Android绘制原理浅析「干货」

背景

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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)

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. //Activity
    2. 
  
  
  
  
  2.  /**
    3. 
  
  
  
  
  3.  * Set the activity content from a layout resource. The resource will be
    4. 
  
  
  
  
  4.  * inflated, adding all top-level views to the activity.
    5. 
  
  
  
  
  5.  *
    6. 
  
  
  
  
  6.  * @param layoutResID Resource ID to be inflated.
    7. 
  
  
  
  
  7.  *
    8. 
  
  
  
  
  8.  * @see #setContentView(android.view.View)
    9. 
  
  
  
  
  9.  * @see #setContentView(android.view.View, android.view.ViewGroup.LayoutParams)
    10. 
  
  
  
  
  10.  */
    11. 
  
  
  
  
  11.  public void setContentView(@LayoutRes int layoutResID) {
    12. 
  
  
  
  
  12.  getWindow().setContentView(layoutResID);
    13. 
  
  
  
  
  13.  initWindowDecorActionBar();
    14. 
  
  
  
  
  14.  }
    15. 
  
  
  
  
  15.  
    16. 
  
  
  
  
  16.  public Window getWindow() {
    17. 
  
  
  
  
  17.  return mWindow;
    18. 
  
  
  
  
  18.  }
    19.

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?

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. //Activity
    2. 
  
  
  
  
  2. private Window mWindow;
    3. 
  
  
  
  
  3. final void attach(Context context, ActivityThread aThread,····） {
    4. 
  
  
  
  
  4.  attachBaseContext(context);
    5. 
  
  
  
  
  5.  mFragments.attachHost(null /*parent*/);
    6. 
  
  
  
  
  6.  mWindow = new PhoneWindow(this, window, activityConfigCallback);
    7. 
  
  
  
  
  7. }
    8.

在Activity的attach中创建了PhoneWindow,PhoneWindow是Window的实现类.

继续刚才的setContentView

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. //PhoneWindow
    2. 
  
  
  
  
  2.  @Override
    3. 
  
  
  
  
  3.  public void setContentView(int layoutResID) {
    4. 
  
  
  
  
  4.  if (mContentParent == null) {
    5. 
  
  
  
  
  5.  installDecor();
    6. 
  
  
  
  
  6.  } else if (!hasFeature(FEATURE_CONTENT_TRANSITIONS)) {
    7. 
  
  
  
  
  7.  mContentParent.removeAllViews();
    8. 
  
  
  
  
  8.  }
    9. 
  
  
  
  
  9.  if (hasFeature(FEATURE_CONTENT_TRANSITIONS)) {
    10. 
  
  
  
  
  10.  final Scene newScene = Scene.getSceneForLayout(mContentParent, layoutResID,
    11. 
  
  
  
  
  11.  getContext());
    12. 
  
  
  
  
  12.  transitionTo(newScene);
    13. 
  
  
  
  
  13.  } else {
    14. 
  
  
  
  
  14.  mLayoutInflater.inflate(layoutResID, mContentParent);
    15. 
  
  
  
  
  15.  }
    16. 
  
  
  
  
  16.  }
    17.

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

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. //PhoneWindow
    2. 
  
  
  
  
  2.  // This is the view in which the window contents are placed. It is either
    3. 
  
  
  
  
  3.  // mDecor itself, or a child of mDecor where the contents go.
    4. 
  
  
  
  
  4.  ViewGroup mContentParent;
    5. 
  
  
  
  
  5.  
    6. 
  
  
  
  
  6.  private DecorView mDecor;
    7. 
  
  
  
  
  7.  
    8. 
  
  
  
  
  8.  private void installDecor() {
    9. 
  
  
  
  
  9.  mForceDecorInstall = false;
    10. 
  
  
  
  
  10.  if (mDecor == null) {
    11. 
  
  
  
  
  11.  mDecor = generateDecor(-1);
    12. 
  
  
  
  
  12.  } else {
    13. 
  
  
  
  
  13.  mDecor.setWindow(this);
    14. 
  
  
  
  
  14.  }
    15. 
  
  
  
  
  15.  if (mContentParent == null) {
    16. 
  
  
  
  
  16.  mContentParent = generateLayout(mDecor);
    17. 
  
  
  
  
  17.  }
    18. 
  
  
  
  
  18.  }
    19. 
  
  
  
  
  19.  protected DecorView generateDecor(int featureId) {
    20. 
  
  
  
  
  20.  return new DecorView(context, featureId, this, getAttributes());
    21. 
  
  
  
  
  21.  }
    22.

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

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. //Activity 
    2. 
  
  
  
  
  2.  void makeVisible() {
    3. 
  
  
  
  
  3.  if (!mWindowAdded) {
    4. 
  
  
  
  
  4.  ViewManager wm = getWindowManager();
    5. 
  
  
  
  
  5.  wm.addView(mDecor, getWindow().getAttributes());
    6. 
  
  
  
  
  6.  mWindowAdded = true;
    7. 
  
  
  
  
  7.  }
    8. 
  
  
  
  
  8.  mDecor.setVisibility(View.VISIBLE);
    9. 
  
  
  
  
  9.  }
    10.

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.)

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. // ViewRootHandler(ViewRootImpl的内部类，用于异步消息处理，和Acitivity的启动很像)
    2. 
  
  
  
  
  2. //第一步 Handler接收W（Binder）传递来的消息
    3. 
  
  
  
  
  3. @Override
    4. 
  
  
  
  
  4. public void handleMessage(Message msg) {
    5. 
  
  
  
  
  5.  switch (msg.what) {
    6. 
  
  
  
  
  6.  case MSG_INVALIDATE:
    7. 
  
  
  
  
  7.  ((View) msg.obj).invalidate();
    8. 
  
  
  
  
  8.  break;
    9. 
  
  
  
  
  9.  case MSG_INVALIDATE_RECT:
    10. 
  
  
  
  
  10.  final View.AttachInfo.InvalidateInfo info = (View.AttachInfo.InvalidateInfo) msg.obj;
    11. 
  
  
  
  
  11.  info.target.invalidate(info.left, info.top, info.right, info.bottom);
    12. 
  
  
  
  
  12.  info.recycle();
    13. 
  
  
  
  
  13.  break;
    14. 
  
  
  
  
  14.  case MSG_DISPATCH_APP_VISIBILITY://处理Visible
    15. 
  
  
  
  
  15.  handleAppVisibility(msg.arg1 != 0);
    16. 
  
  
  
  
  16.  break;
    17. 
  
  
  
  
  17.  } 
    18. 
  
  
  
  
  18. }
    19. 
  
  
  
  
  19.  
    20. 
  
  
  
  
  20. void handleAppVisibility(boolean visible) {
    21. 
  
  
  
  
  21.  if (mAppVisible != visible) {
    22. 
  
  
  
  
  22.  mAppVisible = visible;
    23. 
  
  
  
  
  23.  scheduleTraversals();
    24. 
  
  
  
  
  24.  if (!mAppVisible) {
    25. 
  
  
  
  
  25.  WindowManagerGlobal.trimForeground();
    26. 
  
  
  
  
  26.  }
    27. 
  
  
  
  
  27.  }
    28. 
  
  
  
  
  28. }
    29. 
  
  
  
  
  29.  
    30. 
  
  
  
  
  30.  void scheduleTraversals() {
    31. 
  
  
  
  
  31.  if (!mTraversalScheduled) {
    32. 
  
  
  
  
  32.  mTraversalScheduled = true;
    33. 
  
  
  
  
  33.  mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
    34. 
  
  
  
  
  34.  //开启下次刷新，就遍历View树
    35. 
  
  
  
  
  35.  mChoreographer.postCallback(
    36. 
  
  
  
  
  36.  Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
    37. 
  
  
  
  
  37.  if (!mUnbufferedInputDispatch) {
    38. 
  
  
  
  
  38.  scheduleConsumeBatchedInput();
    39. 
  
  
  
  
  39.  }
    40. 
  
  
  
  
  40.  notifyRendererOfFramePending();
    41. 
  
  
  
  
  41.  pokeDrawLockIfNeeded();
    42. 
  
  
  
  
  42.  }
    43. 
  
  
  
  
  43. }
    44.

看一下mTraversalRunnable

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. final class TraversalRunnable implements Runnable {
    2. 
  
  
  
  
  2.  @Override
    3. 
  
  
  
  
  3.  public void run() {
    4. 
  
  
  
  
  4.  doTraversal();
    5. 
  
  
  
  
  5.  }
    6. 
  
  
  
  
  6.  }
    7. 
  
  
  
  
  7. final TraversalRunnable mTraversalRunnable = new TraversalRunnable();
    8. 
  
  
  
  
  8.  
    9. 
  
  
  
  
  9.  void doTraversal() {
    10. 
  
  
  
  
  10.  if (mTraversalScheduled) {
    11. 
  
  
  
  
  11.  mTraversalScheduled = false;
    12. 
  
  
  
  
  12.  mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
    13. 
  
  
  
  
  13.  performTraversals();
    14. 
  
  
  
  
  14.  }
    15. 
  
  
  
  
  15.  } 
    16.

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

  1. 判断是否需要重新计算视图大小,如果需要就执行performMeasure()
  2. 是否需要重新安置所在的位置,performLayout()
  3. 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

  1. 视图本身内部状态(enable，pressed等)变化,可能引起重绘
  2. View内部添加或者删除了View
  3. 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()

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. //ViewRootImpl
    2. 
  
  
  
  
  2. private void performMeasure(int childWidthMeasureSpec, int childHeightMeasureSpec) {
    3. 
  
  
  
  
  3.  if (mView == null) {
    4. 
  
  
  
  
  4.  return;
    5. 
  
  
  
  
  5.  }
    6. 
  
  
  
  
  6.  Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "measure");
    7. 
  
  
  
  
  7.  try {
    8. 
  
  
  
  
  8.  mView.measure(childWidthMeasureSpec, childHeightMeasureSpec);
    9. 
  
  
  
  
  9.  } finally {
    10. 
  
  
  
  
  10.  Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
    11. 
  
  
  
  
  11.  }
    12. 
  
  
  
  
  12.  }
    13. 
  
  
  
  
  13.  
    14. 
  
  
  
  
  14.  public final void measure(int widthMeasureSpec, int heightMeasureSpec) {
    15. 
  
  
  
  
  15.  MeasureSpec.getMode(widthMeasureSpec) == MeasureSpec.EXACTLY
    16. 
  
  
  
  
  16.  && MeasureSpec.getMode(heightMeasureSpec) == MeasureSpec.EXACTLY;
    17. 
  
  
  
  
  17.  final boolean matchesSpecSize = getMeasuredWidth() == MeasureSpec.getSize(widthMeasureSpec)
    18. 
  
  
  
  
  18.  && getMeasuredHeight() == MeasureSpec.getSize(heightMeasureSpec);
    19. 
  
  
  
  
  19.  final boolean needsLayout = specChanged
    20. 
  
  
  
  
  20.  && (sAlwaysRemeasureExactly || !isSpecExactly || !matchesSpecSize);
    21. 
  
  
  
  
  21.  if (forceLayout || needsLayout) {
    22. 
  
  
  
  
  22.  mPrivateFlags &= ~PFLAG_MEASURED_DIMENSION_SET;
    23. 
  
  
  
  
  23.  resolveRtlPropertiesIfNeeded();
    24. 
  
  
  
  
  24.  int cacheIndex = forceLayout ? -1 : mMeasureCache.indexOfKey(key);
    25. 
  
  
  
  
  25.  if (cacheIndex < 0 || sIgnoreMeasureCache) {
    26. 
  
  
  
  
  26.  //在这里调用了onMeasure 方法
    27. 
  
  
  
  
  27.  onMeasure(widthMeasureSpec, heightMeasureSpec);
    28. 
  
  
  
  
  28.  mPrivateFlags3 &= ~PFLAG3_MEASURE_NEEDED_BEFORE_LAYOUT;
    29. 
  
  
  
  
  29.  } 
    30. 
  
  
  
  
  30.  }
    31. 
  
  
  
  
  31.  }
    32.

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.

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. //ViewRootImpl
    2. 
  
  
  
  
  2. //1
    3. 
  
  
  
  
  3.  private void performDraw() {
    4. 
  
  
  
  
  4.  try {
    5. 
  
  
  
  
  5.  draw(fullRedrawNeeded);
    6. 
  
  
  
  
  6.  } finally {
    7. 
  
  
  
  
  7.  mIsDrawing = false;
    8. 
  
  
  
  
  8.  Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
    9. 
  
  
  
  
  9.  }
    10. 
  
  
  
  
  10.  }
    11. 
  
  
  
  
  11.  
    12. 
  
  
  
  
  12.  //2
    13. 
  
  
  
  
  13.  private void draw(boolean fullRedrawNeeded) {
    14. 
  
  
  
  
  14.  Surface surface = mSurface;
    15. 
  
  
  
  
  15.  if (!surface.isValid()) {
    16. 
  
  
  
  
  16.  return;
    17. 
  
  
  
  
  17.  }
    18. 
  
  
  
  
  18.  
    19. 
  
  
  
  
  19.  if (!drawSoftware(surface, mAttachInfo, xOffset, yOffset, scalingRequired, dirty)) {
    20. 
  
  
  
  
  20.  return;
    21. 
  
  
  
  
  21.  }
    22. 
  
  
  
  
  22.  }
    23. 
  
  
  
  
  23.  
    24. 
  
  
  
  
  24.  //3
    25. 
  
  
  
  
  25.  private boolean drawSoftware(Surface surface, AttachInfo attachInfo, int xoff, int yoff,
    26. 
  
  
  
  
  26.  boolean scalingRequired, Rect dirty) {
    27. 
  
  
  
  
  27.  Canvas canvas = mSurface.lockCanvas(dirty);
    28. 
  
  
  
  
  28.  } 
    29.

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.

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。

本文题目：Android绘制原理浅析「干货」
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