WMS启动流程分析和介绍

发表于 3年以前 | 总阅读数：481 次

前言

客户端开发中并不是直接和 WindowManagerService 交互，而是直接和本地对象 WindowManager 交互，然后由 WindowManager 完成和 WindowManagerService 的交互；

对于 Android 应用来说这个交互是透明的，应用感觉不到 WindowManagerService 的存在；

我们来介绍分析下窗口管理服务 WindowManagerService 的启动过程；

一、WindowManagerService的相关类

1、WindowManagerService概念

Framework层的窗口管理服务，职责是管理Android系统中所有window；窗口管理服务，继承IWindowManager.Stub，Binder服务端，因此WM与WMS的交互也是一个IPC过程。WMS主要做的事情如下：

Z-ordered的维护函数
输入法管理
AddWindow/RemoveWindow
Layerout
Token管理，AppToken
活动窗口管理（FocusWindow）
活动应用管理（FocusApp）
转场动画
系统消息收集线程
系统消息分发线程

2、WindowManager

应用与窗口管理服务WindowManagerService交互的接口

3、PhoneWindowManager

实现了窗口的各种策略，定义了窗口相关策略；

4、Choreographer

用户控制窗口动画、屏幕选择等操作，它拥有从显示子系统获取Vsync同步事件的能力，从而可以在合适的时机通知渲染动作，避免在渲染的过程中因为发生屏幕重绘而导致的画面撕裂。WMS使用Choreographer负责驱动所有的窗口动画、屏幕旋转动画、墙纸动画的渲染；

5、DisplayContent

用于描述多屏输出相关信息；
根据窗口的显示位置将其分组。隶属于同一个DisplayContent的窗口将会被显示在同一个屏幕中。每个DisplayContent都对应着唯一ID，在添加窗口的时候可以通过指定这个ID决定其将显示在哪个屏幕中；
DisplayContent是一个非常具有隔离性的一个概念。处于不同DisplayContent的两个窗口在布局、显示顺序以及动画处理上不会产生任何耦合；

6、WindowState

描述窗口的状态信息以及和WindowManagerService进行通信，一般一个窗口对应一个WindowState。它用来表示一个窗口的所有属性；

7、WindowToken

窗口Token，用来做Binder通信；同时也是一种标识；
在进行窗口Zorder排序时，属于同一个WindowToken的窗口会被安排在一起，而且在其中定义的一些属性将会影响所有属于此WindowToken的窗口，这些都表明了属于同一个WindowToken的窗口之间的紧密联系；
应用组件在需要新的窗口时，必须提供WindowToken以表明自己的身份，并且窗口的类型必须与所持有的WindowToken的类型一致；
在创建系统类型的窗口时不需要提供一个有效的Token，WMS会隐式地为其声明一个WindowToken，看起来谁都可以添加个系统级的窗口。难道Android为了内部使用方便而置安全于不顾吗？非也，addWindow()函数一开始的mPolicy.checkAddPermission()的目的就是如此。它要求客户端必须拥有SYSTEM_ALERT_WINDOW或INTERNAL_SYSTEM_WINDOW权限才能创建系；

8、Session

App进程通过建立Session代理对象和Session对象通信，进而和WMS建立连接；

9、SurfaceFlinger

SurfaceFlinger负责管理Android系统的帧缓冲区（Frame Buffer），Android设备的显示屏被抽象为一个帧缓冲区，而Android系统中的SurfaceFlinger服务就是通过向这个帧缓冲区写入内容来绘制应用程序中的用户界面的；

10、InputManager

IMS实例。管理每个窗口的输入事件通道（InputChannel）以及向通道上派发事件

11、Animator

所有窗口动画的总管（WindowStateAnimator对象）。在Choreographer的驱动下，逐个渲染所有的动画

二、WMS启动流程

WMS的启动，依然是由SystemServer进行启动，在SystemServer的main函数中调用startOtherServices方法创建WMS；

1、SystemServer#startOtherServices

private void startOtherServices() {
        ...
        try {
            ...
            // 创建WMS对象
            // 创建WMS对象需要依赖于InputManager、PhoneWindowManager、和AMS
            // IMS是用来管理每个窗口的输入事件通道以及向通道上派发事件
            // PhoneWindowManager是实现了窗口的各种策略，定义了窗口相关策略
            // 比如：告诉WMS某一个类型Window的Z-Order的值是多少，帮助WMS矫正不合理的窗口属性，
            // 为WMS监听屏幕旋转的状态，预处理一些系统按键事件（例如HOME、BACK键等的默认行为就是在这里实现的）等
            wm = WindowManagerService.main(context, inputManager, !mFirstBoot, mOnlyCore,
                    new PhoneWindowManager(), mActivityManagerService.mActivityTaskManager);
            ServiceManager.addService(Context.WINDOW_SERVICE, wm, /* allowIsolated= */ false,
                    DUMP_FLAG_PRIORITY_CRITICAL | DUMP_FLAG_PROTO);
            ServiceManager.addService(Context.INPUT_SERVICE, inputManager,
                    /* allowIsolated= */ false, DUMP_FLAG_PRIORITY_CRITICAL);
            traceEnd();
            traceBeginAndSlog("SetWindowManagerService");
            // 将AMS与WMS做绑定
            mActivityManagerService.setWindowManager(wm);
            traceEnd();
            traceBeginAndSlog("WindowManagerServiceOnInitReady");
            // 这里主要是调用initPolicy用来初始化PhoneWindowManager
            wm.onInitReady();
            traceEnd();
            ...
        }
        ...
        traceBeginAndSlog("MakeDisplayReady");
        try {
            // 主要是初始化UI尺寸
            wm.displayReady();
        } catch (Throwable e) {
            reportWtf("making display ready", e);
        }
        traceEnd();
        ...
        traceBeginAndSlog("MakeWindowManagerServiceReady");
        try {
            // 准备工作已经完成
            wm.systemReady();
        } catch (Throwable e) {
            reportWtf("making Window Manager Service ready", e);
        }
        traceEnd();
        ...
    }

2、WindowManagerService#main

WMS的main方法：是运行在SystemServer进程的主线程，但是WMS的初始化是在DisplayThread线程构建的；
DisplayThread其实就是一个HandlerThread；
Handler中有一个runWithScissors方法：这个方法其实就是Handler.post消息执行之后能够再继续往下执行；
即runWithScissors后面的内容，需要等待消息的处理完成之后才会继续执行。其实就是实现一个同步执行的过程；
DisplayThread其实是android.display线程，这是系统共享的单例前台线程，在该线程内部创建了WMS；

 public static WindowManagerService main(final Context context, final InputManagerService im,
            final boolean showBootMsgs, final boolean onlyCore, WindowManagerPolicy policy,
            ActivityTaskManagerService atm) {
        return main(context, im, showBootMsgs, onlyCore, policy, atm,
                SurfaceControl.Transaction::new);
    }

WMS的main方法是在SystemServer进程的主线程调用的，然后在调用WMS的main方法的时候，通过DisplayThread这个HandlerThread，实现异步处理；
这里的异步处理，其实是通过跨线程的一个同步，即通过DisplayThread中的Handler对象，调用runWithScissors方法；
该方法其实是可以实现发送消息等待消息处理完成以后再继续执行runWithScissors方法调用位置之后的代码，即等待消息处理完之后再进行return WMS对象的返回操作；

@VisibleForTesting
    public static WindowManagerService main(final Context context, final InputManagerService im,
            final boolean showBootMsgs, final boolean onlyCore, WindowManagerPolicy policy,
            ActivityTaskManagerService atm, TransactionFactory transactionFactory) {
        // wms是运行在android.display线程
        DisplayThread.getHandler().runWithScissors(() ->
                sInstance = new WindowManagerService(context, im, showBootMsgs, onlyCore, policy,
                        atm, transactionFactory), 0);
        return sInstance;
    }

3、Handler#runWithScissors

上面的runWithScissors传入的就是一个Runnable实例，只不过是采用了lambda表达式的做法，所以Runnable的run()方法的方法体是就是：


sInstance = new WindowManagerService(context, im, showBootMsgs, onlyCore, policy,
atm, transactionFactory), 0);
public final boolean runWithScissors(@NonNull Runnable r, long timeout) {
    if (r == null) {
        throw new IllegalArgumentException("runnable must not be null");
    }
    if (timeout < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout must be non-negative");
    }
    // 如果调用runWithScissors方法的线程是与消息处理线程在同一个线程
    // 则直接执行Runnable的run方法。
    if (Looper.myLooper() == mLooper) {
        r.run();
        return true;
    }
    // 如果调用runWithScissors方法的线程与消息处理线程不是同一个，则创建一个BlockingRunnable
    BlockingRunnable br = new BlockingRunnable(r);
    return br.postAndWait(this, timeout);
}

则创建一个BlockingRunnable；
调用BlockingRunnable.postAndWait方法；
这里的返回值会先等待，等待DisplayThread线程中的Handler处理完；
消息之后，然后唤醒BlockingRunnable；
该Handler处理消息是在DisplayThread线程，而BlockingRunnable；
而BlockingRunnable调用wait并不会让DisplayThread线程中的；
Handler等待，Handler依然会处理消息，处理消息其实就是调用了；
BlockingRunnable.run()方法，当BlockingRunnable.run()执行完成；
就会调用notifyAll唤醒BlockingRunnable，执行postAndWait的return；

4、BlockingRunnable方法介绍

private static final class BlockingRunnable implements Runnable {
    private final Runnable mTask;
    private boolean mDone;
    public BlockingRunnable(Runnable task) {
        mTask = task;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            mTask.run();
        } finally {
            synchronized (this) {
                mDone = true;
                notifyAll();
            }
        }
    }
    public boolean postAndWait(Handler handler, long timeout) {
        // 调用postAndWait的时候，先调用handler对象的post将消息发送出
        // 如果入队成功，则为true，则开始阻塞
        if (!handler.post(this)) {
            return false;
        }
        // 在上面的方法调用中，timeout=0，则阻塞。
        synchronized (this) {
            if (timeout > 0) {
                final long expirationTime = SystemClock.uptimeMillis() + timeout;
                // 如果mDone为false的时候，则会等待，只有为true的时候，会执行
                while (!mDone) {
                    long delay = expirationTime - SystemClock.uptimeMillis();
                    if (delay <= 0) {
                        return false; // timeout
                    }
                    try {
                        wait(delay);
                    } catch (InterruptedException ex) {
                    }
                }
            } else {
                while (!mDone) {
                    try {
                        wait();
                    } catch (InterruptedException ex) {
                    }
                }
            }
        }
        return true;
    }
}

mTask其实就是runWithScissors中传入的Runnable对象；
BlockingRunnable的run方法的执行，其实就是需要Handler遍历到消息处理的时候；
然后处理这个BlockingRunnable消息，在处理BlockingRunnable消息的时候；
就会处理runWithScissors的参数中的Runnable这个mTask；
处理完成之后，就会调用notifyAll唤醒等待线程，然后执行postAndWait的return；
因为BlockingRunnable的run方法是由Handler处理消息；
这个消息的处理与BlockingRunnable是在不同的线程；
所以BlockingRunnable等待的时候，其run方法是可以由handler消息处理；

5、WindowManagerService构造器

 private WindowManagerService(Context context, InputManagerService inputManager,
        boolean showBootMsgs, boolean onlyCore, WindowManagerPolicy policy,
        ActivityTaskManagerService atm, TransactionFactory transactionFactory) {
    installLock(this, INDEX_WINDOW);
    mGlobalLock = atm.getGlobalLock();
    mAtmService = atm;
    mContext = context;
    mAllowBootMessages = showBootMsgs;
    mOnlyCore = onlyCore;
    // 各种变量读取
    mLimitedAlphaCompositing = context.getResources().getBoolean(
            com.android.internal.R.bool.config_sf_limitedAlpha);
    mHasPermanentDpad = context.getResources().getBoolean(
            com.android.internal.R.bool.config_hasPermanentDpad);
    mInTouchMode = context.getResources().getBoolean(
            com.android.internal.R.bool.config_defaultInTouchMode);
    ......
    mInputManager = inputManager;
    mDisplayManagerInternal =
        LocalServices.getService(DisplayManagerInternal.class);
    // Display设置
    mDisplayWindowSettings = new DisplayWindowSettings(this);
    mTransactionFactory = transactionFactory;
    mTransaction = mTransactionFactory.make();
    //PhoneWindowManager(继承于WindowManagerPolicy, 用来提供UI相关的一些行为)
    mPolicy = policy;
    // 在一个单独的task中执行动画和Surface操作的类
    mAnimator = new WindowAnimator(this);
    // 根Window容器
    mRoot = new RootWindowContainer(this);
    // 用来确定Window和Surface的位置
    mWindowPlacerLocked = new WindowSurfacePlacer(this);
    // 任务快照管理器(当App不可见时, 会将Task的快照以Bitmap形式存在缓存中)
    mTaskSnapshotController = new TaskSnapshotController(this);
    LocalServices.addService(WindowManagerPolicy.class, mPolicy);
    mDisplayManager = 
    (DisplayManager)context.getSystemService(Context.DISPLAY_SERVICE);
    // Keyguard处理器
    mKeyguardDisableHandler =
        KeyguardDisableHandler.create(mContext, mPolicy, mH);
    // PowerManager是控制设备电池状态的管理器
    mPowerManager = 
        (PowerManager)context.getSystemService(Context.POWER_SERVICE);
    // PowerManagerInternal是PowerMananger的本地服务
    mPowerManagerInternal =
        LocalServices.getService(PowerManagerInternal.class);
    if (mPowerManagerInternal != null) {
        mPowerManagerInternal.registerLowPowerModeObserver(
                new PowerManagerInternal.LowPowerModeListener() {
            @Override
            public int getServiceType() {
                return ServiceType.ANIMATION;
            }
            @Override
            public void onLowPowerModeChanged(PowerSaveState result) {
                synchronized (mGlobalLock) {
                    // 低电量模式发生变化时, 需要调整对应的动画
                    final boolean enabled = result.batterySaverEnabled;
if (mAnimationsDisabled != enabled && !mAllowAnimationsInLowPowerMode) {
                        mAnimationsDisabled = enabled;
                        dispatchNewAnimatorScaleLocked(null);
                    }
                }
            }
        });
        // 获取是否允许动画
        mAnimationsDisabled =
            mPowerManagerInternal.getLowPowerState(
            ServiceType.ANIMATION).batterySaverEnabled;
    }
    mScreenFrozenLock =
    mPowerManager.newWakeLock(
        PowerManager.PARTIAL_WAKE_LOCK, "SCREEN_FROZEN");
    mScreenFrozenLock.setReferenceCounted(false);
    // 获取IActivity.Stub.Proxy(new BinderProxy())
    mActivityManager = ActivityManager.getService();
    // 获取IActivityTaskManager.Stub.Proxy
    mActivityTaskManager = ActivityTaskManager.getService();
    // ActivityManagerInternal是ActivityManager的本地服务
    mAmInternal =
        LocalServices.getService(ActivityManagerInternal.class);
    // ActivityTaskManagerInternal是ActivityTaskManager的本地服务
    mAtmInternal =
        LocalServices.getService(ActivityTaskManagerInternal.class);
    mAppOps = 
    (AppOpsManager)context.getSystemService(Context.APP_OPS_SERVICE);
    AppOpsManager.OnOpChangedInternalListener opListener =
            new AppOpsManager.OnOpChangedInternalListener() {
                @Override 
                public void onOpChanged(int op, String packageName) {
                    updateAppOpsState();
                }
            };
    mAppOps.startWatchingMode(OP_SYSTEM_ALERT_WINDOW, null, opListener);
    mAppOps.startWatchingMode(AppOpsManager.OP_TOAST_WINDOW,
        null, opListener);
    // PackageManagerInternal是PackageManager的本地服务
    mPmInternal = LocalServices.getService(PackageManagerInternal.class);
    // 注册Package suspend/unsuspend广播
    final IntentFilter suspendPackagesFilter = new IntentFilter();
    suspendPackagesFilter.addAction(Intent.ACTION_PACKAGES_SUSPENDED);
    suspendPackagesFilter.addAction(Intent.ACTION_PACKAGES_UNSUSPENDED);
    context.registerReceiverAsUser(new BroadcastReceiver() {
        @Override
        public void onReceive(Context context, Intent intent) {
            final String[] affectedPackages =
            intent.getStringArrayExtra(Intent.EXTRA_CHANGED_PACKAGE_LIST);
            final boolean suspended =
            Intent.ACTION_PACKAGES_SUSPENDED.equals(intent.getAction());
            updateHiddenWhileSuspendedState(
            new ArraySet<>(Arrays.asList(affectedPackages)), suspended);
        }
    }, UserHandle.ALL, suspendPackagesFilter, null, null);
    // 获取并设置window scale设置
    final ContentResolver resolver = context.getContentResolver();
    mWindowAnimationScaleSetting = Settings.Global.getFloat(resolver,
Settings.Global.WINDOW_ANIMATION_SCALE, mWindowAnimationScaleSetting);
    ......
    // 注册广播, 当DevicePolicyManager状态发生变化时设置keyguard属性是否可用
    IntentFilter filter = new IntentFilter();
    filter.addAction(ACTION_DEVICE_POLICY_MANAGER_STATE_CHANGED);
    mContext.registerReceiverAsUser(mBroadcastReceiver,
        UserHandle.ALL, filter, null, null);
    mLatencyTracker = LatencyTracker.getInstance(context);
    mSettingsObserver = new SettingsObserver(); 
    ...... 
    mSurfaceAnimationRunner = new SurfaceAnimationRunner(mPowerManagerInternal);
    mAllowTheaterModeWakeFromLayout = context.getResources().getBoolean(
com.android.internal.R.bool.config_allowTheaterModeWakeFromWindowLayout);
    // Task定位控制器
    mTaskPositioningController = new TaskPositioningController(this,
        mInputManager, mActivityTaskManager, mH.getLooper());
    // View的拖/拉操作控制器
    mDragDropController = new DragDropController(this, mH.getLooper()); 
    ......
    // 注册WindowManager的本地服务WindowManagerInternal
    LocalServices.addService(WindowManagerInternal.class, new LocalService());
}

LocalServices与ServiceManager类似，但是LocalServices只能是在同一个进程中使用；
并且LocalServices中注册的并不是一个Binder对象，注册进的都是对应的Service的静态内部类；
也就是LocalService，比如WMS有一个WindowManagerInternal，LocalService就是其子类实现；

6、onInitReady

public void onInitReady() {
    // 初始化PhoneWindowManager
    initPolicy();
    // 添加Watchdog monitor
    Watchdog.getInstance().addMonitor(this); 
    // 调用SurfaceControl.openTransaction(), 启动一个事务
    openSurfaceTransaction();
    // 创建水印
    createWatermarkInTransaction();
    // 结束事务
closeSurfaceTransaction("createWatermarkInTransaction"); 
    // 显示模拟器显示层
    showEmulatorDisplayOverlayIfNeeded();
}

7、 initPolicy


private void initPolicy() {
        UiThread.getHandler().runWithScissors(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                WindowManagerPolicyThread.set(Thread.currentThread(),
                    Looper.myLooper());
                mPolicy.init(mContext, WindowManagerService.this,
                    WindowManagerService.this);
            }
        }, 0);
    }

PhoneWindowManager 的初始化运行在 “android.ui” 线程；

8、 displayReady


public void displayReady() {
    synchronized (mGlobalLock) {
        // 设置RootWindowContainer的Window列表的最大宽度
        if (mMaxUiWidth > 0) {
            mRoot.forAllDisplays(
            displayContent -> displayContent.setMaxUiWidth(mMaxUiWidth));
        }
        final boolean changed = applyForcedPropertiesForDefaultDisplay();
        mAnimator.ready();
        mDisplayReady = true;
        if (changed) {
            // 重新配置DiaplayContent属性
            reconfigureDisplayLocked(getDefaultDisplayContentLocked());
        }
        mIsTouchDevice = mContext.getPackageManager().hasSystemFeature(
        PackageManager.FEATURE_TOUCHSCREEN);
    }
    // 1.修改当前configuration 2.确保当前Activity正在运行当前configuration
    mActivityTaskManager.updateConfiguration(null);
    // 更新CircularDisplayMask
    updateCircularDisplayMaskIfNeeded();
}

9、systemReady

public void systemReady() {
    mSystemReady = true;
    mPolicy.systemReady();
    mRoot.forAllDisplayPolicies(DisplayPolicy::systemReady);
    mTaskSnapshotController.systemReady();
    // 是否支持色域
    mHasWideColorGamutSupport = queryWideColorGamutSupport();
    // 是否支持HDR渲染
    mHasHdrSupport = queryHdrSupport();
    UiThread.getHandler().post(mSettingsObserver::updateSystemUiSettings);
    UiThread.getHandler().post(mSettingsObserver::updatePointerLocation);
    // 获取IVrManager.Stub.Proxy, 并注册状态变化listener
    IVrManager vrManager = IVrManager.Stub.asInterface(
            ServiceManager.getService(Context.VR_SERVICE));
    if (vrManager != null) {
        final boolean vrModeEnabled = vrManager.getVrModeState();
        synchronized (mGlobalLock) {
            vrManager.registerListener(mVrStateCallbacks);
            if (vrModeEnabled) {
                mVrModeEnabled = vrModeEnabled;
                mVrStateCallbacks.onVrStateChanged(vrModeEnabled);
            }
        }
    }
}

整个启动过程涉及3个线程: system_server主线程, “android.display”, “android.ui”；
整个过程是采用阻塞方式(利用Handler.runWithScissors)执行的；
其中WindowManagerService.mH的Looper运行在 “android.display”进程，也就意味着WMS.H.handleMessage()在该线程执行；
WMS 主要用于窗口的添加和移除操作，其对应的方法是 addWindow 和 removeWindow，关于窗口的添加和删除过程

总结

快年底了，一起加油努力