Android 绘制原理浅析「干货」
背景
对于Android开发,在面试的时候,经常会被问到,说一说View的绘制流程?我也经常问面试者,View的绘制流程.
对于3年以上的开发人员来说,就知道onMeasure/onLayout/onDraw基本,知道他们呢是干些什么的,这样就够了吗?
如果你来我们公司,我是你的面试官,可能我会考察你这三年都干了什么,对于View你都知道些什么,会问一些更细节的问题,比如LinearLayout的onMeasure,onLayout过程?他们都是什么时候被发起的,执行顺序是什么?
如果以上问题你都知道,可能你进来我们公司就差不多了(如果需要内推,可以联系我,Android/IOS 岗位都需要),可能我会考察你draw的 canvas是哪里来的,他是怎么被创建显示到屏幕上呢?看看你的深度有多少?
对于现在的移动开发市场逐渐趋向成熟,趋向饱和,很多不缺人的公司,都需要高级程序员.在说大家也都知道,面试要造飞机大炮,进去后拧螺丝,对于一个3年或者5年以上Android开发不稍微了解一些Android深一点的东西,不是很好混.扯了这么多没用的东西,还是回到今天正题,Android的绘图原理浅析.
本文介绍思路
从面试题中几个比较容易问的问题,逐层深入,直至屏幕的绘图原理.
在讲Android的绘图原理前,先介绍一下Android中View的基本工作原理,本文暂不介绍事件的传递流程。
View 绘制工作原理
我们先理解几个重要的类,也是在面试中经常问到的
Activity,Window(PhoneWindow),DecorView之间的关系
理解他们三者的关系,我们直接看代码吧,先从Activity开始的setContentView开始(注:代码删除了一些不是本次分析流程的代码,以免篇幅过长)
- //Activity
- /**
- * Set the activity content from a layout resource. The resource will be
- * inflated, adding all top-level views to the activity.
- *
- * @param layoutResID Resource ID to be inflated.
- *
- * @see #setContentView(android.view.View)
- * @see #setContentView(android.view.View, android.view.ViewGroup.LayoutParams)
- */
- public void setContentView(@LayoutRes int layoutResID) {
- getWindow().setContentView(layoutResID);
- initWindowDecorActionBar();
- }
- public Window getWindow() {
- return mWindow;
- }
里面调用的getWindow的setContentView,这个接下来讲,那么这个mWindow是何时被创建的呢?
- //Activity
- private Window mWindow;
- final void attach(Context context, ActivityThread aThread,····) {
- attachBaseContext(context);
- mFragments.attachHost(null /*parent*/);
- mWindow = new PhoneWindow(this, window, activityConfigCallback);
- }
在Activity的attach中创建了PhoneWindow,PhoneWindow是Window的实现类.
继续刚才的setContentView
- //PhoneWindow
- @Override
- public void setContentView(int layoutResID) {
- if (mContentParent == null) {
- installDecor();
- } else if (!hasFeature(FEATURE_CONTENT_TRANSITIONS)) {
- mContentParent.removeAllViews();
- }
- if (hasFeature(FEATURE_CONTENT_TRANSITIONS)) {
- final Scene newScene = Scene.getSceneForLayout(mContentParent, layoutResID,
- getContext());
- transitionTo(newScene);
- } else {
- mLayoutInflater.inflate(layoutResID, mContentParent);
- }
- }
在setContentView中,如果mContentParent为空,会去调用installDecor,最后将布局infalte到mContentParent.在来看一下installDecor
- //PhoneWindow
- // This is the view in which the window contents are placed. It is either
- // mDecor itself, or a child of mDecor where the contents go.
- ViewGroup mContentParent;
- private DecorView mDecor;
- private void installDecor() {
- mForceDecorInstall = false;
- if (mDecor == null) {
- mDecor = generateDecor(-1);
- } else {
- mDecor.setWindow(this);
- }
- if (mContentParent == null) {
- mContentParent = generateLayout(mDecor);
- }
- }
- protected DecorView generateDecor(int featureId) {
- return new DecorView(context, featureId, this, getAttributes());
- }
在installDecor,创建了一个DecorView.看mContentParent的注释我们可以知道,他本身就是mDecor或者是mDecor的contents部分.
综上,我们大概知道了三者的关系,
- Activity包含了一个PhoneWindow,
- PhoneWindow就是继承于Window
- Activity通过setContentView将View设置到了PhoneWindow上
- PhoneWindow里面包含了DecorView,最终布局被添加到Decorview上.
理解ViewRootImpl,WindowManager,WindowManagerService(WMS)之间的关系
看了上述三者的关系后,我们知道布局最终被添加到了DecorView上.那么DecorView是怎么被添加到系统的Framework层.
当Activity准备好后,最终会调用到Activity中的makeVisible,并通过WindowManager添加View,代码如下
- //Activity
- void makeVisible() {
- if (!mWindowAdded) {
- ViewManager wm = getWindowManager();
- wm.addView(mDecor, getWindow().getAttributes());
- mWindowAdded = true;
- }
- mDecor.setVisibility(View.VISIBLE);
- }
那他们到底是什么关系呢? (下面提到到客户端服务端是Binder通讯中的客户端服务端概念. )
以下内容是重点需要理解的部分
- ViewRootImpl(客户端):View中持有与WMS链接的mAttachInfo,mAttachInfo持有ViewRootImpl.ViewRootImpl是ViewRoot的的实现,WMS管理窗口时,需要通知客户端进行某种操作,比如事件响应等.ViewRootImpl有个内部类W,W继承IWindow.Stub,实则就是一个Binder,他用于和WMS IPC交互。ViewRootHandler也是其内部类继承Handler,用于与远程IPC回来的数据进行异步调用.
- WindowManger(客户端):客户端需要创建一个窗口,而具体创建窗口的任务是由WMS完成,WindowManger就像一个部门经理,谁有什么需求就告诉它,它和WMS交互,客户端不能直接和WMS交互.
- WindowManagerService(WMS)(服务端):负责窗口的创建,显示等.
View的重绘
从上述关系中,ViewRootImpl是用于接收WMS传递来的消息.那么我们来看一下ViewRootImpl里面的几个关于View绘制的代码.
在这里在强调一下,ViewRootImpl 两个重要的内部类
- W类 继承Binder 用于接收WMS 传递来的消息
- ViewRootHandler类继承Handler 接收W类的异步消息
下面看一下ViewRootHandler类.(以View的setVisible为例.)
- // ViewRootHandler(ViewRootImpl的内部类,用于异步消息处理,和Acitivity的启动很像)
- //第一步 Handler接收W(Binder)传递来的消息
- @Override
- public void handleMessage(Message msg) {
- switch (msg.what) {
- case MSG_INVALIDATE:
- ((View) msg.obj).invalidate();
- break;
- case MSG_INVALIDATE_RECT:
- final View.AttachInfo.InvalidateInfo info = (View.AttachInfo.InvalidateInfo) msg.obj;
- info.target.invalidate(info.left, info.top, info.right, info.bottom);
- info.recycle();
- break;
- case MSG_DISPATCH_APP_VISIBILITY://处理Visible
- handleAppVisibility(msg.arg1 != 0);
- break;
- }
- }
- void handleAppVisibility(boolean visible) {
- if (mAppVisible != visible) {
- mAppVisible = visible;
- scheduleTraversals();
- if (!mAppVisible) {
- WindowManagerGlobal.trimForeground();
- }
- }
- }
- void scheduleTraversals() {
- if (!mTraversalScheduled) {
- mTraversalScheduled = true;
- mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
- //开启下次刷新,就遍历View树
- mChoreographer.postCallback(
- Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
- if (!mUnbufferedInputDispatch) {
- scheduleConsumeBatchedInput();
- }
- notifyRendererOfFramePending();
- pokeDrawLockIfNeeded();
- }
- }
看一下mTraversalRunnable
- final class TraversalRunnable implements Runnable {
- @Override
- public void run() {
- doTraversal();
- }
- }
- final TraversalRunnable mTraversalRunnable = new TraversalRunnable();
- void doTraversal() {
- if (mTraversalScheduled) {
- mTraversalScheduled = false;
- mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
- performTraversals();
- }
- }
在TraversalRunnable中,执行doTraversal.并在doTraversal执行performTraversals(),是不是看到了我们熟悉的performTraversals()了?是的,在这里才开始View的绘制工作.
在ViewRootImpl中的performTraversals(),这个方法代码很长(大约800行代码),大致流程是
- 判断是否需要重新计算视图大小,如果需要就执行performMeasure()
- 是否需要重新安置所在的位置,performLayout()
- 是否需要重新绘制performDraw()
那么是什么导致View的重绘呢?这里总结了3个主要原因
- 视图本身内部状态(enable,pressed等)变化,可能引起重绘
- View内部添加或者删除了View
- View本身的大小和可见性发生了变化
View的绘制流程
在上一小节了,讲述了performTraversals()的是被WMS IPC调用执行的.View的绘制流程一般是
从performTraversals -> performMeasure() -> performLayout() -> performDraw().
下面看一下performMeasure()
- //ViewRootImpl
- private void performMeasure(int childWidthMeasureSpec, int childHeightMeasureSpec) {
- if (mView == null) {
- return;
- }
- Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "measure");
- try {
- mView.measure(childWidthMeasureSpec, childHeightMeasureSpec);
- } finally {
- Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
- }
- }
- public final void measure(int widthMeasureSpec, int heightMeasureSpec) {
- MeasureSpec.getMode(widthMeasureSpec) == MeasureSpec.EXACTLY
- && MeasureSpec.getMode(heightMeasureSpec) == MeasureSpec.EXACTLY;
- final boolean matchesSpecSize = getMeasuredWidth() == MeasureSpec.getSize(widthMeasureSpec)
- && getMeasuredHeight() == MeasureSpec.getSize(heightMeasureSpec);
- final boolean needsLayout = specChanged
- && (sAlwaysRemeasureExactly || !isSpecExactly || !matchesSpecSize);
- if (forceLayout || needsLayout) {
- mPrivateFlags &= ~PFLAG_MEASURED_DIMENSION_SET;
- resolveRtlPropertiesIfNeeded();
- int cacheIndex = forceLayout ? -1 : mMeasureCache.indexOfKey(key);
- if (cacheIndex < 0 || sIgnoreMeasureCache) {
- //在这里调用了onMeasure 方法
- onMeasure(widthMeasureSpec, heightMeasureSpec);
- mPrivateFlags3 &= ~PFLAG3_MEASURE_NEEDED_BEFORE_LAYOUT;
- }
- }
- }
最终调用了View的measure方法,而View中的measure()方法被定义成final类型,保证整个流程的执行.performLayout()和performDraw()也是类似的过程.
而对于程序员,自定义View只需要关注他提供出来几个对应的方法,onMeasure/onLayout/onDraw. 关于这方面知识的网上介绍的资料很多,也可以很容易的看到View及ViewGroup里面的代码,推荐看LinerLayout的源码理解这部分知识,在这里不详细展开.
Android的绘图原理浅析
Android屏幕绘制
关于绘制,就要从performDraw()说起,我们来看一下这个流程到底是怎么绘制的.
- //ViewRootImpl
- //1
- private void performDraw() {
- try {
- draw(fullRedrawNeeded);
- } finally {
- mIsDrawing = false;
- Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
- }
- }
- //2
- private void draw(boolean fullRedrawNeeded) {
- Surface surface = mSurface;
- if (!surface.isValid()) {
- return;
- }
- if (!drawSoftware(surface, mAttachInfo, xOffset, yOffset, scalingRequired, dirty)) {
- return;
- }
- }
- //3
- private boolean drawSoftware(Surface surface, AttachInfo attachInfo, int xoff, int yoff,
- boolean scalingRequired, Rect dirty) {
- Canvas canvas = mSurface.lockCanvas(dirty);
- }
看代码执行流程,1—>2->3, 最终拿到了Java层的canvas,然后进行一系列绘制操作.而canvas是通过Suface.lockCanvas()得到的.
那么Surface又是一个什么呢?在这里Surface只是一个抽象,在APP创建窗口时,会调用WindowManager向WMS服务发起一个请求,携带上surface对象,只有他被分配完一段屏幕缓冲区才能真正对应屏幕上的一个窗口.
来看一下Framework中的绘图架构.更好的理解Surface
Surface本质上仅仅代表了一个平面,绘制不同图案显然是一种操作,而不是一段数据,Android使用了Skia绘图驱动库来进行平面上的绘制,在程序中使用canvas来表示这个功能.
双缓冲技术的介绍
在ViewRootImpl中,我们看到接收到绘制消息后,不是立刻绘制而是调用scheduleTraversals,在scheduleTraversals调用Choreographer.postCallback(),这又是因为什么呢?这其实涉及到屏幕绘制原理(除了Android其他平台也是类似的).
我们都知道显示器以固定的频率刷新,比如 iPhone的 60Hz、iPad Pro的 120Hz。当一帧图像绘制完毕后准备绘制下一帧时,显示器会发出一个垂直同步信号(VSync),所以 60Hz的屏幕就会一秒内发出 60次这样的信号。
并且一般地来说,计算机系统中,CPU、GPU和显示器以一种特定的方式协作:CPU将计算好的显示内容提交给 GPU,GPU渲染后放入帧缓冲区,然后视频控制器按照 VSync信号从帧缓冲区取帧数据传递给显示器显示.
但是如果屏幕的缓冲区只有一块,那么这个VSync同步信号发出时, 开始刷新屏幕,那么你看到的屏幕就是一条一条的数据在变化.为了让屏幕看上去是一帧一帧的数据,一般都有两块缓冲区(也被成为双缓冲区).当数据要刷新时,直接替换另一个缓冲区的数据.