Android 繪製原理淺析【乾貨】

時間  2019-11-06
標籤 android 繪製 原理 淺析 乾貨 欄目 Android 简体版
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背景

對於Android開發，在面試的時候，常常會被問到，說一說View的繪製流程？我也常常問面試者，View的繪製流程.java

對於3年以上的開發人員來講，就知道onMeasure/onLayout/onDraw基本，知道他們呢是幹些什麼的，這樣就夠了嗎？android

若是你來咱們公司，我是你的面試官，可能我會考察你這三年都幹了什麼,對於View你都知道些什麼，會問一些更細節的問題，好比LinearLayout的onMeasure,onLayout過程?他們都是何時被髮起的,執行順序是什麼？程序員

若是以上問題你都知道,可能你進來咱們公司就差很少了（若是須要內推，能夠聯繫我，Android/IOS 崗位都須要），可能我會考察你draw的 canvas是哪裏來的,他是怎麼被建立顯示到屏幕上呢？看看你的深度有多少？面試

對於如今的移動開發市場逐漸趨向成熟，趨向飽和，不少不缺人的公司，都須要高級程序員.在說你們也都知道，面試要造飛機大炮，進去後擰螺絲,對於一個3年或者5年以上Android開發不稍微瞭解一些Android深一點的東西,不是很好混.扯了這麼多沒用的東西，仍是回到今天正題，Android的繪圖原理淺析.canvas

本文介紹思路

從面試題中幾個比較容易問的問題，逐層深刻，直至屏幕的繪圖原理.架構

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

View 繪製工做原理

咱們先理解幾個重要的類，也是在面試中常常問到的ide

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

理解他們三者的關係，咱們直接看代碼吧，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,以避免篇幅過長)oop

//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;
    }
複製代碼

裏面調用的getWindow的setContentView,這個接下來說,那麼這個mWindow是什麼時候被建立的呢？佈局

//Activity
private Window mWindow;

final void attach(Context context, ActivityThread aThread,····） { attachBaseContext(context);
        mFragments.attachHost(null /*parent*/);
        mWindow = new PhoneWindow(this, window, activityConfigCallback);
}
複製代碼

在Activity的attach中建立了PhoneWindow,PhoneWindow是Window的實現類.

繼續剛纔的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);
        }
    }
複製代碼

在setContentView中，若是mContentParent爲空，會去調用installDecor,最後將佈局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());
    }
複製代碼

在installDecor，建立了一個DecorView.看mContentParent的註釋咱們能夠知道,他自己就是mDecor或者是mDecor的contents部分.

綜上，咱們大概知道了三者的關係，

  • Activity包含了一個PhoneWindow，
  • PhoneWindow就是繼承於Window
  • Activity經過setContentView將View設置到了PhoneWindow上
  • PhoneWindow裏面包含了DecorView，最終佈局被添加到Decorview上.

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

看了上述三者的關係後，咱們知道佈局最終被添加到了DecorView上.那麼DecorView是怎麼被添加到系統的Framework層.

當Activity準備好後，最終會調用到Activity中的makeVisible，並經過WindowManager添加View,代碼以下

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

那他們究竟是什麼關係呢？ (下面提到到客戶端服務端是Binder通信中的客戶端服務端概念. )

如下內容是重點須要理解的部分

  • ViewRootImpl(客戶端):View中持有與WMS連接的mAttachInfo，mAttachInfo持有ViewRootImpl.ViewRootImpl是ViewRoot的的實現,WMS管理窗口時，須要通知客戶端進行某種操做，好比事件響應等.ViewRootImpl有個內部類W,W繼承IWindow.Stub，實則就是一個Binder，他用於和WMS IPC交互。ViewRootHandler也是其內部類繼承Handler，用於與遠程IPC回來的數據進行異步調用.

  • WindowManger(客戶端):客戶端須要建立一個窗口，而具體建立窗口的任務是由WMS完成,WindowManger就像一個部門經理，誰有什麼需求就告訴它，它和WMS交互，客戶端不能直接和WMS交互.

  • WindowManagerService(WMS)(服務端):負責窗口的建立,顯示等.

View的重繪

從上述關係中，ViewRootImpl是用於接收WMS傳遞來的消息.那麼咱們來看一下ViewRootImpl裏面的幾個關於View繪製的代碼.

在這裏在強調一下,ViewRootImpl 兩個重要的內部類

  • W類 繼承Binder 用於接收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爲例.）

// ViewRootHandler(ViewRootImpl的內部類，用於異步消息處理，和Acitivity的啓動很像)

//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();
            //開啓下次刷新，就遍歷View樹
            mChoreographer.postCallback(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
            if (!mUnbufferedInputDispatch) {
                scheduleConsumeBatchedInput();
            }
            notifyRendererOfFramePending();
            pokeDrawLockIfNeeded();
     }
}
複製代碼

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();
        }
    }    
複製代碼

在TraversalRunnable中，執行doTraversal.並在doTraversal執行performTraversals(),是否是看到了咱們熟悉的performTraversals()了?是的，在這裏纔開始View的繪製工做.

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

  1. 判斷是否須要從新計算視圖大小,若是須要就執行performMeasure()
  2. 是否須要從新安置所在的位置,performLayout()
  3. 是否須要從新繪製performDraw()

那麼是什麼致使View的重繪呢？這裏總結了3個主要緣由

  • 視圖自己內部狀態(enable，pressed等)變化,可能引發重繪
  • View內部添加或者刪除了View
  • View自己的大小和可見性發生了變化

View的繪製流程

在上一小節了,講述了performTraversals()的是被WMS IPC調用執行的.View的繪製流程通常是

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) {
            //在這裏調用了onMeasure 方法
                onMeasure(widthMeasureSpec, heightMeasureSpec);
                mPrivateFlags3 &= ~PFLAG3_MEASURE_NEEDED_BEFORE_LAYOUT;
            } 
        }
    }

複製代碼

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()也是相似的過程.

而對於程序員，自定義View只須要關注他提供出來幾個對應的方法,onMeasure/onLayout/onDraw. 關於這方面知識的網上介紹的資料不少，也能夠很容易的看到View及ViewGroup裏面的代碼,推薦看LinerLayout的源碼理解這部分知識，在這裏不詳細展開.

Android的繪圖原理淺析

Android屏幕繪製

關於繪製，就要從performDraw()提及，咱們來看一下這個流程究竟是怎麼繪製的.

//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);
 }        
 
複製代碼

看代碼執行流程，1—>2->3, 最終拿到了Java層的canvas,而後進行一系列繪製操做.而canvas是經過Suface.lockCanvas()獲得的.

那麼Surface又是一個什麼呢？在這裏Surface只是一個抽象,在APP建立窗口時，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衝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本質上僅僅表明了一個平面，繪製不一樣圖案顯然是一種操做，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製，在程序中使用canvas來表示這個功能.

雙緩衝技術的介紹

在ViewRootImpl中,咱們看到接收到繪製消息後，不是馬上繪製而是調用scheduleTraversals,在scheduleTraversals調用Choreographer.postCallback()，這又是由於什麼呢？這其實涉及到屏幕繪製原理(除了Android其餘平臺也是相似的).

咱們都知道顯示器以固定的頻率刷新，好比 iPhone的 60Hz、iPad Pro的 120Hz。當一幀圖像繪製完畢後準備繪製下一幀時，顯示器會發出一個垂直同步信號（VSync），因此 60Hz的屏幕就會一秒內發出 60次這樣的信號。

而且通常地來講，計算機系統中，CPU、GPU和顯示器以一種特定的方式協做：CPU將計算好的顯示內容提交給 GPU，GPU渲染後放入幀緩衝區，而後視頻控制器按照 VSync信號從幀緩衝區取幀數據傳遞給顯示器顯示.

可是若是屏幕的緩衝區只有一塊，那麼這個VSync同步信號發出時， 開始刷新屏幕，那麼你看到的屏幕就是一條一條的數據在變化.爲了讓屏幕看上去是一幀一幀的數據，通常都有兩塊緩衝區(也被成爲雙緩衝區).當數據要刷新時，直接替換另外一個緩衝區的數據.

雙緩衝技術裏面，若是不能特定時間刷新完的話(若是60HZ的話，就是16ms內)把這個緩衝區數據刷新完成,屏幕發出VSync同步信號,沒法完成兩個緩衝區的切換，那麼就會形成卡頓現象.

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

文末

Android的繪製原理淺析，介紹完了，以上內容可能有不對的地方，但願各路大神指教.

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參考資料

《Android 內核剖析》

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