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

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()

//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.

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。