android窗口管理剖析
Android窗口管理
一、 概述
在Android系统中，从设计的角度来看，窗口管理系统是基于C/S模式的。整个窗口系统分为服务端和客户端两大部分，客户端负责请求创建窗口和使用窗口，服务端完成窗口的维护，窗口显示等。
在Client端，并不是直接和WindowManagerService交互，而是直接和本地对象WindowManager交互，然后由WindowManager完成和WindowManagerService的交互。对于Android应用来说这个交互是透明的，应用不能感知到WindowManagerService的存在
二、 窗口的定义
在android的应用框架中，窗口主要分为两种：
第一种是应用窗口：一个activity有一个主窗口，弹出的对话框也有一个窗口，Menu菜单也是一个窗口。在同一个activity中，主窗口、对话框、Menu窗口之间通过该activity关联起来。和应用相关的窗口表示类是PhoneWindow和Window，PhoneWindow继承于Window，针对手机屏幕做了一些优化工作。PhoneWindow只是一个窗口封装类，里面核心的是mDecorView这个变量，mDecorView是一个顶层的View，窗口的添加就是通过调用getDecorView()获取到mDecorView并且调用WindowManager.addView()把该View添加到WindowManager中。
第二种是公共界面的窗口：如最近运行对话框、关机对话框、状态栏下拉栏、锁屏界面等。这些窗口都是系统级别的窗口，不从属于任何应用，和activity没有任何关系。这种窗口没有任何窗口类来封装，直接调用WindowManager.addView()来把一个view添加到WindowManager中。
在应用初始化的时候，会首先生成一个Activity对象，此时该activity还没有属于他的一个窗口。紧接着通过调用attach()函数，在attach()函数里面该activity会调用PolicyManager.makeNewWindow()创建一个新的PhoneWindow，然后在activity的onCreate（）生命周期里，一般应用都会调用setContentView（）设置该activity的显示界面。在setContentView()里，框架会自动生成一个布局，该布局文件包含了如标题栏、ActionBar等元素，最重要的是包含了应用的contentView。这个布局对应的就是PhoneWindow里面的mDecorView。最后在activity将要显示出来之前，通过getWindow().getDecorView()获取到DecorView，并通过WindowManager.addView()把DecorView添加到WindowManager中。
Activity添加客户端窗口时序图
三、 窗口管理
Android的窗关管理是基于C/S模式的，并且使用独立进程的方式实现。窗口管理的服务端WindowManagerService运行在独立的进程system_server里，当应用程序需要创建窗口时，通过进程通信的方式请求WindowManagerService创建窗口，由WindowManagerService向应用程序传递和窗口相关的交互消息。所有程序的窗口都在服务端管理，窗口的显示和控制都在WindowManagerService里处理。
WindowManagerService主要完成了以下几部分功能：
1. 窗口的添加和删除
2. 窗口的显示和隐藏控制
3. Z-order顺序管理
4. 焦点窗口和焦点应用的管理
5. 输入法窗口管理和墙纸窗口管理
6. 转场动画
7. 系统消息收集和分发
服务端的实现代码是在/framework/base/services/java/com/android/server/wm/里，核心的几个类是：
WindowManagerService.java
WindowState.java
WindowToken.java
AppWindowToken.java
Session.java
InputManager.java
InputMonitor.java
类解释：
WindowManagerService负责完成窗口的管理工作；
WindowState和客户端窗口一一对应，应用调用WindowManager.addView()时，最终会在WindowManagerService添加一个WindowState与之一一对应。
WindowToken是一个句柄，保存了所有具有同一个token的WindowState。应用请求WindowManagerService添加窗口的时候，提供了一个token，该token标识了被添加窗口的归属，WindowManagerService为该token生成一个WindowToken对象，所有token相同的WindowState被关联到同一个WindowToken。如输入法添加窗口时，会传递一个mCurrToken，墙纸服务添加窗口时，会传递一个newConn.mToken。
AppWindowToken继承于WindowToken，专门用于标识一个Activity。AppWindowToken里的token实际上就是指向了一个Activity。ActivityManagerService通知应用启动的时候，在服务端生成一个token用于标识该Activity，并且把该token传递到应用客户端，客户端的Activity在申请添加窗口时，以该token作为标识传递到WindowManagerService。同一个Activity中的主窗口、对话框窗口、菜单窗口都关联到同一个AppWindowToken。
Session表示一个客户端和服务端的交互会话。一般来说不同的应用通过不同的会话来和WindowManagerService交互，但是处于同一个进程的不同应用通过同一个Session来交互。
InputManager和InputMonitor负责上层的消息分发功能。
WindowManagerService内部的几个重要成员变量：
ArrayList<WindowState> mWindows
HashMap<IBinder, WindowState> mWindowMap
ArrayList<WindowToken> mTokenList
ArrayList<AppWindowToken> mAppTokens
mWindows保存了系统中所有的WindowState；
mWindowMap保存了每个WindowState和客户端窗口的映射关系，客户端应用请求窗口操作时，通过mWindowMap查询到对应的WindowState；
mTokenList保存了所有的WindowToken
mAppTokens保存了所有的AppWindowToken
窗口管理服务端主要类图
一个Activity从启动到添加窗口的整个流程如下：
ActivityManagerService在接收到启动Activity请求时，首先生成一个token作为该Activity的唯一标识。然后调用WindowManagerService向其添加一个AppWindowToken，此AppWindowToken封装了Activity的token。接着AMS启动应用客户端进程并把token传递到该进程，在客户端进程里完成Activity的初始化。在Activity的attach()函数中，Activity完成PhoneWindow的创建，并且把token传递给PhoneWindow。在Activity调用WindowManager.addView()时，在WindowManager内部会把token和该View关联，真正向WindowManagerService申请创建窗口的时候，再把token传递给WindowManagerService。WindowManagerService接收到创建窗口的请求的时候，通过mTokenMap查询对应该token的AppWindowToken，如果为空则抛出异常，否则创建一个WindowState并完成初始化工作和其他数据结构的调整工作。在这个过程中，token贯穿了服务端的AMS、WMS和客户端的Activity、Window。
Activity启动过程中创建窗口的时序图
四、 WMS中服务端和客户端的交互接口和数据结构
应用请求创建窗口时，和应用直接交互的是WindowManager对象。WindowManager只是一个接口，调用addView()创建窗口时正真交互的是WindowManagerImpl对象。WindowManagerImpl管理单个应用的所有本地窗口。应用调用addView()创建窗口时，WindowManagerImpl会生成一个ViewRoot对象与之相对应，并且把相应的参数LayoutParams保存起来。
addView()的执行流程如下：
(1) 检查所添加的窗口是否已经添加过，不允许重复添加；
(2) 如果所添加窗口为子窗口类型，找到其父窗口，并保存在内部变量中；
(3) 创建一个新的ViewRoot，并保存对应的View（DecorView）和LayoutParams；
(4) 调用ViewRoot的setView()方法，完成真正意义上的添加工作。
ViewRoot本质上是一个Handler，并且实现了ViewParent接口。ViewRoot的主要功能是：
1. 负责分发消息事件，如Key、Motion事件等；
2. 负责和WMS的交互，分发WMS的交互命令；
3. 作为DecorView的parent，对DecorView进行draw、measure、layout等操作；
在addView()的第3、4步完成之后，ViewRoot就全权接管了和WMS的交互工作，DecorView不需要做任何交互动作。ViewRoot和WMS之间的双向对话，主要是通过以下两个数据结构进行的：
IWindowSession
IWindow
这两个数据结构都是标准的aidl接口，用于进程之间的同步通信。IWindowSession负责ViewRoot到WMS的单向请求，IWindow则用于WMS回调ViewRoot。在ViewRoot对象内部，存在着一个IWindowSession的静态成员和一个IWindow的非静态成员，所以一个进程里只有一个IWindowSession对象，但是可以有多个IWindow对象。
Window、WindowManager、DecorView、ViewRoot、IWindowSession、IWindowSession、WindowState、WindowManagerService之间的关系可用下图来表示：
在ViewRoot的构造函数中，调用getWindowSession()初始化静态成员sWindowSession和非静态成员mWindow。在第4步调用setView()方法时，ViewRoot会调用sWindowSession.add()方法，把IWindow添加到WMS中，WMS就会生成一个WindowState与之一一对应，并且把IWindow对象保存到WindowState内部作为回调的接口。之后所有WMS的命令，都会通过直接访问IWindow接口，以消息的形式分发到ViewRoot，ViewRoot来完成相应的处理，或对DecorView进行操作，或完成后通过sWindowSession报告给WMS。
一个窗口从添加到显示可用以下时序图表示：
窗口添加过程时序图
到此为止，整个窗口管理系统整体架构可表示如下：
窗口管理系统整体架构图
五、 WindowState和Surface
从Client端调用WindowManager的addView()方法到WMS完成WindowState的初始化，在这整个过程中，只是完成了一个窗口数据结构的创建，也就是说，到现在为止，Client端的窗口和Server端的窗口已经建立了一种相对固定的连接关系，并且Client端和Server端之间能够正常通信，WMS能够透明的对Client端的窗口进行操作，同时WMS也能够接收Client端窗口的命令，对WindowState进行相应的调整。
一个WindowState想要显示在屏幕上，必须申请一个显示缓存，这个显示缓存的管理和维护是在底层图形模块实现的，在java层有一个操作的封装对象Surface。WindowState申请到Surface对象之后，会将此Surface对象的相关数据拷贝到Client端的ViewRoot中，ViewRoot中也维护了一个Surface对象，实际上这两个对象是指向同一块显示缓存。ViewRoot有了这块显示缓存的引用之后，即可以通过lockCanvas来获取绘画画布，绘制完毕之后通过unlockAndPostCanvas来将绘制内容刷新到显示缓存中。也就是说，Client端窗口和Server端窗口共用一个Surface，Client负责绘制Surface的内容，Server负责控制Surface在屏幕上的大小位置等。
ViewRoot通过IWindowSession的relayout()接口来向WMS发送请求命令，包括窗口的显示和隐藏，窗口的布局信息如位置大小，同时还会接收WMS的处理结果。WMS会根据屏幕大小和Client请求的布局参数来决定窗口最终的布局信息，同时也会根据Client请求的显示隐藏命令来返回一个有效的或者无效的Surface对象。通常一个窗口的显示过程为：
1. Client请求显示窗口，并且传递布局参数；
2. WMS根据布局参数，申请一个Surface对象并返回给Client；
3. Client对Surface进行绘画操作，完成后告诉WMS；
4. WMS将Surface显示在屏幕上，并且进行层级等相应调整；
窗口显示过程时序图
一个横跨Activity、View、ViewRoot、IWindowSession、IWindow、WindowState、WindowManagerService、Surface的整体概念如下如所示：
窗口管理系统完整架构图