Andrioid GUI 系统

0 概述

Android的GUI系统是Android重要也是最复杂的系统之一，主要包括：

WINDOW MANAGER TOKENS (dumpsys window tokens)
All tokens:
WindowToken{4ea639c4 null}: //token = NULL
windows=[Window{4ea7670c u0 Application Not Responding: jackpal.androidterm}, Window{4ea63a08 u0 Keyguard}]
windowType=-1 hidden=false hasVisible=true
AppWindowToken{4eb29760 token=Token{4eb289d4 ActivityRecord{4ea87a20 u0 com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher}}}: //Launcher2
windows=[Window{4ea837c8 u0 com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher}]
windowType=2 hidden=true hasVisible=true
...
WindowToken{4eb1fd48 android.os.BinderProxy@4eae8a5c}:
windows=[Window{4ea92b78 u0 PopupWindow:4ea0240c}]  //对话框
windowType=-1 hidden=false hasVisible=false
AppWindowToken{4eb5d6c0 token=Token{4ea35074 ActivityRecord{4ea68590 u0 jackpal.androidterm/.Term}}}:
windows=[Window{4eb314e4 u0 jackpal.androidterm/jackpal.androidterm.Term}]
windowType=2 hidden=false hasVisible=true
app=true

窗口和图形系统——Window and View Manager System
显示合成系统—— SurfaceFlinger
用户输入系统 ——InputManager System
应用框架系统——Activity Manager System

他们之间的关系如图


只有对这些系统的功能和工作原理有一个基本的了解，才能解答下面的问题：

Activity启动过程？Activity的onXXX()在后台都做了什么？Activity的show()和hide()是如何控制的
Surface是什么时候被创建的？
Android是如何将一个个的控件画到Surface上的？然后显示到手机屏幕上的？
Android是一个多窗口的系统么？
应用程序窗口是如何获取焦点的？用户的按键是怎么传递到当前的窗口的？
Android是怎么支持多屏幕互动的（WifiDisplay）
输入法窗口到底输入哪个进程?为什么不管什么应用，只要有输入框的时候都能弹出它？

本文将从框架和流程角度出发，对Android的GUI系统做一个简单全面的介绍，首先来解释一些概念

1 Window,PhoneWindow和Activity

Activity是Android应用的四大组件之一（Activity，Service，Content Provider，BroadCast Receiver），也是唯一一个与用户交互的组件
Window在不同的地方有不同的含义。
在Activity中，Window是一个抽象类，代表一个矩形的不可见的容器，里面有若干个可见的区域（View），每个Activity都会有一个Window类成员变量-mWindow。
而在WindowManagerService里管理的Window其实是Activity的ViewRoot （下面提及到的没有说明的都是这里的Window，即一个特定的显示区域）
从用户的角度来看，Android是多窗口的操作系统，不同尺寸的窗口区域根据尺寸，位置，z-order及alpha等叠加起来呈现给用户的。这些窗口可以来自于一个应用也可以是多个应用，这些窗口可以显示在一个平面也可以显示在不同的平面。总的来说就是窗口是有层次的显示区域，每个窗口在底层最终体现为一个个矩形的Buffer，这些Buffer经过计算合成为一个新的Buffer，最终交给Display系统进行显示。
为了辅助最后的窗口管理，Android定义了些不同的窗口类型：

1）应用程序窗口（Application Window）：包括所有应用程序自己创建的窗口，以及在应用起来之前系统负责显示的窗口。
2）子窗口（Sub Window）：比如应用程序自定义的对话框，输入法窗口，子窗口必须依附于某个应用窗口（设置相同的token）
3）系统窗口（System Window）：系统设计的，不依附于任何应用程序的窗口，如状态栏（Status Bar）,导航栏（Navigation Bar）,壁纸（Wallpaper）,来电显示窗口（Phone），锁屏窗口（KeyGuard），信息提示窗口（Toast），音量调节窗口，鼠标光标等等。
4）PhoneWindow是Activity Window的扩展，是为手机或平板设备专门设计的一个窗口布局方案，就想大家在手机上看到的，一个PhoneWindow的布局大致如下：

2 View，DecorView，ViewGroup，ViewRoot

View是一个矩形的可见区域。
ViewGroup是一种特殊的View，它可以包含其它的View并以一定的方式进行布局。Android支持LinearLayout，FrameLayout，RelativeLayout等。
DecorView是FrameLayout的子类，FrameLayout也叫单帧布局，是最简单的一种布局，所有的子View在垂直方向上按照先后顺序依次叠加，如果有重叠，后面的View将会将前面的View遮挡。我们平时看到的弹出框就是用的FrameLayout布局。Android上的窗口基本上用的都是FrameLayout布局，所以DecorView也就是ActivityWindow的顶级View，所有的窗口里显示的View都是它的子View。

ViewRoot，我们可以定义所有被addView()调用的View是ViewRoot，因为接口将会生成一个ViewRootImpl对象，并保存在WindowManagerGlobal的mRoots[]数组里。一个应用程序可能有很多个ViewRoot（只要多次调用addView()）,在WindowManagerService端看来，就是多个Window。但在Activity的默认实现里，只有mDecorView通过addView添加到WindowManagerService里（代码如下）

//frameworks/base/core/java/android/app/Activity.java
void makeVisible() {
if (!mWindowAdded) {
ViewManager wm = getWindowManager();            

wm.<strong>addView</strong>(mDecor, getWindow().getAttributes());//mDecor通过WindowManager的addView添加
mWindowAdded = true;
}
mDecor.setVisibility(View.VISIBLE);
}

因此，一般情况下，一个应用程序可以有多个Activity，每个Activity一个Window（PhoneWindow），每个Window有一个DecorView，一个ViewRootImpl，对应在WindowManagerService里有一个Window（WindowState）

3 ViewRootImpl，WindowManagerImpl，WindowManagerGlobals

WindowManagerImpl：实现了WindowManager和ViewManager的接口，但是大部分是调用WindowManagerGlobals的接口实现的。
WindowManagerGlobals：一个singleton对象，对象里有三个数组：
mRoot[]：存放所有的ViewRootImpl
mViews[]：存放所有的ViewRoot
mParams[]：存放所有的LayoutParams
同时，它还维护了两个全局的Binder对象，用于访问WindowManagerService提供的两套接口：
IWindowManager：主要接口是OpenSession()，用于在WindowManagerService内部创建和初始化Session，并返回IBinder对象
ISession：是Activity Window与WindowManagerService进行对话的主要接口

ViewRootImpl:
ViewRootImpl在整个Android的GUI系统中占据非常重要的位置，如果把Activity和View看做是‘MVC’中的‘V’，把各种后台服务看做Modal，ViewRootImpl就是‘C’，承担着承上启下的作用。从下图可以看到，ViewRootImpl与用户输入系统，窗口系统，显示合成系统（choreograph，surfaceflinger）以及audio系统等都有密切的关联。研究ViewRootImpl就是研究Android整个窗口系统的核心和切入点



ViewRootImpl，WindowManagerImpl，WidnowManagerGlobals都存在于应用（有Activity）的进程空间中，一个Activity对应一个WindowManagerImpl，一个Decorview（ViewRoot），以及一个ViewRootImpl，而WindowManagerGlobals是一个全局对象，一个应用只有一个。
注意：在某些情况下，一个应用程序会有几个ViewRootImpl对象，比如弹出对话框，显示视频窗口（SurfaceView），在WindowManagerService看来，他们也是一个窗口。同时，systemserver的进程空间也有自己的WindowManagerGlobals和若干个ViewRoot，因为WindowManagerService内部也会管理某些系统窗口，如手机顶部的StatusBar，锁屏窗口等，这些不属于某个特定的Activity。

4 WindowManager，WindowManagerService，WindowManagerPolicyService

WindowManager：是一个接口类，定义了一些接口来管理Activity里的窗口。WindowManager是Android应用进程空间里的对象，不提供IPC服务。
WindowManagerService：是SystemService进程的一个Service，主要功能有：
1）窗口的显示刷新（这里的Window是ViewRoot，实实在在的显示窗口），通常情况下，Android同时只有一个Activity工作，但这并不意味着只有一个Window被显示，Android可能会同时会显示来自相同或不同应用程序的多个Window，比如说，StatusBar，NavigateBar，开机动画中的两个Activity的窗口同时显示出来，这些都需要WindowManager的控制何时何地以何种方式将所有的窗口整合在一起显示。
2）预处理用户输入时间并分发给合适的窗口进行处理
3）输出显示（Display）管理，包括WifiDisplay
WindowManagerServcie是Android Framework最庞大的而复杂的模块之一

5 Token，WindowToken，ApplicationWindowToken

Token是标记的意思，在代码中，有点像Handle，Cookie，ID，用来标识某个特定的对象。在Android的窗口系统中，有很多的Token，他们代表着不同的含义，如下
WindowToken：是在WindowManagerService中定义的一个基类，用来标识某一个窗口。和下面的appWindowToken相比，它不属于某个特定的Activity，比如输入法窗口，状态栏窗口等等。
appWidnowToken：标识app，是用来标识某个具体的Activity
ApplicationToken：指的是ActivityRecord类里的Token子类，appWindowToken里的token指的就是它
appToken：和ApplicationToken 是一个意思
下图描述了各个Token之间的关系，一个token下面带一个windowlist队列，里面存放着隶属于这个token的所有window。当一个window加入WindowManagerService管理时，必须制定它的token值，WindowManagerService维护者一个token与windowstate的键值hash表



通过' dumpsys window tokens' 可以列出WindowManagerService里当前所有的Token和窗口。如

WINDOW MANAGER TOKENS (dumpsys window tokens)
All tokens:
WindowToken{4ea639c4 null}: //token = NULL
windows=[Window{4ea7670c u0 Application Not Responding: jackpal.androidterm}, Window{4ea63a08 u0 Keyguard}]
windowType=-1 hidden=false hasVisible=true
AppWindowToken{4eb29760 token=Token{4eb289d4 ActivityRecord{4ea87a20 u0 com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher}}}: //Launcher2
windows=[Window{4ea837c8 u0 com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher}]
windowType=2 hidden=true hasVisible=true
...
WindowToken{4eb1fd48 android.os.BinderProxy@4eae8a5c}:
windows=[Window{4ea92b78 u0 PopupWindow:4ea0240c}]  //对话框
windowType=-1 hidden=false hasVisible=false
AppWindowToken{4eb5d6c0 token=Token{4ea35074 ActivityRecord{4ea68590 u0 jackpal.androidterm/.Term}}}:
windows=[Window{4eb314e4 u0 jackpal.androidterm/jackpal.androidterm.Term}]
windowType=2 hidden=false hasVisible=true
app=true

6 Surface，Layer，Canvas,SurfaceFlinger,Region

Android中，Window和Surface一一对应，Window内容是变化的，Surface需要有空间记录每个时刻Window的内容。在Android的SurfaceFlinger中，通常一个Surface有两块Buffer，一块用于绘画，一块用于显示，两个buffer按照固定频率交换，从而实现window的动态刷新。

Layer是surfaceflinger进行合成的基本操作单元。layer在应用请假创建surface的时候在surfaceflinger内部创建，因此一个surface对应一个layer，但surface不一定对应于window，Android中有些surface并不跟某些window相关，而是有程序直接创建，如StrictMode，一块红色的背景，用于提示java代码中的一些异常，还有surfaceview，用于显示硬件输出的视频内容等。

当多个layer进行合成的时候，并不是整个layer的空间都会被完全显示，根据这个layer最终的显示效果，一个layer可以被划分成很多个region，android surfaceflinger定义了下面的region类型
TransparentRegion：完全透明的区域，在它之下的区域被显示出来
OpaqueRegion：完全不透明的区域，是否显示取决于它上面是否有遮挡或透明
VisibleRegion：可见区域，包括完全不透明无遮挡区域或半透明区域。visibleRegion = Region - above opaqueregion
CoveredRegion：被遮挡的区域，在它之上，有不透明或不透明区域
DirtyRegion：可见部分改变区域，包括新的遮挡区域和新的漏出区域

Android系统支持多中显示设备，如可以通过wifi投射到电视上显示。android用Display类来表示这样的设备。不是所有的layer都会输出到所有的Display，比如说，我们可以将video layer投射到电视，而非整个屏幕。layerstack就是为此设计的，layerstack是一个display对象的一个数值，而类layer里也有的成员变量mLayerStack，只有两者的layerstack值相同，layer才会被输出到该display设备上，所以layerstack决定了每个display设备上可以显示的layer数目。

surfaceflinger的工作内容，就是定期的检查所有的layer参数的更新（如layerstack，alpha等），计算新的DirtyRegion，然后将结果推送给底层显示驱动进行显示。

对于应用而言，它只关心如何将内容画出来，Canvas是java层定义的一个类，它对应于surface上的某个区域并提供很多的2d绘制函数（skia或opengl）。应用程序只需要通过lockcanvas()来获取一个canvas对象，并调用它的draw方法，然后unLockCanvasAndPost()来通知底层将更新内容进行显示。当然，并不是所有的应用程序都是直接操作Canvas，事实上，android封装了很多的Widget，应用程序只需要提供素材就可以通过这些控件调用Canvas提供的接口进行绘制。

7 SurfaceFlinger，HWComposer，OpenGL,Display

SurfaceFlinger是一个独立的Service，它接受所有Window的Surface作为输入，根据z-order，alpha，size，position等计算出每个surface在最终合成图像中的位置，然后交给HWComposer或OpenGL生成最终的显示Buffer，然后显示到特定的显示设备上。

HWComposer是Android 4.0后推出的，它定义了一套HAL层接口，然后哥哥芯片厂商根据各种硬件特点来实现。它的主要工作是将SurfaceFlinger计算好的layer的显示参数最终合成一个显示buffer上，SurfaceFlinger并非是HWComposer的唯一输入，所有的Surface不由Android的WindowManager管理，比如摄像头的预览输入buffer，可以有硬件直接写入，然后作为HWComposer的输入之一与SurfaceFlinger的输出做最后的合成。

OpenGL是一个2D/3D图形库，需要底层硬件（GPU）和驱动的支持，在Android 4.0后，它取代skia成为android的2d回执图形库，大部分的控件都改成用它来实现，应用程序也可以直接调用OpenGL函数实现复杂的图形界面。

Display是android对输出显示设备的一个抽象，传统的display就是手机上的lcd屏，在4.1后，surfaceflinger做了很大的改动，从而能够支持其他外部输入设备，如hdmi，wifidisplay等，display的输入时根据上面的layerstack值进行过滤的所有window的surface，输出是和显示设备尺寸相同的buffer，这个buffer最终送到了硬件的fb设备，或者hdmi设备，或者远处的wifidisplay sink设备进行显示。输入到输出这条路径上有surfaceflinger，opengl，HWComposer。