Android Framework 中视图的显示流程

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在 Android Framework 层，视图的显示流程涉及系统服务（如 WindowManagerService）、SurfaceFlinger、Choreographer 以及 ViewRootImpl 等核心组件的深度协作。以下是完全基于 Framework 层的详细流程解析，聚焦于系统级机制而非 SDK 层的 View/ViewGroup 实现。

一、整体框架层级

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|  应用进程       |       |  SurfaceFlinger|       |  Display       |       |  硬件驱动       |
|  (App Process) | <--> |  (System Server)| <--> |  (HWC)         | <--> |  (Display Driver)|
+----------------+       +----------------+       +----------------+       +----------------+
        |                        |                        |
        | Binder IPC             | BufferQueue            | 帧同步信号
        | (WindowManagerService) | (Gralloc)              | (VSYNC)
        v                        v                        v

二、Framework 层核心流程详解

1. UI 变更的触发

  • 场景：当应用调用 View.invalidate() 或 requestLayout() 时，触发视图更新。
  • Framework 入口：ViewRootImpl（每个窗口的视图树管理者）的 scheduleTraversals() 方法。 
    // ViewRootImpl.java
void scheduleTraversals() {
    if (!mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = true;
        // 通过 Choreographer 注册 VSYNC 回调
        mChoreographer.postCallback(
            Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
    }
}

2. VSYNC 信号与 Choreographer

  • Choreographer 的作用：协调 UI 渲染与屏幕刷新节奏（避免撕裂/卡顿）。
  • 流程：
    1. 应用通过 Choreographer 注册 CALLBACK_TRAVERSAL 回调。
    2. SurfaceFlinger 通过硬件 VSYNC 信号（或软件模拟）周期性触发 Choreographer。
    3. 当 VSYNC 信号到达时，Choreographer 回调 mTraversalRunnable，触发 performTraversals()。

3. performTraversals() 的三大阶段

ViewRootImpl.performTraversals() 是 Framework 层处理视图更新的核心方法，分为三个阶段：

(1) Measure 阶段（测量）
  • Framework 层行为：
    • 通过 WindowManagerService 获取窗口的 WindowManager.LayoutParams（如宽高、FLAG）。
    • 结合 Display 的物理尺寸和窗口参数，生成根视图的 MeasureSpec。
    • 递归调用视图树的 measure() 方法（最终调用到应用层的 View.onMeasure()）。
  • 关键对象：
    • WindowManagerService：管理窗口的全局状态（如 Z-Order、焦点）。
    • DisplayMetrics：屏幕的物理参数（密度、分辨率）。
(2) Layout 阶段（布局）
  • Framework 层行为：
    • 根据测量结果和窗口属性（如 Gravity），计算根视图的位置。
    • 递归调用视图树的 layout() 方法（最终调用到应用层的 View.onLayout()）。
  • 关键对象：
    • WindowManagerGlobal：管理所有窗口的全局状态。
(3) Draw 阶段（绘制）
  • Framework 层行为：
    1. Surface 管理：
      • 检查是否需要创建/更新 Surface（通过 SurfaceControl）。
      • 通过 Surface.lockCanvas() 获取 Canvas 对象（关联到图形缓冲区）。
    2. 硬件加速：
      • 若启用硬件加速，Canvas 实际是 DisplayListCanvas，记录绘制命令（不立即执行）。
      • 最终通过 ThreadedRenderer 将绘制命令提交到 RenderThread 线程。
    3. 缓冲区提交：
      • 将绘制完成的图形缓冲区（GraphicBuffer）通过 Surface.unlockCanvasAndPost() 提交到 BufferQueue。
      • BufferQueue 是生产者-消费者模型，应用是生产者，SurfaceFlinger 是消费者。

4. SurfaceFlinger 与合成（Composition）

  • SurfaceFlinger 的职责：

    1. 从所有窗口的 BufferQueue 中获取图形缓冲区。
    2. 调用 HWC（Hardware Composer） 进行硬件合成（或 GPU 合成）。
    3. 将最终帧提交到显示设备（通过 DRM/KMS 驱动）。

  • 关键流程：

    // SurfaceFlinger.cpp
void SurfaceFlinger::handleMessageRefresh() {
    // 1. 合成所有层（Layer）
    preComposition();
    rebuildLayerStacks();
    setUpHWComposer();
    doComposition(); // 调用 HWC 或 GPU 合成
    // 2. 提交到显示设备
    postComposition();
}

5. 显示到屏幕

  • HWC（Hardware Composer）：
    • 硬件模块（如高通、MTK 的显示驱动）负责高效合成图层（避免 GPU 计算）。
    • 支持叠加层（Overlay）、旋转、缩放等硬件优化操作。
  • 显示时序：
    • HWC 确保在下一个 VSYNC 信号到来时，新帧被显示（避免撕裂）。

三、核心系统组件详解

1. WindowManagerService (WMS)

  • 职责：
    • 管理所有窗口的 Z-Order、焦点、动画。
    • 与 ActivityManagerService 协作处理窗口生命周期。
  • 关键机制：
    • 窗口令牌（WindowToken）：标识窗口的归属（如 Activity、Dialog）。
    • 窗口策略（WindowPolicy）：控制窗口的显示规则（如锁屏遮挡）。

2. Surface 与 BufferQueue

  • Surface：
    • 每个窗口对应一个 Surface，是应用与 SurfaceFlinger 交换图形数据的接口。
    • 内部通过 BufferQueue 管理图形缓冲区（GraphicBuffer）。
  • BufferQueue 工作流程： 
    应用 (Producer)               SurfaceFlinger (Consumer)
 |                               |
 |-- dequeueBuffer() <-----------| 请求空闲缓冲区
 |-- queueBuffer() ------------->| 提交已绘制的缓冲区
 |                               |-- acquireBuffer() 获取缓冲区
 |                               |-- releaseBuffer() 释放缓冲区

3. RenderThread 与硬件加速

  • RenderThread：
    • 独立的渲染线程，负责执行 GPU 命令（避免阻塞主线程）。
    • 通过 ThreadedRenderer 将 DisplayList 转换为 GL 命令。
  • DisplayList 录制： 
    // ThreadedRenderer.java
void draw(View view, AttachInfo attachInfo, HardwareDrawCallbacks callbacks) {
    updateRootDisplayList(view); // 将 View 的绘制操作录制为 DisplayList
    nSyncAndDrawFrame(mNativeProxy); // 提交到 RenderThread
}

四、性能关键路径

  1. VSYNC 同步：确保 UI 更新与屏幕刷新频率对齐（60Hz/90Hz/120Hz）。
  2. Jank 避免：若 performTraversals() 耗时超过 16ms（60Hz），会导致掉帧。
  3. 合成策略：
    • Client 合成：应用自行合成图层（性能差）。
    • Device 合成：HWC 硬件合成（性能最优）。

五、调试工具与命令

  1. Systrace：分析 performTraversals() 各阶段耗时。 
    python systrace.py gfx view wm am ss res -o trace.html
  2. dumpsys SurfaceFlinger：查看所有 Surface 的层级和状态。
  3. HWC 日志： 
    adb shell setprop debug.hwc.log true

六、总结

Framework 层的显示流程是 Android 图形系统的核心，涉及：

  1. 多进程协作：应用进程、WindowManagerService、SurfaceFlinger 通过 Binder 和共享内存通信。
  2. 垂直同步（VSYNC）：驱动 UI 更新的节奏。
  3. 硬件加速：通过 RenderThread 和 HWC 最大化性能。
  4. 缓冲区管理：BufferQueue 是图形数据传输的基石。

理解这些机制，可以帮助开发者优化 UI 性能、解决卡顿问题，甚至定制 ROM 的显示行为。

明天了解一下 Android Framework 中 input 事件的传递流程