫于WMS作为系统服务的强势地位,控件树不得不接受WMS的布局结果。因此在这一阶段,performTraversals()将以窗口的实际尺寸对控件进行最终测量。在这个阶段中,View及其子类的onMeasure()方法将会沿着控件树依次被回调。

· 布局控件树阶段。完成最终测量之后便可以对控件树进行布局了。测量确定的是控件的尺寸,而布局则是确定控件的位置。在这个阶段中,View及其子类的onLayout()方法将会被回调。

· 绘制阶段。这是performTraversals()的最终阶段。确定了控件的位置与尺寸后,便可以对控件树进行绘制了。在这个阶段中,View及其子类的onDraw()方法将会被回调。

2.2.2 预测量与测量原理

2.2.2.1 预测量参数的候选
预测量也是一次完整的测量过程,它与最终测量的区别仅在于参数不同而已。实际的测量工作在View或其子类的onMeasure()方法中完成,并且其测量结果需要受限于来自其父控件的指示。这个指示由onMeasure()方法的两个参数进行传达:widthSpec与heightSpec。它们是被称为MeasureSpec的复合整型变量,用于指导控件对自身进行测量。

预测量时的SPEC_SIZE按照如下原则进行取值:
· 第一次“遍历”时,使用应用可用的最大尺寸作为SPEC_SIZE的候选。
· 此窗口是一个悬浮窗口,即LayoutParams.width/height其中之一被指定为WRAP_CONTENT时,使用应用可用的最大尺寸作为SPEC_SIZE的候选。
· 在其他情况下,使用窗口最新尺寸作为SPEC_SIZE的候选。

MeasureSpec的复合整型变量有两个分量,结构如图:
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其1到30位给出了父控件建议尺寸。建议尺寸对测量结果的影响依不同的SPEC_MODE的不同而不同。SPEC_MODE的取值取决于此控件的LayoutParams.width/height的设置,可以是如下三种值之一。
· MeasureSpec.UNSPECIFIED (0):表示控件在进行测量时,可以无视SPEC_SIZE的值。控件可以是它所期望的任意尺寸。
· MeasureSpec.EXACTLY (1):表示子控件必须为SPEC_SIZE所制定的尺寸。当控件的LayoutParams.width/height为一确定值,或者是MATCH_PARENT时,对应的MeasureSpec参数会使用这个SPEC_MODE。
· MeasureSpec.AT_MOST (2):表示子控件可以是它所期望的尺寸,但是不得大于SPEC_SIZE。当控件的LayoutParams.width/height为WRAP_CONTENT时,对应的MeasureSpec参数会使用这个SPEC_MODE。

2.2.2.2 测量协商
measureHierarchy()用于测量整个控件树。传入的参数desiredWindowWidth与desiredWindowHeight在前述代码中根据不同的情况作了精心的挑选。控件树本可以按照这两个参数完成测量,但是measureHierarchy()有自己的考量,即如何将窗口布局地尽可能地优雅。

这是针对将LayoutParams.width设置为了WRAP_CONTENT的悬浮窗口而言。如前文所述,在设置为WRAP_CONTENT时,指定的desiredWindowWidth是应用可用的最大宽度,如此可能会产生如图左图所示的丑陋布局。这种情况较容易发生在AlertDialog中,当AlertDialog需要显示一条比较长的消息时,由于给予的宽度足够大,因此它有可能将这条消息以一行显示,并使得其窗口充满了整个屏幕宽度,在横屏模式下这种布局尤为丑陋。
倘若能够对可用宽度进行适当的限制,迫使AlertDialog将消息换行显示,则产生的布局结果将会优雅得多,如图右图所示。但是,倘若不分清红皂白地对宽度进行限制,当控件树真正需要足够的横向空间时,会导致内容无法显示完全,或者无法达到最佳的显示效果。例如当一个悬浮窗口希望尽可能大地显示一张照片时就会出现这样的情况。
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那么measureHierarchy()如何解决这个问呢?它采取了与控件树进行协商的办法,即先使用measureHierarchy()所期望的宽度限制尝试对控件树进行测量,然后通过测量结果来检查控件树是否能够在此限制下满足其充分显示内容的要求。倘若没能满足,则measureHierarchy()进行让步,放宽对宽度的限制,然后再次进行测量,再做检查。倘若仍不能满足则再度进行让步。

显然,对于非悬浮窗口,即当LayoutParams.width被设置为MATCH_PARENT时,不存在协商过程,直接使用给定的desiredWindowWidth/Height进行测量即可。而对于悬浮窗口,measureHierarchy()可以连续进行两次让步。因而在最不利的情况下,在ViewRootImpl的一次“遍历”中,控件树需要进行三次测量,即控件树中的每一个View.onMeasure()会被连续调用三次之多,如图所示。所以相对于onLayout(),onMeasure()方法的对性能的影响比较大。
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2.2.3 测量原理

对于非ViewGroup的控件来说其实现相对简单,只要按照MeasureSpec的原则如实计算其所需的尺寸即可。而对于ViewGroup类型的控件来说情况则复杂得多,因为它不仅拥有自身需要显示的内容(如背景),它的子控件也是其需要测量的内容。因此它不仅需要计算自身显示内容所需的尺寸,还有考虑其一系列子控件的测量结果。为此它必须为每一个子控件准备MeasureSpec,并调用每一个子控件的measure()函数。

由于各种控件所实现的效果形形色色,开发者还可以根据需求自行开发新的控件,因此onMeasure()中的测量算法也会变化万千。不从Android系统实现的角度仍能得到如下的onMeasure()算法的一些实现原则:
· 控件在进行测量时,控件需要将它的Padding尺寸计算在内,因为Padding是其尺寸的一部分。
· ViewGroup在进行测量时,需要将子控件的Margin尺寸计算在内。因为子控件的Margin尺寸是父控件尺寸的一部分。
· ViewGroup为子控件准备MeasureSpec时,SPEC_MODE应取决于子控件的LayoutParams.width/height的取值。取值为MATCH_PARENT或一个确定的尺寸时应为EXACTLY,WRAP_CONTENT时应为AT_MOST。至于SPEC_SIZE,应理解为ViewGroup对子控件尺寸的限制,即ViewGroup按照其实现意图所允许子控件获得的最大尺寸。并且需要扣除子控件的Margin尺寸。
· 虽然说测量的目的在于确定尺寸,与位置无关。但是子控件的位置是ViewGroup进行测量时必须要首先考虑的。因为子控件的位置即决定了子控件可用的剩余尺寸,也决定了父控件的尺寸(当父控件的LayoutParams.width/height为WRAP_CONTENT时)。
· 在测量结果中添加MEASURED_STATE_TOO_SMALL需要做到实事求是。当一个方向上的空间不足以显示其内容时应考虑利用另一个方向上的空间,例如对文字进行换行处理,因为添加这个标记有可能导致父控件对其进行重新测量从而降低效率。
· 当子控件的测量结果中包含MEASURED_STATE_TOO_SMALL标记时,只要有可能,父控件就应当调整给予子控件的MeasureSpec,并进行重新测量。倘若没有调整的余地,父控件也应当将MEASURED_STATE_TOO_SMALL加入到自己的测量结果中,让它的父控件尝试进行调整。
· ViewGroup在测量子控件时必须调用子控件的measure()方法,而不能直接调用其onMeasure()方法。直接调用onMeasure()方法的最严重后果是子控件的PFLAG_LAYOUT_REQUIRED标识无法加入到mPrivateFlag中,从而导致子控件无法进行布局。

2.2.4 确定是否需要改变窗口尺寸
确定窗口尺寸是否确实需要改变的条件看起来比较复杂,这里进行一下总结,先介绍必要条件:
· layoutRequested为true,即ViewRootImpl.requestLayout()方法被调用过。View中也有requestLayout()方法。当控件内容发生变化从而需要调整其尺寸时,会调用其自身的requestLayout(),并且此方法会沿着控件树向根部回溯,最终调用到ViewRootImp.requestLayout(),从而引发一次performTraversals()调用。之所以这是一个必要条件,是因为performTraversals()还有可能因为控件需要重绘时被调用。当控件仅需要重绘而不需要重新布局时(例如背景色或前景色发生变化时),会通过invalidate()方法回溯到ViewRootImpl,此时不会通过performTraversals()触发performTraversals()调用,而是通过scheduleTraversals()进行触发。在这种情况下layoutRequested为false,即表示窗口尺寸不需发生变化。
· windowSizeMayChange为true,如前文所讨论的,这意味着WMS单方面改变了窗口尺寸而控件树的测量结果与这一尺寸有差异,或当前窗口为悬浮窗口,其控件树的测量结果将决定窗口的新尺寸。

在满足上述两个条件的情况下,以下两个条件满足其一:
· 测量结果与ViewRootImpl中所保存的当前尺寸有差异。
· 悬浮窗口的测量结果与窗口的最新尺寸有差异。

2.3 ViewRoot和WMS的关系

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· ViewRoot通过IWindowSession和WMS进程进行跨进程通信。IWindowSession定义在IWindowSession.aidl文件中。这个文件在编译时由aidl工具处理,最后会生成类似于Native Binder中Bn端和Bp端的代码,后文会介绍它。System private per-application interface to the window manager:也就是说每个App进程都会和WMS建立一个IWindowSession会话。这个会话被App进程用于和WMS通信。后面会介绍它的requestLayout函数。

· ViewRoot内部有一个W类型的对象,它也是一个基于Binder通信的类,W是IWindow的Bn端,用于响应请求。IWindow定义在另一个aidl文件IWindow.aidl中。API back to a client window that the Window Manager uses to informit of interesting things happening:这句话的大意是IWindow是WMS用来做事件通知的。每当发生一些事情时,WMS就会把这些事告诉某个IWindow。可以把IWindow想象成一个回调函数。

2.4 一个按键事件是如何在ViewRoot被分发的

· WMS所在的SystemServer进程接收到按键事件。
· WMS找到UI位于屏幕顶端的进程所对应的IWindow对象,这是一个Bp端对象。
· 调用这个IWindow对象的dispatchKey。IWindow对象的Bn端位于ViewRoot中,ViewRoot再根据内部View的位置信息找到真正处理这个事件的View,最后调用dispatchKey函数完成按键的处理。
其实这些按键事件的分发机制可以拿Windows的UI编程来做类比,在Windows中应用程序的按键处理流程是:
· 每一个按键事件都会转化成一个消息,这个消息将由系统加入到对应进程的消息队列中。该进程的消息在派发处理时,会根据消息的句柄找到对应的Window(窗口),继而该消息就由这个Window处理了。

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