Android 繪制原理淺析「干貨」

作者：Newpaper 2019-08-05 13:20:35

對于Android開發，在面試的時候，經常會被問到，說一說View的繪制流程?我也經常問面試者，View的繪制流程。對于3年以上的開發人員來說，就知道onMeasure/onLayout/onDraw基本，知道他們呢是干些什么的，這樣就夠了嗎?

背景

對于Android開發，在面試的時候，經常會被問到，說一說View的繪制流程?我也經常問面試者，View的繪制流程.

對于3年以上的開發人員來說，就知道onMeasure/onLayout/onDraw基本，知道他們呢是干些什么的，這樣就夠了嗎?

如果你來我們公司，我是你的面試官，可能我會考察你這三年都干了什么,對于View你都知道些什么，會問一些更細節的問題，比如LinearLayout的onMeasure,onLayout過程?他們都是什么時候被發起的,執行順序是什么?

如果以上問題你都知道,可能你進來我們公司就差不多了(如果需要內推，可以聯系我，Android/IOS 崗位都需要)，可能我會考察你draw的 canvas是哪里來的,他是怎么被創建顯示到屏幕上呢?看看你的深度有多少?

對于現在的移動開發市場逐漸趨向成熟，趨向飽和，很多不缺人的公司，都需要高級程序員.在說大家也都知道，面試要造飛機大炮，進去后擰螺絲,對于一個3年或者5年以上Android開發不稍微了解一些Android深一點的東西,不是很好混.扯了這么多沒用的東西，還是回到今天正題，Android的繪圖原理淺析.

本文介紹思路

從面試題中幾個比較容易問的問題，逐層深入，直至屏幕的繪圖原理.

在講Android的繪圖原理前，先介紹一下Android中View的基本工作原理，本文暫不介紹事件的傳遞流程。

View 繪制工作原理

我們先理解幾個重要的類，也是在面試中經常問到的

Activity,Window(PhoneWindow),DecorView之間的關系

理解他們三者的關系，我們直接看代碼吧，先從Activity開始的setContentView開始(注:代碼刪除了一些不是本次分析流程的代碼,以免篇幅過長)

//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; 
 }

里面調用的getWindow的setContentView,這個接下來講,那么這個mWindow是何時被創建的呢?

//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中創建了PhoneWindow,PhoneWindow是Window的實現類.

繼續剛才的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為空，會去調用installDecor,最后將布局infalte到mContentParent.在來看一下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，創建了一個DecorView.看mContentParent的注釋我們可以知道,他本身就是mDecor或者是mDecor的contents部分.

綜上，我們大概知道了三者的關系，

Activity包含了一個PhoneWindow，
PhoneWindow就是繼承于Window
Activity通過setContentView將View設置到了PhoneWindow上
PhoneWindow里面包含了DecorView，最終布局被添加到Decorview上.

理解ViewRootImpl,WindowManager,WindowManagerService(WMS)之間的關系

看了上述三者的關系后，我們知道布局最終被添加到了DecorView上.那么DecorView是怎么被添加到系統的Framework層.

當Activity準備好后，最終會調用到Activity中的makeVisible，并通過WindowManager添加View,代碼如下

//Activity  
 void makeVisible() { 
 if (!mWindowAdded) { 
 ViewManager wm = getWindowManager(); 
 wm.addView(mDecor, getWindow().getAttributes()); 
 mWindowAdded = true; 
 } 
 mDecor.setVisibility(View.VISIBLE); 
 }

那他們到底是什么關系呢? (下面提到到客戶端服務端是Binder通訊中的客戶端服務端概念. )

以下內容是重點需要理解的部分

ViewRootImpl(客戶端):View中持有與WMS鏈接的mAttachInfo，mAttachInfo持有ViewRootImpl.ViewRootImpl是ViewRoot的的實現,WMS管理窗口時，需要通知客戶端進行某種操作，比如事件響應等.ViewRootImpl有個內部類W,W繼承IWindow.Stub，實則就是一個Binder，他用于和WMS IPC交互。ViewRootHandler也是其內部類繼承Handler，用于與遠程IPC回來的數據進行異步調用.
WindowManger(客戶端):客戶端需要創建一個窗口，而具體創建窗口的任務是由WMS完成,WindowManger就像一個部門經理，誰有什么需求就告訴它，它和WMS交互，客戶端不能直接和WMS交互.
WindowManagerService(WMS)(服務端):負責窗口的創建,顯示等.

View的重繪

從上述關系中，ViewRootImpl是用于接收WMS傳遞來的消息.那么我們來看一下ViewRootImpl里面的幾個關于View繪制的代碼.

在這里在強調一下,ViewRootImpl 兩個重要的內部類

W類繼承Binder 用于接收WMS 傳遞來的消息
ViewRootHandler類繼承Handler 接收W類的異步消息

下面看一下ViewRootHandler類.(以View的setVisible為例.)

// ViewRootHandler(ViewRootImpl的內部類，用于異步消息處理，和Acitivity的啟動很像) 
//第一步 Handler接收W（Binder）傳遞來的消息 
@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://處理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(); 
 //開啟下次刷新，就遍歷View樹 
 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，執行doTraversal.并在doTraversal執行performTraversals(),是不是看到了我們熟悉的performTraversals()了?是的，在這里才開始View的繪制工作.

在ViewRootImpl中的performTraversals()，這個方法代碼很長(大約800行代碼)，大致流程是

判斷是否需要重新計算視圖大小,如果需要就執行performMeasure()
是否需要重新安置所在的位置,performLayout()
是否需要重新繪制performDraw()

那么是什么導致View的重繪呢?這里總結了3個主要原因

視圖本身內部狀態(enable，pressed等)變化,可能引起重繪
View內部添加或者刪除了View
View本身的大小和可見性發生了變化

View的繪制流程

在上一小節了,講述了performTraversals()的是被WMS IPC調用執行的.View的繪制流程一般是

從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) { 
 //在這里調用了onMeasure 方法 
 onMeasure(widthMeasureSpec, heightMeasureSpec); 
 mPrivateFlags3 &= ~PFLAG3_MEASURE_NEEDED_BEFORE_LAYOUT; 
 }  
 } 
 }

最終調用了View的measure方法，而View中的measure()方法被定義成final類型,保證整個流程的執行.performLayout()和performDraw()也是類似的過程.

而對于程序員，自定義View只需要關注他提供出來幾個對應的方法,onMeasure/onLayout/onDraw. 關于這方面知識的網上介紹的資料很多，也可以很容易的看到View及ViewGroup里面的代碼,推薦看LinerLayout的源碼理解這部分知識，在這里不詳細展開.

Android的繪圖原理淺析

Android屏幕繪制

關于繪制，就要從performDraw()說起，我們來看一下這個流程到底是怎么繪制的.

//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); 
 }

看代碼執行流程，1—>2->3, 最終拿到了Java層的canvas,然后進行一系列繪制操作.而canvas是通過Suface.lockCanvas()得到的.

那么Surface又是一個什么呢?在這里Surface只是一個抽象,在APP創建窗口時，會調用WindowManager向WMS服務發起一個請求，攜帶上surface對象,只有他被分配完一段屏幕緩沖區才能真正對應屏幕上的一個窗口.

來看一下Framework中的繪圖架構.更好的理解Surface

Surface本質上僅僅代表了一個平面，繪制不同圖案顯然是一種操作，而不是一段數據，Android使用了Skia繪圖驅動庫來進行平面上的繪制，在程序中使用canvas來表示這個功能.

雙緩沖技術的介紹

在ViewRootImpl中,我們看到接收到繪制消息后，不是立刻繪制而是調用scheduleTraversals,在scheduleTraversals調用Choreographer.postCallback()，這又是因為什么呢?這其實涉及到屏幕繪制原理(除了Android其他平臺也是類似的).

我們都知道顯示器以固定的頻率刷新，比如 iPhone的 60Hz、iPad Pro的 120Hz。當一幀圖像繪制完畢后準備繪制下一幀時，顯示器會發出一個垂直同步信號(VSync)，所以 60Hz的屏幕就會一秒內發出 60次這樣的信號。

并且一般地來說，計算機系統中，CPU、GPU和顯示器以一種特定的方式協作：CPU將計算好的顯示內容提交給 GPU，GPU渲染后放入幀緩沖區，然后視頻控制器按照 VSync信號從幀緩沖區取幀數據傳遞給顯示器顯示.

但是如果屏幕的緩沖區只有一塊，那么這個VSync同步信號發出時，開始刷新屏幕，那么你看到的屏幕就是一條一條的數據在變化.為了讓屏幕看上去是一幀一幀的數據，一般都有兩塊緩沖區(也被成為雙緩沖區).當數據要刷新時，直接替換另一個緩沖區的數據.

雙緩沖技術里面，如果不能特定時間刷新完的話(如果60HZ的話，就是16ms內)把這個緩沖區數據刷新完成,屏幕發出VSync同步信號,無法完成兩個緩沖區的切換，那么就會造成卡頓現象。

回到scheduleTraversals()上，這個地方就是使用了雙緩沖技術(或者三緩沖技術),Choreographer接收VSync的同步信號，當屏幕刷新來時，開始屏幕的刷新操作。

責任編輯：未麗燕來源：安卓巴士

Android 繪制代碼