Android Anatomy：Android 7.0中的多窗口實現解析

時間 2019-12-05

標籤 android anatomy 7.0 窗口實現解析欄目 Android 简体版

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多窗口功能介紹

概述

在以往的Android系統上，全部Activity都是全屏的，若是不設置透明效果，一次只能看到一個Activity界面。
可是從Android N（7.0）版本開始，系統支持了多窗口功能。
在有了多窗口支持以後，用戶能夠同時打開和看到多個應用的界面。
而且系統還支持在多個應用之間進行拖拽。在大屏幕設備上，這一功能很是實用。
本文將詳細講解Android系統中多窗口功能的實現。html

關於Android N的新特性，請參見這裏：Android 7.0 for Developers
關於多窗口的詳細說明，請參見這裏：Multi-Window Supportjava

Android N上的多窗口功能有三種模式：android

分屏模式
這種模式能夠在手機上使用。該模式將屏幕一分爲二，同時顯示兩個應用的界面。以下圖所示：git

畫中畫模式
這種模式主要在TV上使用，在該模式下視頻播放的窗口能夠一直在最頂層顯示。以下圖所示：github

Freeform模式
這種模式相似於咱們常見的桌面操做系統，應用界面的窗口能夠自由拖動和修改大小。以下圖所示：shell

生命週期

多窗口不影響和改變原先Activity的生命週期。windows

在多窗口模式，多個Activity能夠同時可見，但只有一個Activity是最頂層的，即：獲取焦點的Activity。數據結構

全部其餘Activity都會處於Paused狀態（儘管它們是可見的）。
在如下三種場景下，系統會通知應用有狀態變化，應用能夠進行處理：架構

當用戶以多窗口的模式啓動的應用app
當用戶改變了Activity的窗口大小
當用戶將應用窗口從多窗口模式改成全屏模式

關於應用如何進行狀態變化的處理，請參見這裏：Handling Runtime Changes，這裏再也不贅述。

開發者相關

Android從API Level 24開始，提供瞭如下一些機制來配合多窗口功能的使用。

Manifest新增屬性
- android:resizeableActivity=["true" | "false"]
這個屬性能夠用在<activity>或者<application> 上。置爲true，表示能夠以分屏或者Freeform模式啓動。false表示不支持多窗口模式。對於API目標Level爲24的應用來講，這個值默認是true。
- android:supportsPictureInPicture=["true" | "false"]
這個屬性用在<activity>上，表示是否支持畫中畫模式。若是android:resizeableActivity爲false，這個屬性值將被忽略。
Layout新增屬性
- android:defaultWidth，android:defaultHeight Freeform模式下的默認寬度和高度
- android:gravity Freeform模式下的初始Gravity
- android:minWidth, android:minHeight 分屏和Freeform模式下的最小高度和寬度

這裏是一段代碼示例：

<activity android:name=".MyActivity">
    <layout android:defaultHeight="500dp"
          android:defaultWidth="600dp"
          android:gravity="top|end"
          android:minHeight="450dp"
          android:minWidth="300dp" />
</activity>

新增API
- Activity.isInMultiWindowMode() 查詢是否處於多窗口模式
- Activity.isInPictureInPictureMode() 查詢是否處於畫中畫模式
- Activity.onMultiWindowModeChanged() 多窗口模式變化時進行通知(進入或退出多窗口)
- Activity.onPictureInPictureModeChanged() 畫中畫模式變化時進行通知（進入或退出畫中畫模式）
- Activity.enterPictureInPictureMode() 調用這個接口進入畫中畫模式，若是系統不支持，這個調用無效
- ActivityOptions.setLaunchBounds() 在系統已經處於Freeform模式時，能夠經過這個參數來控制新啓動的Activity大小，若是系統不支持，這個調用無效
拖拽相關
Android N以前，系統只容許在一個Activity內部進行拖拽。但從Android N開始，系統支持在多個Activity之間進行拖拽，下面是一些相關的API。具體說明請參見官方文檔。

- `DragAndDropPermissions`
- `View.startDragAndDrop()`
- `View.cancelDragAndDrop()`
- `View.updateDragShadow()`
- `Activity.requestDragAndDropPermissions()`

多窗口的功能實現

多窗口功能的實現主要依賴於ActivityManagerService與WindowManagerService這兩個系統服務，它們都位於system_server進程中。該進程是Android系統中一個很是重要的系統進程。Framework中的不少服務都位於這個進程中。

整個Android的架構是CS的模型，應用程序是Client，而system_server進程就是對應的Server。

應用程序調用的不少API都會發送到system_server進程中對應的系統服務上進行處理，例如startActivity這個API，最終就是由ActivityManagerService進行處理。

而因爲應用程序和system_server在各自獨立的進程中運行，所以對於系統服務的請求須要經過Binder進行進程間通信（IPC）來完成調用，以及調用結果的返回。

兩個系統服務簡介

ActivityManagerService負責Activity管理。

對於應用中建立的每個Activity，在ActivityManagerService中都會有一個與之對應的ActivityRecord，這個ActivityRecord記錄了應用程序中的Activity的狀態。ActivityManagerService會利用這個ActivityRecord做爲標識，對應用程序中的Activity進程調度，例如生命週期的管理。

實際上，ActivityManagerService的職責遠超出的它的名稱，ActivityManagerService負責了全部四大組件（Activity，Service，BroadcastReceiver，ContentProvider）的管理，以及應用程序的進程管理。

WindowManagerService負責Window管理。包括：

窗口的建立和銷燬
窗口的顯示與隱藏
窗口的佈局
窗口的Z-Order管理
焦點的管理
輸入法和壁紙管理

等等
每個Activity都會有一個本身的窗口，在WindowManagerService中便會有一個與之對應的WindowState。WindowManagerService以此標示應用程序中的窗口，並用這個WindowState來存儲，查詢和控制窗口的狀態。

ActivityManagerService與WindowManagerService須要緊密配合在一塊兒工做，由於不管是建立仍是銷燬Activity都牽涉到Actiivty對象和窗口對象的建立和銷燬。這二者是既相互獨立，又緊密關聯在一塊兒的。

Activity啓動過程

Activity的啓動過程主要包含如下幾個步驟：

Intent的解析（Intent多是隱式的：關於Intents and Intent Filters）
Activity的匹配（符合Intent的Activity可能會有多個）
應用進程的建立
Task，Stack的獲取或者建立
Activity窗口的建立
Activity生命週期的調度（onCreate，onResume等）

本文不打算講解Activity啓動的詳細過程，對於這部份內容有興趣的讀者請參閱其餘資料。

Task和Stack

Android系統中的每個Activity都位於一個Task中。一個Task能夠包含多個Activity，同一個Activity也可能有多個實例。
在AndroidManifest.xml中，咱們能夠經過android:launchMode來控制Activity在Task中的實例。

另外，在startActivity的時候，咱們也能夠經過setFlag) 來控制啓動的Activity在Task中的實例。

Task管理的意義還在於近期任務列表以及Back棧。
當你經過多任務鍵（有些設備上是長按Home鍵，有些設備上是專門提供的多任務鍵）調出多任務時，其實就是從ActivityManagerService獲取了最近啓動的Task列表。

Back棧管理了當你在Activity上點擊Back鍵，當前Activity銷燬後應該跳轉到哪個Activity的邏輯。關於Task和Back棧，請參見這裏：Tasks and Back Stack。

其實在ActivityManagerService與WindowManagerService內部管理中，在Task以外，還有一層容器，這個容器應用開發者和用戶可能都不會感受到或者用到，但它卻很是重要，那就是Stack。
下文中，咱們將看到，Android系統中的多窗口管理，就是創建在Stack的數據結構上的。
一個Stack中包含了多個Task，一個Task中包含了多個Activity（Window），下圖描述了它們的關係：

另外還有一點須要注意的是，ActivityManagerService和WindowManagerService中的Task和Stack結構是一一對應的，對應關係對於以下：

ActivityStack <--> TaskStack
TaskRecord <--> Task

即，ActivityManagerService中的每個ActivityStack或者TaskRecord在WindowManagerService中都有對應的TaskStack和Task，這兩類對象都有惟一的id（id是int類型），它們經過id進行關聯。

多窗口與Stack

用過macOS或者Ubuntu的人應該都會用過虛擬桌面的功能，以下圖所示：

這裏建立了多個「虛擬桌面」，並在最上面一排列出了出來。
每一個虛擬桌面裏面均可以放置一個或多個應用窗口，虛擬桌面能夠做爲一個總體進行切換。

Android爲了支持多窗口，在運行時建立了多個Stack，Stack就是相似這裏虛擬桌面的做用。

每一個Stack會有一個惟一的Id，在ActivityManager.java中定義了這些Stack的Id：

/** First static stack ID. */
public static final int FIRST_STATIC_STACK_ID = 0;

/** Home activity stack ID. */
public static final int HOME_STACK_ID = FIRST_STATIC_STACK_ID;

/** ID of stack where fullscreen activities are normally launched into. */
public static final int FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID = 1;

/** ID of stack where freeform/resized activities are normally launched into. */
public static final int FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID = FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID + 1;

/** ID of stack that occupies a dedicated region of the screen. */
public static final int DOCKED_STACK_ID = FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID + 1;

/** ID of stack that always on top (always visible) when it exist. */
public static final int PINNED_STACK_ID = DOCKED_STACK_ID + 1;

由此咱們能夠知道，系統中可能會包含這麼幾個Stack：

【Id：0】Home Stack，這個是Launcher所在的Stack。 其實還有一些系統界面也運行在這個Stack上，例如近期任務
【Id：1】FullScren Stack，全屏的Activity所在的Stack。 但其實在分屏模式下，Id爲1的Stack只佔了半個屏幕。
【Id：2】Freeform模式的Activity所在Stack
【Id：3】Docked Stack 下文中咱們將看到，在分屏模式下，屏幕有一半運行了一個固定的應用，這個就是這裏的Docked Stack
【Id：4】Pinned Stack 這個是畫中畫Activity所在的Stack

須要注意的是，這些Stack並非系統一啓動就所有建立好的。而是在須要用到的時候纔會建立。上文已經提到過，ActivityStackSupervisor負責ActivityStack的管理。

有了以上這些背景知識以後，咱們再來具體講解一下Android系統中的三種多窗口模式。

分屏模式

在Nexus 6P手機上，分屏模式的啓動和退出是長按多任務虛擬按鍵。下圖是在Nexus 6P上啓動分屏模式的樣子：

在啓動分屏模式的以後，系統會將屏幕一分爲二。當前打開的應用移到屏幕上方（若是是橫屏那就是左邊），其餘全部打開的應用，在下方（若是是橫屏那就是右邊）以多任務形式列出。

以後用戶在操做的時候，下方的半屏保持了原先的使用方式：能夠啓動或退出應用，能夠啓動多任務後進行切換，而上方的應用保持不變。
前面咱們已經提到過，其實這裏處於上半屏固定不變的應用就是處在Docked的Stack中（Id爲3），下半屏是以前全屏的Stack進行了Resize（Id爲1）。

下面，咱們就順着長按多任務按鈕爲線索，來調查一下分屏模式是如何啓動的：
其實不管是NavigationBar（屏幕最下方的三個虛擬按鍵）仍是StatusBar（屏幕最上方的狀態欄）都是在SystemUI中。咱們能夠以此爲入口來調查。

PhoneStatusBar#prepareNavigationBarView 爲NavigationBar初始化了UI。同時也在這裏爲按鈕設置了事件監聽器。這裏包括咱們感興趣的近期任務按鈕的長按事件監聽器：

private void prepareNavigationBarView() {
   mNavigationBarView.reorient();

   ButtonDispatcher recentsButton = mNavigationBarView.getRecentsButton();
   recentsButton.setOnClickListener(mRecentsClickListener);
   recentsButton.setOnTouchListener(mRecentsPreloadOnTouchListener);
   recentsButton.setLongClickable(true);
   recentsButton.setOnLongClickListener(mRecentsLongClickListener);
   ...
}

在mRecentsLongClickListener中，主要的邏輯就是調用toggleSplitScreenMode。

toggleSplitScreenMode這個方法的名稱很明顯的告訴咱們，這裏是在切換分屏模式

private View.OnLongClickListener mRecentsLongClickListener = new View.OnLongClickListener() {

   @Override
   public boolean onLongClick(View v) {
       if (mRecents == null || !ActivityManager.supportsMultiWindow()
               || !getComponent(Divider.class).getView().getSnapAlgorithm()
                       .isSplitScreenFeasible()) {
           return false;
       }

       toggleSplitScreenMode(MetricsEvent.ACTION_WINDOW_DOCK_LONGPRESS,
               MetricsEvent.ACTION_WINDOW_UNDOCK_LONGPRESS);
       return true;
   }
};

再順着往下看PhoneStatusBar#toggleSplitScreenMode的代碼：

這裏咱們看到，經過查詢WindowManagerProxy.getInstance().getDockSide(); 來肯定當前是否處於分屏模式，若是沒有則將Top Task移到Docked的Stack上。這裏的Top Task就是咱們在長按多任務按鍵以前打開的當前應用。

@Override
protected void toggleSplitScreenMode(int metricsDockAction, int metricsUndockAction) {
   if (mRecents == null) {
       return;
   }
   int dockSide = WindowManagerProxy.getInstance().getDockSide();
   if (dockSide == WindowManager.DOCKED_INVALID) {
       mRecents.dockTopTask(NavigationBarGestureHelper.DRAG_MODE_NONE,
               ActivityManager.DOCKED_STACK_CREATE_MODE_TOP_OR_LEFT, null, metricsDockAction);
   } else {
       EventBus.getDefault().send(new UndockingTaskEvent());
       if (metricsUndockAction != -1) {
           MetricsLogger.action(mContext, metricsUndockAction);
       }
   }
}

以後便會調用到ActivityManagerService#moveTaskToDockedStack中。後面的大部分邏輯在ActivityStackSupervisor#moveTaskToStackLocked中，在這個方法中，會作以下幾件事情：

經過指定的taskId獲取對應的TaskRecord
爲當前Activity替換窗口（由於要從FullScreen的Stack切換的Docked Stack上）
調用mWindowManager.deferSurfaceLayout通知WindowManagerService暫停佈局
將當前TaskRecord移動到Docked Stack上
爲移動後的Task和Stack設置Bounds，而且進行resize。這裏還會通知Activity onMultiWindowModeChanged
調用mWindowManager.continueSurfaceLayout(); 通知WindowManagerService繼續開始佈局

而Resize和佈局就徹底是WindowManagerService的事情，這裏面須要計算兩個Stack各自的大小，而後根據大小來對Stack中的Task和Activity窗口進行從新佈局。

因爲篇幅關係，這裏再也不貼出更多的代碼。若是有興趣，請自行獲取AOSP的代碼而後查看。

下圖總結了啓動分屏模式的執行邏輯：

這裏須要注意的是：

黃色標記的模式是運行在SystemUI的進程中。

藍色標記的模式是運行在system_server進程中。

moveTaskToDockedStack是一個Binder調用，經過IPC調用到了ActivityManagerService。

畫中畫模式

當應用程序調用Activity#enterPictureInPictureMode便進入了畫中畫模式。

Activity#enterPictureInPictureMode會經過Binder調用到ActivityManagerService中對應的方法，該方法代碼以下：

public void enterPictureInPictureMode(IBinder token) {
   final long origId = Binder.clearCallingIdentity();
   try {
       synchronized(this) {
           if (!mSupportsPictureInPicture) {
               throw new IllegalStateException("enterPictureInPictureMode: "
                       + "Device doesn't support picture-in-picture mode.");
           }

           final ActivityRecord r = ActivityRecord.forTokenLocked(token);

           if (r == null) {
               throw new IllegalStateException("enterPictureInPictureMode: "
                       + "Can't find activity for token=" + token);
           }

           if (!r.supportsPictureInPicture()) {
               throw new IllegalArgumentException("enterPictureInPictureMode: "
                       + "Picture-In-Picture not supported for r=" + r);
           }

           // Use the default launch bounds for pinned stack if it doesn't exist yet or use the
           // current bounds.
           final ActivityStack pinnedStack = mStackSupervisor.getStack(PINNED_STACK_ID);
           final Rect bounds = (pinnedStack != null)
                   ? pinnedStack.mBounds : mDefaultPinnedStackBounds;

           mStackSupervisor.moveActivityToPinnedStackLocked(
                   r, "enterPictureInPictureMode", bounds);
       }
   } finally {
       Binder.restoreCallingIdentity(origId);
   }
}

這裏的 mStackSupervisor.getStack(PINNED_STACK_ID); 是在獲取Pinned Stack，當這個Stack不存在時，會將其建立。
IBinder token是調用enterPictureInPictureMode的Activity的Binder標示，經過這個標示能夠獲取到Activity對應的ActivityRecord對象，而後就是將這個ActivityRecord移動到Pinned Stack上。

Pinned Stack的默認大小來自於mDefaultPinnedStackBounds，這個值是從Internal的Resource上獲取的：

mDefaultPinnedStackBounds = Rect.unflattenFromString(res.getString(
     com.android.internal.R.string.config_defaultPictureInPictureBounds));

而com.android.internal.R.string.config_defaultPictureInPictureBounds的值是從配置文件：/frameworks/base/core/res/res/values/config.xml 中讀取的。

爲何一旦將Activity移動到Pinned Stack上，該窗口就能一直在最上層顯示呢？這就是由Z-Order控制的，Z-Order決定了窗口的上下關係。
Android N中新增了一個類WindowLayersController來專門負責Z-Order的計算。在計算Z-Order的時候，有幾類窗口會進行特殊處理，處於Pinned Stack上的窗口即是其中之一。

下面這段代碼是在統計哪些窗口是須要特殊處理的，這裏能夠看到，除了Pinned Stack上的窗口，還有分屏模式下的窗口以及輸入法窗口都須要特殊處理：

private void collectSpecialWindows(WindowState w) {
   if (w.mAttrs.type == TYPE_DOCK_DIVIDER) {
       mDockDivider = w;
       return;
   }
   if (w.mWillReplaceWindow) {
       mReplacingWindows.add(w);
   }
   if (w.mIsImWindow) {
       mInputMethodWindows.add(w);
       return;
   }
   final TaskStack stack = w.getStack();
   if (stack == null) {
       return;
   }
   if (stack.mStackId == PINNED_STACK_ID) {
       mPinnedWindows.add(w);
   } else if (stack.mStackId == DOCKED_STACK_ID) {
       mDockedWindows.add(w);
   }
}

在統計完這些特殊窗口以後，在計算Z-Order時會對它們進行特殊處理：

private void adjustSpecialWindows() {
   int layer = mHighestApplicationLayer + WINDOW_LAYER_MULTIPLIER;
   // For pinned and docked stack window, we want to make them above other windows also when
   // these windows are animating.
   while (!mDockedWindows.isEmpty()) {
       layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mDockedWindows.remove(), layer);
   }

   layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mDockDivider, layer);

   if (mDockDivider != null && mDockDivider.isVisibleLw()) {
       while (!mInputMethodWindows.isEmpty()) {
           final WindowState w = mInputMethodWindows.remove();
           // Only ever move IME windows up, else we brake IME for windows above the divider.
           if (layer > w.mLayer) {
               layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(w, layer);
           }
       }
   }

   // We know that we will be animating a relaunching window in the near future, which will
   // receive a z-order increase. We want the replaced window to immediately receive the same
   // treatment, e.g. to be above the dock divider.
   while (!mReplacingWindows.isEmpty()) {
       layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mReplacingWindows.remove(), layer);
   }

   while (!mPinnedWindows.isEmpty()) {
       layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mPinnedWindows.remove(), layer);
   }
}

這段代碼保證了處於Pinned Stack上的窗口（即處於畫中畫模式的窗口）的會在普通的應用窗口之上。

Freeform模式

在Andorid N設備上打開Freeform模式很簡單，只需如下兩個步驟：

執行如下命令：adb shell settings put global enable_freeform_support 1
而後重啓手機：adb reboot

重啓以後，在近期任務界面會出現一個按鈕，這個按鈕能夠將窗口切換到Freeform模式，以下圖所示：

這個按鈕的做用其實就是將當前應用移到Freeform Stack上，相關邏輯在：

ActivityStackSupervisor中，代碼以下：

void findTaskToMoveToFrontLocked(TaskRecord task, int flags, ActivityOptions options, String reason, boolean forceNonResizeable) {
   ...
   if (task.isResizeable() && options != null) {
       int stackId = options.getLaunchStackId();
       if (canUseActivityOptionsLaunchBounds(options, stackId)) {
           final Rect bounds = TaskRecord.validateBounds(options.getLaunchBounds());
           task.updateOverrideConfiguration(bounds);
           if (stackId == INVALID_STACK_ID) {
               stackId = task.getLaunchStackId();
           }
           if (stackId != task.stack.mStackId) {
               final ActivityStack stack = moveTaskToStackUncheckedLocked(
                       task, stackId, ON_TOP, !FORCE_FOCUS, reason);
               stackId = stack.mStackId;
               ...
}

這段代碼經過查詢stackId，而後調用moveTaskToStackUncheckedLocked移動Task。
而這裏經過task.getLaunchStackId() 獲取到的stackId，其實就是FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID，相關代碼以下：

TaskRecord#getLaunchStackId代碼以下：

int getLaunchStackId() {
   if (!isApplicationTask()) {
       return HOME_STACK_ID;
   }
   if (mBounds != null) {
       return FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID;
   }
   return FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID;
}

即，若是設置了Bound，便表示該Task會在Freeform Stack上啓動。

PS：這裏將應用切換到Freeform模式，必須先打開應用，而後在近期任務中切換。

若是想要打開應用就直接進入Freeform模式，能夠看一下這篇文章：

Taskbar lets you enable Freeform mode on Android Nougat without root or adb

若是沒有Google Play，能夠到這裏下載上文中提到的Taskbar應用：Taskbar

有興趣的讀者也能夠去GitHub上獲取TaskBar的源碼：farmerbb/Taskbar

其實TaskBar的原理就是在啓動Activity的時候設置了Activity的Bounds，相關代碼以下：

public static void launchPhoneSize(Context context, Intent intent) {
   DisplayManager dm = (DisplayManager) context.getSystemService(Context.DISPLAY_SERVICE);
   Display display = dm.getDisplay(Display.DEFAULT_DISPLAY);

   int width1 = display.getWidth() / 2;
   int width2 = context.getResources().getDimensionPixelSize(R.dimen.phone_size_width) / 2;
   int height1 = display.getHeight() / 2;
   int height2 = context.getResources().getDimensionPixelSize(R.dimen.phone_size_height) / 2;

   try {
       context.startActivity(intent, ActivityOptions.makeBasic().setLaunchBounds(new Rect(
               width1 - width2,
               height1 - height2,
               width1 + width2,
               height1 + height2
       )).toBundle());
   } catch (ActivityNotFoundException e) { /* Gracefully fail */ }
}

而在ActivityStarter#computeStackFocus中會判斷若是新啓動的Activity設置了Bounds，

則在FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID這個Stack上啓動Activity，相關代碼以下：

final int stackId = task != null ? task.getLaunchStackId() :
      bounds != null ? FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID :
              FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID;
stack = mSupervisor.getStack(stackId, CREATE_IF_NEEDED, ON_TOP);
if (DEBUG_FOCUS || DEBUG_STACK) Slog.d(TAG_FOCUS, "computeStackFocus: New stack r="
      + r + " stackId=" + stack.mStackId);
return stack;

下圖是啓動Activity時建立Stack的調用過程：