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Android 繪制原理淺析「干貨」

作者：Newpaper
移動開發 Android
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)

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

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?

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

在Activity的attach中創建了PhoneWindow,PhoneWindow是Window的實現類.

繼續剛才的setContentView

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

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

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

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

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

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.)

  1. // ViewRootHandler(ViewRootImpl的內部類，用于異步消息處理，和Acitivity的啟動很像) 
  2. //第一步 Handler接收W（Binder）傳遞來的消息 
  3. @Override 
  4. public void handleMessage(Message msg) { 
  5.  switch (msg.what) { 
  6.  case MSG_INVALIDATE: 
  7.  ((View) msg.obj).invalidate(); 
  8.  break; 
  9.  case MSG_INVALIDATE_RECT: 
  10.  final View.AttachInfo.InvalidateInfo info = (View.AttachInfo.InvalidateInfo) msg.obj; 
  11.  info.target.invalidate(info.left, info.top, info.right, info.bottom); 
  12.  info.recycle(); 
  13.  break; 
  14.  case MSG_DISPATCH_APP_VISIBILITY://處理Visible 
  15.  handleAppVisibility(msg.arg1 != 0); 
  16.  break; 
  17.  }  
  18. } 
  19.   
  20. void handleAppVisibility(boolean visible) { 
  21.  if (mAppVisible != visible) { 
  22.  mAppVisible = visible; 
  23.  scheduleTraversals(); 
  24.  if (!mAppVisible) { 
  25.  WindowManagerGlobal.trimForeground(); 
  26.  } 
  27.  } 
  28. } 
  29.   
  30.  void scheduleTraversals() { 
  31.  if (!mTraversalScheduled) { 
  32.  mTraversalScheduled = true; 
  33.  mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier(); 
  34.  //開啟下次刷新，就遍歷View樹 
  35.  mChoreographer.postCallback( 
  36.  Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null); 
  37.  if (!mUnbufferedInputDispatch) { 
  38.  scheduleConsumeBatchedInput(); 
  39.  } 
  40.  notifyRendererOfFramePending(); 
  41.  pokeDrawLockIfNeeded(); 
  42.  } 
  43. } 

看一下mTraversalRunnable

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

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

  1. 判斷是否需要重新計算視圖大小,如果需要就執行performMeasure()
  2. 是否需要重新安置所在的位置,performLayout()
  3. 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

  1. 視圖本身內部狀態(enable，pressed等)變化,可能引起重繪
  2. View內部添加或者刪除了View
  3. 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()

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

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.

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

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

Android 繪制原理淺析「干貨」

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).

Android 繪制原理淺析「干貨」

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
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