Android Framework底层原理——WMS机制

快速了解WMS机制

WMS是什么

• 开发中各种UI显示异常的bug都可以在WMS体系中找到对应的解决办法和对应原理。
  • 因为WMS管理着所有的窗口，包括创建、删除和修改，以及将某个窗口设置为焦点窗口。
• WMS(WindowManagerService)相关概念
  • Window:它是一个抽象类，具体实现类为 PhoneWindow ，它对 View 进行管理。Window是View的容器，View是Window的具体表现内容；
  • WindowManager:是一个接口类，继承自接口 ViewManager ，从它的名称就知道它是用来管理 Window 的，它的实现类为 WindowManagerImpl；
  • WMS:是窗口的管理者，它负责窗口的启动、添加和删除。另外窗口的大小和层级也是由它进行管理的；

应用于那些场景

• Activity页面渲染
  • Activity 启动后就可以看到我们写的 Layout 布局界面，Activity 从 setContentView() 加载布局到Window上，这个过程就涉及到WMS。
• Dialog弹窗渲染
  • 创建Dialog后，会去创建Window窗口，然后通过addView形式将视图添加到窗口上。这个过程就涉及到WMS。
• 可以解决那些问题
  • 如果你的定位是做界面开发，那么界面怎么来的？如何显示的？如何布局？如何渲染……要明白这些问题，WMS就是你必须掌握的内容。

WMS主要功能

• 主要功能

  • Surface管理。为所有窗口分配Surface，客户端向WMS添加一个窗口的过程，其实就是WMS为其分配一块Surface的过程，一块块Surface在WMS的管理下有序的排布在屏幕上。Window的本质就是Surface。
  • 管理窗口的显示顺序、尺寸、位置， 最终都会反馈SurfaceFlinger。
  • 窗口动画, 包括进入，退出动画
  • 输入系统中转站：WMS是派发系统按键和触摸消息的最佳人选，当接收到一个触摸事件，它需要寻找一个最合适的窗口来处理消息，而WMS是窗口的管理者，系统中所有的窗口状态和信息都在其掌握之中，完成这一工作不在话下。

• 主要功能图

Window是什么

• Window是什么？
  • 表示一个窗口的概念，是所有View的直接管理者，任何视图都通过Window呈现(点击事件由Window->DecorView->View; Activity的setContentView底层通过Window完成)
  • Window是一个抽象类，具体实现是PhoneWindow。这个可以看Activity#attach方法源码
  • 创建Window需要通过WindowManager创建，WindowManager是外界访问Window的入口，Window具体实现位于WindowManagerService中
  • WindowManager和WindowManagerService的交互是通过IPC完成
• Window和View关系
  • Window和View通过ViewRootImpl建立联系，iew是视图的呈现方式，但是不能单独存在，必须依附在Window这个抽象的概念上。
  • WMS把所有的用户消息发给View/ViewGroup，但是在View/ViewGroup处理消息的过程中，有一些操作是公共的, Window把这些公共行为抽象出来, 这就是Window。
• Activity、View、Window三者之间的关系
  • 在Activity启动过程其中的attach()方法中初始化了PhoneWindow，而PhoneWindow是Window的唯一实现类。
  • 然后Activity通过setContentView将View设置到了PhoneWindow上，而View通过WindowManager的addView()、removeView()、updateViewLayout()对View进行管理。

WMS整体框架

• WMS整体框架

• WMS简单类图

WMS核心流程

WMS启动流程

• WMS启动流程

WMS流程分析

Window添加View

• 先看一个简单的案例。在主屏幕上添加一个TextView并展示，并且这个TextView独占一个窗口。

TextView mview = new TextView(context);
WindowManager mWindowManager = (WindowManager) getSystemService(Context.WINDOW_SERVICE);
WindowManager.LayoutParams wmParams = new WindowManager.LayoutParams();
wmParams.type = WindowManager.LayoutParams.TYPE_TOAST;
wmParams.width = 800;
wmParams.height = 800;
mWindowManager.addView(mview, wmParams);

• 对Window添加View的流程步骤分析
  • WindowManager.addView添加窗口之前，TextView的onDraw不会被调用，也就说View必须被添加到窗口中，才会被绘制。只有申请了依附窗口，View才会有可以绘制的目标内存。
  • 当APP通过WindowManagerService的代理向其添加窗口的时候，WindowManagerService除了自己进行登记整理，还需要向SurfaceFlinger服务申请一块Surface画布，其实主要是画布背后所对应的一块内存，只有这一块内存申请成功之后，APP端才有绘图的目标，并且这块内存是APP端同SurfaceFlinger服务端共享的，这就省去了绘图资源的拷贝。
  • APP端是可以通过unLockCanvasAndPost直接同SurfaceFlinger通信进行重绘的，就是说图形的绘制同WMS没有关系，WMS只是负责窗口的管理，并不负责窗口的绘制。

WMS核心职责

• 窗口管理：
  • WMS是窗口的管理者，负责窗口的启动，添加和删除，另外窗口的大小也时有 WMS 管理的，管理窗口的核心成员有 DisplayContent，WindowToken 和 WindowState
• 窗口动画：
  • 窗口间进行切换时，使用窗口动画可以更好看一些，窗口动画由 WMS 动画子系统来负责，动画的管理系统为 WindowAnimator
• 输入系统的中转站：
  • 通过对窗口触摸而产生的触摸事件，InputManagerServer(IMS) 会对触摸事件进行处理，他会寻找一个最合适的窗口来处理触摸反馈信息，WMS 是窗口的管理者，因此理所当然的就成为了输入系统的中转站。
• Surface管理：
  • 窗口并不具备绘制的功能，因此每个窗口都需要有一个块 Surface 来供自己绘制，为每个窗口分配 Surface 是由 WMS 来完成的。

WMS是如何启动

• WMS 是在 SystemServer 内部启动的
  • Android 系统在启动的时候，会启动两个重要的进程，一个是 Aygote 进程，两一个是由 Zygote 进程 fork 出来的 system_server 进程，SystemServer 会启动我们在系统中所需要的一系列 Service。
• 在SystemServer#startOtherServices方法中
  • 核心1：SystemServer#WindowManagerService.main，传入了 IMS，因为 WMS 是 IMS 的中转站。观察 WindowManagerService.main 方法可以知道他是运行在 SystemServer 的 run 方法中，换句话说就是运行在 system_server 线程中。
  • 核心2：SystemServer#ServiceManager.addService，将 WMS 和 IMS 注册到 ServerManager 里面，这样客户端想要使用 WMS 就需要先去 ServiceManager 中查询信息，然后与 WMS 所在的进程建立通信，这样客户端就可以使用 WMS 。

WMS构造方法

• 在WindowManagerService#main方法中

  • 通过 DisplayThread 的 getHandler 方法获取到了 DisplayThread 的 Handler 实例。用来处理需要低延时显示的相关操作，runWithScissors 表达式中创建了 WMS 对象。

• 在WindowManagerService#WindowManagerService()构造方法中

  • 初始化 WindowManagerPolicy ，它用来定义一个窗口测量所需要遵循的规范。
  • 创建了 WindowAnimator，它用于管理所有的窗口动画。
  • 创建 RootWindowContainer 对象，根窗口容器。
  • 获取 DisplayManager 服务。
  • 获取 AMS，并持有他的引用。

• WMS的启动中WMS创建完成后会调用 wm.onInitReady 方法

  • 和 WMS 的 main 方法类似，WindowManagerPolicy (简称 WMP) 是一个接口，init 的具体实现在 PhoneWindowManager(PWM) 中
  • init 方法运行在 android.ui线程中。因此他的线程优先级要高于 android.display 线程，必须等 init 方法执行完成后，android.display线程才会被唤醒从而继续执行下面的代码。

WMS窗口管理

• Window 的操作有两大部分，一部分是 WindowManager 来处理，一部分是 WMS 来处理
• 先看第一部分WindowManager处理逻辑
  • WindowManager 中，通过 WindowManagerGlobal 创建 ViewRootImpl ，也就是 View 的根。
  • 在 ViewRootImpl 中完成对 View 的绘制等操作，然后通过 IPC 获取到 Session，最终通过 WMS 来进行处理。
• 再看第二部分WMS处理逻辑
  • 主要分析是ViewRootImpl#setView()到WindowManagerService.addWindow()的这个过程，涉及到跨进程通信。
  • 1.ViewRootImpl#setView()过程。mWindowSession是IWindowSession对象。在创建ViewRootImpl对象时被实例化。
  • 2.WindowManagerGlobal#getWindowSession()过程。getWindowManagerService()通过AIDL返回WindowManagerService实例。之后调用WindowManagerService#openSession()。
  • 3.WindowManagerService#openSession()过程。返回一个Session对象。也就是说在ViewRootImpl#setView()中调用的是mWindowSession.addToDisplay，其实就是Session#addToDisplay()。
  • 4.Session#addToDisplay()过程。mService是个WindowManagerService对象，也就是说最后调用的是WindowManagerService#addWindow()
  • 5.WindowManagerService#addWindow()过程。mWindowMap是个Map实例，将WindowManager添加进WindowManagerService统一管理。至此，整个添加视图操作解析完毕。
• 注意WMS并不关心View的具体内容
  • WMS只关心各个应用显示的界面大小，层级值等，这些数据到包含在 WindowManager.LayoutParams 中。

一些源码分析

addView源码分析

• Window的addView源码分析？
  • WindowManager是一个接口，真正实现类是WindowManagerImpl，并最终以代理模式交给WindowManagerGlobal实现。
  • addView:
    1.创建ViewRootImpl；
    2.将ViewRoot、DecorView、布局参数保存到WM的内部列表中；
    3.ViewRoot.setView()建立ViewRoot和DecorView的联系。
  • setView：
    1.进行View绘制三大流程；
    2.会通过WindowSession完成Window的添加过程(一次IPC调用)
  • requestLayout：内部调用scheduleTraversals(), 底层通过mChoreographer去监听下一帧的刷新信号。
  • mWindowSession.addToDisplay: 执行WindowManagerService的addWindow
  • addWindow: 检查参数等设置;检查Token;将Token、Window保存到WMS中;将WindowState保存到Session中。

remove源码与解析

• Window的remove源码与解析
  • WindowManager中提供了两种删除接口：removeView异步删除、removeViewImmediate同步删除(不建议使用)
  • 调用WMGlobal的removeView
  • 调用到WMGlobal的removeViewLocked进行真正的移除
  • 执行ViewRoot的die方法():
    1-同步方法直接调用doDie
    2-异步方法直接发送Message
  • doDie(): 调用dispatchDetachedFromWindow()和WindowManagerGlobal.getInstance().doRemoveView(this)
  • dispatchDetachedFromWindow:
    1.回调onDetachedFromeWindow；
    2.垃圾回收相关操作；
    3.通过Session的remove()在WMS中删除Window；
    4.通过Choreographer移除监听器

Android Framework底层原理手册：https://qr18.cn/AQpN4J

1. 开机Init 进程
2. 开机启动 Zygote 进程
3. 开机启动 SystemServer 进程
4. Binder 驱动
5. AMS 的启动过程
6. PMS 的启动过程
7. Launcher 的启动过程
8. Android 四大组件
9. Android 系统服务 - Input 事件的分发过程
10. Android 底层渲染 - 屏幕刷新机制源码分析
11. Android 源码分析实战
12. ……