Android 开发艺术探索笔记之八 -- 理解 Window 和 WindowManager

写在最前：本文涉及到源码的部分，查看的是 Android 8.1.0_r33 的源码，部分与原文中代码有出入。

附上查看源码的网址：http://androidxref.com/

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学习内容：

• Window 和 WindowManager
• Window 的内部工作原理
  • Window 的添加、更新和删除
• Actvitiy、Dialog 等类型的 Window 对象的创建过程

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原文开篇部分：

• Window 是一个抽象类，具体实现是 PhoneWindow
• WindowManager 是外界访问 Window 的入口，Window 的实现位于 WindowManagerService 中，WindowManager 和 WindowManagerService 的交互是一个 IPC 过程
• Window 实际是 View 的管理者，视图都是通过 Window 呈现的。

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1.Window 和 WindowManger

通过 WindowManager 添加一个 Window

mFloatingButton = new Button(this);
mFloatintButton.setText("button");

mLayoutParams = new WindowManager.LayoutParams(LayoutParams.RTAP_CONTENT,LayoutParams.WRAP_CONTENT,0,0,PixelFormat.TRANSPARENT);
mLayoutParams.flags = KatiytOarams.FLAG_NOT_TOUCH_MODAL | LayoutParams.FLAG_NOT_FOCUSABLE | LayoutParams.FLAG_SHOW_WHEN_LOCKED;
mLayoutParams.gravity = Gravity.LEFT | Gravity.TOP;
mLayoutParams.x = 100;
mLayoutParams.y = 300;

mWindowManager.addView(mFloatingButton, mLayoutParams);

通过以上代码，可以将一个 Button 添加到坐标为（100，300）的位置上。

下面说明 WindowManager.LayoutParams 中的 flags 和 type 这两个参数：

1. flags 参数表示 Window 的属性，下面列出一个常用的选项：

   1. FLAG_NOT_FOCUSABLE
      表示 WIndow 不需要获取焦点，也不需要接收各种输入事件，最终事件会传递给下层的具有焦点的 Window

2. FLAG_NOT_TOUCH_MODAL
   系统会将当前 Window 区域以外的单击事件传递给底层的 Window，当前 Window 区域以内的事件则自己处理。一般开启，否则其他 Window 将无法收到单击事件。

3. FLAG_SHOW_WHEN_LOCKED
   开启此模式可以让 Window 显示在锁屏界面

4. Type 参数表示 Window 的类型，Window 有三种类型：

   1. 应用 Window：对应一个 Activity；层级范围是 1 ~ 99。
   2. 子 Window：不能单独存在，需要附属再特定的父 Window 上，比如常见的 Dialog；层级范围是 1000 ~ 1999
   3. 系统 Window：需要声明权限才能创建的 Window，比如 Toast；层级范围是 2000 ~ 2999

   关于上面提到的层级范围，此处进行说明：Window 是分层的，每个 Window 都有对应的 z-ordered，层级大的会覆盖再层级小的 Window 的上面。

WindowManager 提供的功能

提供的功能很简单，一般只有三个方法：添加 View、更新 View 和删除 View，这三个方法定义在接口 ViewManager 中（WindowManager 继承了 ViewManager）

public interface ViewManager
{
    public void addView(View view, ViewGroup.LayoutParams params);
    public void updateViewLayout(View view, ViewGroup.LayoutParams params);
    public void removeView(View view);
}

//继承关系
public interface WindowManager extends ViewManager {
    //...
}

原文中说道，"WindowManager 操作 Window 的过程更像是在操作 Window 中的 View"。

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2. Window 的内部机制

Window 是一个抽象概念，每一个 Window都对应着一个 View 和一个 ViewRootImpl，WIndow 和 View 通过 ViewRootImpl 建立联系，因此 Window 以 View 的形式存在，View 才是 Window 存在的实体。

实际开发中，对 Window 的访问必须通过 WindowManager。

2.1 Window 的添加过程

添加过程通过 WindowManager 的 addView 来实现，具体实现类是 WindowManagerImpl 类。

    @Override
    public void addView(@NonNull View view, @NonNull ViewGroup.LayoutParams params) {
        applyDefaultToken(params);
        mGlobal.addView(view, params, mContext.getDisplay(), mParentWindow);
    }

    @Override
    public void updateViewLayout(@NonNull View view, @NonNull ViewGroup.LayoutParams params) {
        applyDefaultToken(params);
        mGlobal.updateViewLayout(view, params);
    }
    @Override
    public void removeView(View view) {
        mGlobal.removeView(view, false);
    }

可以看到，实际上 WindowManagerImp 采用了桥接模式，将具体的实现 委托 给了 mGlobal（WindowManagerGlobal）来处理，WindowManagerGlobal 以工厂的形式向外提供自己的实例。

WindowManagerGlobal 的 addView 方法有如下几步：

1. 检查参数是否合法，如果是子 Window 那么还需要调整一些布局参数

   if (view == null) {
    throw new IllegalArgumentException("view must not be null");
   }
   if (display == null) {
    throw new IllegalArgumentException("display must not be null");
   }
   if (!(params instanceof WindowManager.LayoutParams)) {
    throw new IllegalArgumentException("Params must be WindowManager.LayoutParams");
   }
   
   final WindowManager.LayoutParams wparams = (WindowManager.LayoutParams) params;
   if (parentWindow != null) {
    parentWindow.adjustLayoutParamsForSubWindow(wparams);
   }
   

2. 创建 ViewRootImpl 并将 View 添加到列表中

   root = new ViewRootImpl(view.getContext(), display);
   
   view.setLayoutParams(wparams);
   
   mViews.add(view);
   mRoots.add(root);
   mParams.add(wparams);
   

   关于上面代码中的 mViews，mRoots 等：

   //存储所有 Window 所对应的 View
   private final ArrayList mViews = new ArrayList();
   //存储所有 Window 所对应的 ViewRootImpl
   private final ArrayList mRoots = new ArrayList();
   //存储所有 Window 中对应的布局参数
   private final ArrayList mParams = new ArrayList();
   //存储正在被删除的 View 对象，或者说已经调用 removeView 方法但是删除操作尚未完成 Window 对象
   private final ArraySet mDyingViews = new ArraySet();
   

3. 通过 ViewRootImpl 来更新界面并完成 Window 的添加过程

   这个步骤通过 ViewRootImpl 的 setView 方法完成：

   //WindowManagerGlobal.addView() 方法内部
   root.setView(view, wparams, panelParentView);
   
   //ViewRootImpl.setView(...) 方法内部
   //...
   requestLayout();
   //...
   
   //ViewRootImpl
   @Override
   public void requestLayout() {
    if (!mHandlingLayoutInLayoutRequest) {
        checkThread();
        mLayoutRequested = true;
        scheduleTraversals();
    }
   }
   

   可以看到，通过 requestLayout 发起异步刷新请求，而其中的 scheduleTraversals 实际上是 View 绘制的入口。

   接着会通过 WindowSession 最终来完成 Window 的添加过程。

   //ViewRootImpl.setView(..)方法内部
   try {
    mOrigWindowType = mWindowAttributes.type;
    mAttachInfo.mRecomputeGlobalAttributes = true;
    collectViewAttributes();
    res = mWindowSession.addToDisplay(mWindow, mSeq, mWindowAttributes,
    getHostVisibility(), mDisplay.getDisplayId(),
    mAttachInfo.mContentInsets, mAttachInfo.mStableInsets,
    mAttachInfo.mOutsets, mInputChannel);
   } catch (RemoteException e) {
    mAdded = false;
    mView = null;
    mAttachInfo.mRootView = null;
    mInputChannel = null;
    mFallbackEventHandler.setView(null);
    unscheduleTraversals();
    setAccessibilityFocus(null, null);
    throw new RuntimeException("Adding window failed", e);
   }
   

   上面代码中，mWindowSession 类型是 IWindowSession，是一个 Binder 对象，真正的实现类是 Session，也就是说 WIndow 的添加过程是一个 IPC 调用。

   在 Session 内部会通过 WindowManagerService 实现 Window 的添加：

   @Override
   public int addToDisplay(IWindow window, int seq, WindowManager.LayoutParams attrs, int viewVisibility, int displayId, Rect outContentInsets, Rect outStableInsets, Rect outOutsets, InputChannel outInputChannel) {
    return mService.addWindow(this, window, seq, attrs, viewVisibility, displayId, outContentInsets, outStableInsets, outOutsets, outInputChannel);
   }
   

   如此，Window 的添加请求就交给 WindowManagerService 去处理了，在 WindowManagerService 中会为每一个应用保留一个单独的 Session，具体不再分析。
   （原文分析到此，认为到此添加流程已经很清晰，再深入 WindowManagerSercice 也只是一系列代码细节）

2.2 Window 的删除过程

Window 的删除过程和添加过程初始阶段类似，直接分析 WindowManagerGlobal 的 removeView 方法：

public void removeView(View view, boolean immediate) {
    if (view == null) {
        throw new IllegalArgumentException("view must not be null");
    }
    
    synchronized (mLock) {
        int index = findViewLocked(view, true);
        View curView = mRoots.get(index).getView();
        removeViewLocked(index, immediate);
        if (curView == view) {
            return;
        }

        throw new IllegalStateException("Calling with view " + view + " but the ViewAncestor is attached to " + curView);
    }
}

逻辑很清晰，首先通过 findViewLocked 方法查找待删除的 View 的索引，然后调用 removeViewLocked 来做进一步删除：

private void removeViewLocked(int index, boolean immediate) {
    ViewRootImpl root = mRoots.get(index);
    View view = root.getView();

    if (view != null) {
        InputMethodManager imm = InputMethodManager.getInstance();
        if (imm != null) {
            imm.windowDismissed(mViews.get(index).getWindowToken());
        }
    }
    boolean deferred = root.die(immediate);
    if (view != null) {
        view.assignParent(null);
        if (deferred) {
            mDyingViews.add(view);
        }
    }
}

removeViewLocked 是通过 ViewRootImpl 来完成删除操作的，调用了其 die 方法。

上面代码中的 immediate 参数需要注意，该参数对应了 WindowManager 中的两种删除接口 removeView（immediate 为 false） 和 removeViewImmediate（immediate 为 true），分别表示异步删除和同步删除。

boolean die(boolean immediate) {
    // Make sure we do execute immediately if we are in the middle of a traversal or the damage
    // done by dispatchDetachedFromWindow will cause havoc on return.
    if (immediate && !mIsInTraversal) {
        doDie();
        return false;
    }
    if (!mIsDrawing) {
        destroyHardwareRenderer();
    } else {
        Log.e(mTag, "Attempting to destroy the window while drawing!\n" + "  window=" + this + ", title=" + mWindowAttributes.getTitle());
    }
    mHandler.sendEmptyMessage(MSG_DIE);
    return true;
}

die 方法内部做了简单判断：

• 如果是同步删除，那么直接调用 doDie 方法；
• 如果是异步删除，则会发送一个 MSG_DIE 的请求删除消息，ViewRootImpl 中的 Handler 会处理此消息并调用 doDie 方法；在此过程中，由于 View 尚未完成删除操作，因此在上面 removeViewLocked 方法末尾部分代码中，会将其添加到 mDyingViews 中。

在 doDie 方法内部会调用 dispatchDetachedFromWindow 方法，在其中实现真正删除 View 的逻辑，该方法中主要做 四件事：

1. 垃圾回收相关的工作，比如清楚数据和消息、移除回调
2. 通过 Session 的 remove 方法删除Window，同样是一个 IPC 过程，最终会调用 WindowManagerService 的 removeView 方法
3. 调用 View 的 dispatchDetachedFromWindow 方法，内部会调用 View 的 onDetachedFromWindow（View 从 Window 中移除时的回调，做终止动画、停止线程等一系列资源回收工作） 以及 onDetachedFromWindowInternal。
4. 调用 WindowManagerGloabl 的 doRemoveView 方法刷新数据，包括 mRoots、mParams 以及 mDyingViews，需要将当前 Window 关联的这三类对象从列表中删除。

2.3 Window 的更新过程

直接看 WindowManagerGlobal 的 updateViewLayout 方法：

public void updateViewLayout(View view, ViewGroup.LayoutParams params) {
    if (view == null) {
        throw new IllegalArgumentException("view must not be null");
}
    if (!(params instanceof WindowManager.LayoutParams)) {
        throw new IllegalArgumentException("Params must be LayoutParams");
    }
    final WindowManager.LayoutParams wparams = (WindowManager.LayoutParams)params;
    view.setLayoutParams(wparams);
    synchronized (mLock) {
        int index = findViewLocked(view, true);
        ViewRootImpl root = mRoots.get(index);
        mParams.remove(index);
        mParams.add(index, wparams);
        root.setLayoutParams(wparams, false);
    }
}

这个过程就比较简单：

• 首先更新 View 的 LayoutParams 并替换旧的 LayoutParams
• 更新 ViewRootImpl 的 LayoutParams
• ViewRootImpl 会通过 schedulTraversals 方法对 View 重新布局，包括 测量、布局、重绘三个过程
• ViewRootImpl 还会通过 WindowSession 更新 Window 的视图，这个过程最终由 WindowManagerService 的 relayoutWindow 具体实现，同样是一个 IPC 过程

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3.Window 的创建过程

3.1 Activity 的 Window 的创建过程

首先应该了解 Activity 的启动过程，这一部分留待第九章再说。

简单来说，最终会由 ActivityThread 的 performLaunchActivity 来完成整个启动过程，此方法中会通过类加载器创建 Activity 的实例对象，并调用 attach 方法为其关联运行过程中所依赖的一系列上下文环境对象。

在 Activity 的 attach 方法里，系统会创建 Activity 所属的 Window 对象并为其设置回调接口，Window 的对象创建由 PolicyManager 的 makeNewWindow 方法实现。同时当 Window 接收到外界的状态改变时就会通过 Callback 接口，回调 Activity 的方法。

关于 Window 的创建：

• Activity 的 Window 通过 PolicyManager 的工厂方法创建，PolicyManager 是一个契约类，实现了 IPolicy 策略接口，该接口中定义了众多工厂方法。
• PolicyManager 的真正实现是 Policy 类，在 makeNewWindow 方法中，返回了 PhoneWindow 对象，由此得出 Window 的具体实现是 PhoneWindow。

关于 Activity 的视图如何附属到 Window：

Activity 的 setContentView 方法交由 Window 处理，直接分析 PhoneWindow 的 setContentView 即可

PhoneWindow 的 setContentView 方法遵循以下几个步骤

1. 如果没有 DecorView，那么创建之。

   1. 通过 installDecor 方法内部的 generateDecor 直接创建 DecorView
   2. 通过 generateLayout 方法加载具体的布局文件到 DecorView

2. 将 View 添加到 DecorView 的 mContentParent 中

   到此步，Activity 的布局文件已经添加到 DecorView 里面。

3. 回调 Activity 的 onContentChanged 方法通知 Activity 视图已经发生改变
   Activity 的 onContentChanged 方法是个空实现，可以在 子Activity 中处理该回调。

但是！！

经过上面的三个步骤，DecorView 尚未被 WindowManager 正式添加到 Window。由于此时 DecorView 未被 WindowManager 识别，所以这个时候的 Window 无法提供具体功能，因为它还无法接收外界的输入信息。

在 ActivityThread 的 handleResumeActivity 方法中，首先调用 Activity 的 onResume 方法，接着调用 Activity 的 makeVisible()，在 makeVisible 方法中，DecorView 真正完成添加和显式这两个过程，此时 Activity 的视图才能被用户看到，如下所示：

void makeVisible() {
    if(!mWindowAdded) {
        ViewManager wm = getWindowManager();
        wm.addView(mDecor, getWindow().getAtrributes());
        mWindowAdded = true;
    }
    mDecor.setVisibility(View.VISIBLE);
}

3.2 Dialog 的 Window 的创建过程

Dialog 的 Window 创建过程和 Activity 类似，有如下几个步骤：

1. 创建 Window：
2. 初始化 DecorView 并将 Dialog 的视图添加到 DecorView 中
3. 将DecorView 添加到 Window 中显示

​ 在 Dialog 的 show 方法中，通过 WindowManager 的 addView 方法将 DecorView 添加到 Window 中。

Dialog 的 Window 创建和 Activity 的 Window 创建过程很类似，几乎没有什么区别；当 Dialog 被关闭时，会通过 WindowManager 的 removeViewImmediate(mDecor) 移除 DecorView。

需要注意：

• 普通 Dialog 必须采用 Activity 的 Context，如果采用 Application 的 Context 会报错，因为需要 应用token，而只有 Activity 拥有
• 系统 Window 比较特殊，不需要 token，所以也可以采用 Application 的 Context 的同时，指定对话框的 Window 为系统类型即可正常弹出对话框

3.3 Toast 的 Window 的创建过程

首先 Toast 也是基于 Window 实现的，但是由于 Toast 具有定时取消这一功能，所以系统采用了 Handler。

Toast 内部有两类 IPC 过程：

1. Toast 访问 NotificationManagerService（NMS）
2. NMS 回调 Toast 里的 TN 接口

Toast 提供 show 和 cancel 分别用于显示和隐藏 Toast，二者内部都是一个 IPC 过程：

public void show() {
    if (mNextView == null) {
    throw new RuntimeException("setView must have been called");
    }

    INotificationManager service = getService();
    String pkg = mContext.getOpPackageName();
    TN tn = mTN;
    tn.mNextView = mNextView;

    try {
        service.enqueueToast(pkg, tn, mDuration);
    } catch (RemoteException e) {
        // Empty
    }
}

public void cancel() {
    mTN.cancel();
}

显示和隐藏都需要 NMS 实现，而 NMS 无法运行在系统的进程中，所以需要通过远程调用的方式。

关于 TN 这个类，它是一个 Binder 类，在 Toast 和 NMS 进行 IPC 的过程中，当 NMS 处理 Toast 的显示或隐藏请求时会跨进程回调 TN 中的方法，此时由于 TN 运行在 Binder 线程池中，所以需要通过 Handler 将其切换到当前线程中。同时这也意味着 Toast 无法在没有 Looper 的线程中弹出。

首先分析 Toast 的显示过程（ show 方法）

• 调用了 NMS 中的 enqueueToast 方法

• enqueueToast 首先将 Toast 请求封装为 ToastRecord 对象并将其添加到 mToastQueue 队列中。

  mToastQueue 是一个 ArrayList，对非系统应用而言，mToastQueue 最多同时存在 50 个 ToastRecord，此举是为了防止 DOS 拒绝服务攻击，避免其他应用没有机会弹出 Toast

• 添加后，NMS 通过 showNextToastLocked 方法显示当前 Toast。

  void showNextToastLocked() {
    ToastRecord record = mToastQueue.get(0);
    while (record != null) {
        if (DBG) Slog.d(TAG, "Show pkg=" + record.pkg + " callback=" + record.callback);
        try {
            record.callback.show(record.token);
            scheduleTimeoutLocked(record);
            return;
        } catch (RemoteException e) {
              Slog.w(TAG, "Object died trying to show notification " + record.callback + " in package " + record.pkg);
              // remove it from the list and let the process die
              int index = mToastQueue.indexOf(record);
              if (index >= 0) {
                  mToastQueue.remove(index);
              }
              keepProcessAliveIfNeededLocked(record.pid);
              if (mToastQueue.size() > 0) {
                  record = mToastQueue.get(0);
              } else {
                  record = null;
              }
        }
    }
  }
  

  上面的代码很简单，Toast 的显示通过 ToastRecord 的 callback 来完成，这个callback 实际上就是 Toast 的 TN 对象的远程 Binder，通过 callback 来访问 TN 中的方法是需要跨进程来完成的，最终被调用的 TN 中的方法会运行在发起 Toast 请求的应用的 Binder 线程池中。

• Toast 显示之后，NMS 会通过 scheduleTimeoutLocked 方法发送延时消息，具体延时取决于 Toast 的时长：LONG_DELAY 是 3.5s，SHORT_DELAY 是 2s

• private void scheduleTimeoutLocked(ToastRecord r)
  {
    mHandler.removeCallbacksAndMessages(r);
    Message m = Message.obtain(mHandler, MESSAGE_TIMEOUT, r);
    long delay = r.duration == Toast.LENGTH_LONG ? LONG_DELAY : SHORT_DELAY;
    mHandler.sendMessageDelayed(m, delay);
  }
  

  延时时间过后，NMS 通过 cancelToastLocked 方法隐藏 Toast 并将其从 mToastQueue 中移除，此时如果 mToastQueue 中还有其他 Toast，那么 NMS 就继续显示其他 Toast。

  void cancelToastLocked(int index) {
    ToastRecord record = mToastQueue.get(index);
    try {
        record.callback.hide();
    } catch (RemoteException e) {
    Slog.w(TAG, "Object died trying to hide notification " + record.callback + " in package " + record.pkg);
    // don't worry about this, we're about to remove it from
    // the list anyway
    }
  
      ToastRecord lastToast = mToastQueue.remove(index);
      mWindowManagerInternal.removeWindowToken(lastToast.token, true, DEFAULT_DISPLAY);
      keepProcessAliveIfNeededLocked(record.pid);
    if (mToastQueue.size() > 0) {
          // Show the next one. If the callback fails, this will remove
          // it from the list, so don't assume that the list hasn't changed
          // after this point.
       showNextToastLocked();
    }   
  }
  

再分析 Toast 的隐藏过程（cancel 方法）

• 同样是通过 ToastRecord 的 callback 完成的，同样是一次 IPC 过程，其工作过程和 Toast 的显示过程是类似的

  try {
      record.callback.hide();
  } catch (RemoteException e) {
      Slog.w(TAG, "Object died trying to hide notification " + record.callback + " in package " + record.pkg);
      // don't worry about this, we're about to remove it from
      // the list anyway
  }
  

再看 TN 类：

通过上面的分析，Toast 的显示和隐藏实际上是通过 Toast 的 TN 这个类来实现的，它有两个方法 show 和 hide，分别对应 Toast 的显示和隐藏。这两个方法运行在 Binder 线程池中，内部使用了 Handler。

/**
* schedule handleShow into the right thread
*/
@Override
public void show(IBinder windowToken) {
    if (localLOGV) Log.v(TAG, "SHOW: " + this);
    mHandler.obtainMessage(SHOW, windowToken).sendToTarget();
}

/**
* schedule handleHide into the right thread
*/
@Override
public void hide() {
    if (localLOGV) Log.v(TAG, "HIDE: " + this);
    mHandler.obtainMessage(HIDE).sendToTarget();
}

上面代码中，分别发送了 SHOW 和 HIDE 两种消息，在 handleMessage 中分别调用 handleShow 和 handleHide 方法，这二者才是真正完成显示和隐藏 Toast 的地方。

• handleShow 中 addView 方法将 Toast 的视图添加到 Window 中
• handleHide 中调用 remoteView 方法将 Toast 的视图从 Window 中移除

到这里 Toast 地 Window 的创建过程就分析完了。

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本章结束。