Android 绘制原理浅析【干货】

àì夳堔傛蜴生んèń 2021-11-14 00:26 254阅读 0赞

本文转载自[北斗星\_And][And]大神的博客，未经原博主同意，禁止转载

# 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

![aHR0cHM6Ly91c2VyLWdvbGQtY2RuLnhpdHUuaW8vMjAxOS83LzMxLzE2YzQ3YmE2NTlmMGM4Yjk][]

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).

![aHR0cHM6Ly91c2VyLWdvbGQtY2RuLnhpdHUuaW8vMjAxOS83LzMxLzE2YzQ3YmMyM2JjMGQyYmI][]

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.

双缓冲技术里面，如果不能特定时间刷新完的话(如果60HZ的话，就是16ms内)把这个缓冲区数据刷新完成,屏幕发出VSync同步信号,无法完成两个缓冲区的切换，那么就会造成卡顿现象.

回到scheduleTraversals()上，这个地方就是使用了双缓冲技术(或者三缓冲技术),Choreographer接收VSync的同步信号，当屏幕刷新来时，开始屏幕的刷新操作.

文末  
Android的绘制原理浅析，介绍完了，以上内容可能有不对的地方，希望各路大神指教.

[And]: https://blog.csdn.net/dingdegao/article/details/98036175
[aHR0cHM6Ly91c2VyLWdvbGQtY2RuLnhpdHUuaW8vMjAxOS83LzMxLzE2YzQ3YmE2NTlmMGM4Yjk]: /images/20211113/2966768dba8e408abb412ad042c86e24.png
[aHR0cHM6Ly91c2VyLWdvbGQtY2RuLnhpdHUuaW8vMjAxOS83LzMxLzE2YzQ3YmMyM2JjMGQyYmI]: /images/20211113/b7179c8409cc4c83a4bdcfe9f144da29.png