Android Framework（六）WMS-窗口显示流程——窗口内容绘制与显示

news2024/9/20 18:43:57

文章目录

  • 窗口显示流程
    • 明确目标
  • 窗户内容绘制与显示流程
    • 窗口Surface状态
    • 完整流程图
  • 应用端处理
    • finishDrawingWindow 的触发
  • system_service处理
    • WindowState状态 -- COMMIT_DRAW_PENDING
    • 本次layout 流程简述

窗口显示流程

在这里插入图片描述
目前窗口的显示到了最后一步。
在 addWindow 流程中，创建挂载了 WindowState
在 relayoutWindow 流程为这个窗口创建了 Surface 并且还计算好了这个窗口的大小和在屏幕上的位置，并把窗口的 Surface 状态设置为了 DRAW_PENDING 。
这一步执行完后，应用端就可以开始绘制 View 树了，绘制完成后，需要把内容显示到屏幕上，也就是现在这个 Surface ，这一步就是本篇分析的内容：finishDrawingWindow 流程。

明确目标

现在可以明确 finishDrawingWindow 流程目的只有1个：把窗口的内容显示到屏幕上。
这里可能会有几个疑问：

  • 1、在 relayoutWindow 流程不是已经创建好 Surface 了吗？这一步目的是“把窗口的内容显示到屏幕上”，应用端拿到 Surface 绘制完 UI 等 VSync 来的时候上帧不就屏幕上有画面了？

  • 2、难道应用端每一帧绘制完都需要走这个 finishDrawingWindow 流程吗？

回答问题之前，先看一个案例：屏幕旋转

在屏幕旋转的时候会应用窗口的改变，这一阶段手机屏幕的 UI 的很混乱的，为了提示用户体验，google 的做法是旋转之前截个屏，然后创建一个层级很高的图层显示这个截图。这样一来旋转期间，用户看到的就是截图的内容。

这里又有个疑问，既然是这样那为啥还有那么多旋转黑屏的问题？这是因为动画执行的时间是写在动画文件里的，并不是根据旋转逻辑执行完毕来的（我本以为是以这个为动画结束条件）。当然这不是当前重点。

所以现在看一下这个截图图层的代码逻辑：

# ScreenRotationAnimation
    // 截屏图层SurfaceControl
    private SurfaceControl mScreenshotLayer;
    ScreenRotationAnimation(DisplayContent displayContent, @Surface.Rotation int originalRotation) {
        ......
        // 拿到一个事务
        final SurfaceControl.Transaction t = mService.mTransactionFactory.get();
        try {       
            ......
            // 1. 创建截图的图层
            String name = "RotationLayer";
            mScreenshotLayer = displayContent.makeOverlay()
                    .setName(name)
                    ......
                    .setBLASTLayer() // 设置为“Buff”图层
                    .build();
            ......
            // 获取截图buff
            GraphicBuffer buffer = GraphicBuffer.createFromHardwareBuffer(
                    screenshotBuffer.getHardwareBuffer());
            ......
            t.setBuffer(mScreenshotLayer, buffer);// 2. 设置截图buff给截图的图层
            t.setColorSpace(mScreenshotLayer, screenshotBuffer.getColorSpace());
            // 3. 执行显示 Surface
            t.show(mScreenshotLayer);
            t.show(mBackColorSurface); 
        } ......
        ......
        // 4. 事务提交
        t.apply();
    }

在上层控制一个 Surface 的显示分为4步：

  • 1、创建 SurfaceControl
  • 2、设置 buff 给SurfaceControl （显示内容）
  • 3、执行 SurfaceControl.Transaction::show 传递这个 Surface
  • 4、执行 SurfaceControl.Transaction::apply 通知 SurfaceFlinger
    在这里插入图片描述
    也就是说一个 Surface 最新显示到屏幕上是通过 SurfaceControl.Transaction 事务完成的，需要把显示 Surface 的要求加的事务中（show） 在执行事务的条件，这样 SurfaceFlinger 才会把显示对应的 Layer 。

其中 1，2 两步在 relayoutWindow 流程和应用端绘制 View 树就完成了，这个时候 Surface 下的 buff 是有内容的，但是还没有显示到屏幕上。所以要执行 finishDrawingWindow 流程来让 SurfaceFlinger 显示这个 Layer 。这也是第一个问题的答案。

第二个问题的答案是应用不需要每一帧绘制完都执行 finishDrawingWindow 流程，后面的应用上帧就是通过 Surface 内部的生产消费者模型完成。

窗户内容绘制与显示流程

在这里插入图片描述
如图整个流程可以分为以下几步:

  • 1、应用端绘制后（View绘制三部曲）触发 finishDrawingWindow 流程
  • 2、system_service 将窗口的 Surface 状态从原来是 DRAW_PENDING 更新到 COMMIT_DRAW_PENDING 表示准备提交
  • 3、然后触发一次 layout 这次 layout 的目的是将这个窗口的 Surface 显示到屏幕上
    • 3.1 状态设置到 READY_TO_SHOW 表示准备显示
    • 3.2 状态设置到 HAS_DRAWN 表示已经显示在屏幕上
    • 3.3 把这次 layout 对 Surface 的操作通过 SurfaceControl.Transaction 统一提交到 SurfaceFlinger
  • 4、SurfaceFlinger 显示窗口的 Layer

窗口Surface状态

窗口Surface状态定义在 WindowStateAnimator.java 下面，结合源码的注释和实际场景简单解释一下各个状态：

# WindowStateAnimator

    /** This is set when there is no Surface */
    // 没有 Surface的时候，说明没有创建或者窗口销毁
    static final int NO_SURFACE = 0;
    /** This is set after the Surface has been created but before the window has been drawn. During
     * this time the surface is hidden. */
    // Surface 刚刚创建但是还没绘制的状态。 也就是 relayoutWindow 流程时设置的
    static final int DRAW_PENDING = 1;
    /** This is set after the window has finished drawing for the first time but before its surface
     * is shown.  The surface will be displayed when the next layout is run. */
    // 窗口第一次完成绘制之后的状态，将在下一次 layout 的时候执行。
    // 是等待提交到SF的状态
    static final int COMMIT_DRAW_PENDING = 2;
    /** This is set during the time after the window's drawing has been committed, and before its
     * surface is actually shown.  It is used to delay showing the surface until all windows in a
     * token are ready to be shown. */
    // 已经提交到SF， 准备显示到屏幕上
    static final int READY_TO_SHOW = 3;
    /** Set when the window has been shown in the screen the first time. */
    // 窗口已经显示
    static final int HAS_DRAWN = 4;

Surface状态的状态切换流程如下：
在这里插入图片描述

  • 1、在 relayoutWindow 流程创建 Surface 后在 createSurfaceLocked 方法将状态设置为 DRAW_PENDING

  • 2、应用绘制完成会后触发 finishDrawingWindow 方法，这个方法分为以下几步：

    • 2.1 流程开始就通过 finishDrawingLocked 方法设置状态为 COMMIT_DRAW_PENDING

    • 2.2 执行 requestTraversal 触发 layout 流程，这里可能对多次执行。相关的事情都在内部的 applySurfaceChangesTransaction 方法中处理

      • 2.2.1 在 commitFinishDrawingLocked 方法把窗口状态设置为 READY_TO_SHOW
      • 2.2.2 在 performShowLocked 方法把窗口状态设置为 HAS_DRAWN
      • 2.2.3 执行 prepareSurfaces 方法，最终构建窗口 Surface 显示的事务

  • 3、layout 流程 WindowManagerService::closeSurfaceTransaction 方法里会真正将事务提交到 SurfaceFlinger 处理

所以现在更明确的当前流程的主线任务：
1、找到设置 Surface 状态为 COMMIT_DRAW_PENDING、 READY_TO_SHOW 和 HAS_DRAWN 的地方。
2、找到执行 SurfaceControl.Transaction::show 和 SurfaceControl.Transaction::apply 执行的地方就完成了。

完整流程图

本篇的主要逻辑和上篇一样，也是在一次 layout 里，layout 几户覆盖了所有的窗口逻辑，非常复杂，这里只贴出关于窗口显示逻辑流程图：
在这里插入图片描述

应用端处理

既然是绘制完成后的处理，触发的地方还是应用端本身，只有应用端绘制完成了才会触发逻辑。

再看一下 ViewRootImpl::setView 的调用链：

ViewRootImpl::setView
   ViewRootImpl::requestLayout
      ViewRootImpl::scheduleTraversals             
            ViewRootImpl.TraversalRunnable::run              -- Vsync相关--scheduleTraversals
                ViewRootImpl::doTraversal
                    ViewRootImpl::performTraversals 
                        ViewRootImpl::relayoutWindow
                            Session::relayout                -- 第二步：relayoutWindow
                            ViewRootImpl::updateBlastSurfaceIfNeeded
                                Surface::transferFrom        -- 应用端Surface赋值
                        ViewRootImpl::performMeasure         -- View绘制三部曲 --Measure
                        ViewRootImpl::performLayout          -- View绘制三部曲 --Layout  
                        ViewRootImpl::createSyncIfNeeded
                            SurfaceSyncGroup::init 
                                ViewRootImpl::reportDrawFinished 
                                    Session::finishDrawing   -- 第三步：finishDrawingWindow
                        ViewRootImpl::performDraw            -- View绘制三部曲 --Draw    
                        SurfaceSyncGroup::markSyncReady      -- 触发绘制完成回调
   Session.addToDisplayAsUser                                -- 第一步：addWindow

在这里插入图片描述
前面分析【relayoutWindow流程】的时候已经分析过 ViewRootImpl::performTraversals 方法了，不过当前重点不一样，所以还需要再看一遍这个方法（增加了一些当前流程相关的代码）

  • 1、后续需要介绍软绘硬绘的流程，所以可以看到硬绘的初始化逻辑也在这个方法
  • 2、relayoutWindow 相关
  • 3、经过第二步 relayoutWindow 后 View 就可以绘制了
  • 4、绘制完成后就要通知 SurfaceFlinger 进行合成了，也就是本篇分析的 finishDrawing 流程

当前分析 finishDrawing 流程，首先可以看到 relayoutWindow 方法执行后，会触发3个View绘制的方法，也就是常说的 View 绘制三部曲：measure、layout、draw。

但是这里有个奇怪的地方： “4.1 createSyncIfNeeded” 方法是触发 finishDrawingWindow 的，但是这个方法在 “3.3 performDraw”的上面。

这是因为代码的顺序不代表真正的执行顺序，这里的“4.1 createSyncIfNeeded”只是设置了“回调”，等时机到了就会触发执行，而这个时机就是 View 绘制完成后，在 “4.2 markSyncReady 触发”

这一部分的逻辑有点绕，不过目前分析的是主流程，所以这块逻辑以上的描述当黑盒理解这段的调用： View 绘制结束后就会在 4.2 出触发 4.1 内部的执行，进入触发 finishDrawingWindow 流程即可。
这部分的代码 U 做了重构，后面再单独写一篇详细解释直接的调用逻辑。

finishDrawingWindow 的触发

在 ViewRootImpl::performTraversals 方法最后会执行 SurfaceSyncGroup::markSyncReady 方法，最终会触发 ViewRootImpl::createSyncIfNeeded 方法下的 ViewRootImpl::reportDrawFinished 来真正 finishDrawingWindow 流程。

# ViewRootImpl
    // 创建对象
    private SurfaceSyncGroup mActiveSurfaceSyncGroup;
    // 是否有同步的内容需要上报
    boolean mReportNextDraw;

    private void createSyncIfNeeded() {
        // 如果已经在本地进行同步或者没有需要同步的内容
        // mReportNextDraw 变量也是控制每一帧绘制完不都要执行 finishDrawingWindow 流程的原因
        if (isInWMSRequestedSync() || !mReportNextDraw) {
            return;
        }
        
        // 获取当前同步序列号
        final int seqId = mSyncSeqId;
        
        // 传入一个匿名类
        mWmsRequestSyncGroupState = WMS_SYNC_PENDING;
        mWmsRequestSyncGroup = new SurfaceSyncGroup("wmsSync-" + mTag, t -> {
                // 合并传入的transaction到mSurfaceChangedTransaction中
                mWmsRequestSyncGroupState = WMS_SYNC_MERGED;
                // 重点* 报告绘制完成，传入之前获取的序列号
                reportDrawFinished(t, seqId);
        });
        
        if (DEBUG_BLAST) {
            // 打印日志
            Log.d(mTag, "Setup new sync=" + mWmsRequestSyncGroup.getName());
        }
        
        // 将mSyncTarget添加到mSyncId对应的同步中
        mWmsRequestSyncGroup.add(this, null /* runnable */);
    }

这个方法的重点就是在应用绘制完成后触发 finishDrawingWindow 流程，也就是触发 ViewRootImpl::reportDrawFinished 方法。

# ViewRootImpl

    private void reportDrawFinished(@Nullable Transaction t, int seqId) {
        // 日志和Trace相关
        if (DEBUG_BLAST) {
            Log.d(mTag, "reportDrawFinished");
        }
        if (Trace.isTagEnabled(Trace.TRACE_TAG_VIEW)) {
            Trace.instant(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "reportDrawFinished " + mTag + " seqId=" + seqId);
        }

        try {
            // 重点* finishDrawing流程
            mWindowSession.finishDrawing(mWindow, t, seqId);
            ......
        } ......
        ......
    }

# Session
    @Override
    public void finishDrawing(IWindow window,
            @Nullable SurfaceControl.Transaction postDrawTransaction, int seqId) {
        if (DEBUG) Slog.v(TAG_WM, "IWindow finishDrawing called for " + window);
        if (Trace.isTagEnabled(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER)) {
            Trace.traceBegin(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER, "finishDrawing: " + mPackageName);
        }
        // 触发WMS 执行finishDrawingWindow 流程
        mService.finishDrawingWindow(this, window, postDrawTransaction, seqId);
        Trace.traceEnd(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER);
    }

这个方法的重点就是在应用绘制完成后触发 finishDrawingWindow 流程，也就是触发 ViewRootImpl::reportDrawFinished 方法。

# ViewRootImpl

    private void reportDrawFinished(@Nullable Transaction t, int seqId) {
        // 日志和Trace相关
        if (DEBUG_BLAST) {
            Log.d(mTag, "reportDrawFinished");
        }
        if (Trace.isTagEnabled(Trace.TRACE_TAG_VIEW)) {
            Trace.instant(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "reportDrawFinished " + mTag + " seqId=" + seqId);
        }

        try {
            // 重点* finishDrawing流程
            mWindowSession.finishDrawing(mWindow, t, seqId);
            ......
        } ......
        ......
    }

# Session
    @Override
    public void finishDrawing(IWindow window,
            @Nullable SurfaceControl.Transaction postDrawTransaction, int seqId) {
        if (DEBUG) Slog.v(TAG_WM, "IWindow finishDrawing called for " + window);
        if (Trace.isTagEnabled(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER)) {
            Trace.traceBegin(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER, "finishDrawing: " + mPackageName);
        }
        // 触发WMS 执行finishDrawingWindow 流程
        mService.finishDrawingWindow(this, window, postDrawTransaction, seqId);
        Trace.traceEnd(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER);
    }

唯一做的一件事就是跨进程触发 WindowManagerService::finishDrawingWindow 。 到这里应用端的事情就处理完了，后面的流程在 system_service 进程。

system_service处理

system_service 处理主要的调用链整理如下：

WindowManagerService::finishDrawingWindow
    WindowState::finishDrawing
        WindowStateAnimator::finishDrawingLocked    -- COMMIT_DRAW_PENDING
    WindowPlacerLocked::requestTraversal           -- 触发layout
        Traverser::run
            WindowSurfacePlacer::performSurfacePlacement
                WindowSurfacePlacer::performSurfacePlacementLoop
                    RootWindowContainer::performSurfacePlacement  -- 开始layout逻辑
                        RootWindowContainer::performSurfacePlacementNoTrace
                            WindowManagerService::openSurfaceTransaction      -- 打开Surface事务
                            RootWindowContainer::applySurfaceChangesTransaction  -- 处理Surface事务
                                DisplayContent::applySurfaceChangesTransaction   -- 遍历每个屏幕
                                    DisplayContent::performLayout                          -- relayoutWinodw 流程
                                    DisplayContent::forAllWindows                          -- 每个窗口执行mApplySurfaceChangesTransaction
                                        WindowStateAnimator::commitFinishDrawingLocked     -- READY_TO_SHOW
                                            WindowState::performShowLocked                 -- HAS_DRAWN
                                    DisplayContent::prepareSurfaces                        -- Surface 处理
                                        WindowContainer::prepareSurfaces                   -- 遍历每个孩子
                                            WindowState::prepareSurfaces                   -- 忽略其他，只看窗口的实现
                                            WindowStateAnimator::prepareSurfaceLocked
                                                WindowSurfaceController::showRobustly
                                                    WindowSurfaceController::setShown
                                                        SurfaceControl.Transaction::show    -- Surface显示
                            WindowManagerService::closeSurfaceTransaction    -- 处理关闭Surface事务
                                SurfaceControl::closeTransaction
                                    GlobalTransactionWrapper::applyGlobalTransaction
                                        GlobalTransactionWrapper::nativeApplyTransaction    -- 触发native

在这里插入图片描述

# WindowManagerService
    final WindowSurfacePlacer mWindowPlacerLocked;

    void finishDrawingWindow(Session session, IWindow client,
            @Nullable SurfaceControl.Transaction postDrawTransaction, int seqId) {
        if (postDrawTransaction != null) {
            postDrawTransaction.sanitize(Binder.getCallingPid(), Binder.getCallingUid());
        }

        final long origId = Binder.clearCallingIdentity();
        try {
            synchronized (mGlobalLock) {
                // 获取到对应的WindowState
                WindowState win = windowForClientLocked(session, client, false);
                // T版本这里是个 proto日志
                Slog.w(TAG, "finishDrawingWindow: "+win+" mDrawState="
                         +(win != null ? win.mWinAnimator.drawStateToString() : "null"));
                // 重点* 1. 执行WindowState::finishDrawing
                if (win != null && win.finishDrawing(postDrawTransaction, seqId)) {
                    if (win.hasWallpaper()) {
                        win.getDisplayContent().pendingLayoutChanges |=
                                WindowManagerPolicy.FINISH_LAYOUT_REDO_WALLPAPER;
                    }
                    // 将当前WindowState.mLayoutNeeded置为true
                    win.setDisplayLayoutNeeded();
                    // 重点* 2. 请求进行布局刷新
                    mWindowPlacerLocked.requestTraversal();
                }
            }
        } finally {
            Binder.restoreCallingIdentity(origId);
        }
    }

system_service 进程第一个处理的方法就是 WindowManagerService::finishDrawingWindow 这个方法也就做了2件事：

  • 1、WindowState::finishDrawing 将 Surface 状态设置为 COMMIT_DRAW_PENDING
  • 2、WindowSurfacePlacer::requestTraversal 框架层的 layout ，将状态设置为 READY_TO_SHOW ，HAS_DRAWN ，然后通知到 SurfaceFlinger

这里有上述的2个流程需要分析，首先会执行 WindowState::finishDrawing ，将WindowState状态设置为 COMMIT_DRAW_PENDING ，表示应用端已经绘制完成了，可以提交给SF了。
第一步操作完之后，就会执行 WindowSurfacePlacer::requestTraversal ，这个方法是执行一次 layout 逻辑。

在前面看窗口状态 COMMIT_DRAW_PENDING 定义的时候，google 注释提过： “会下一次 layout 的时候显示到屏幕上”，指的就是在这里触发的 layout。

在第二步 layout 的时候会遍历每个窗口，目前只关心当前分析的场景的这个窗口，在这次 layout 会做3件事：

  • 1、将窗口状态设置为 READY_TO_SHOW
  • 2、将窗口状态设置为 HAS_DRAWN
  • 3、通过 SurfaceControl.Transaction 通知 SurfaceFlinger 做显示合成

下面开始在代码中梳理流程。

WindowState状态 – COMMIT_DRAW_PENDING

# WindowState
    final WindowStateAnimator mWinAnimator;
    boolean finishDrawing(SurfaceControl.Transaction postDrawTransaction, int syncSeqId) {
   		......
   		// 主流程
        final boolean layoutNeeded =
                mWinAnimator.finishDrawingLocked(postDrawTransaction, mClientWasDrawingForSync);
        mClientWasDrawingForSync = false;
        // We always want to force a traversal after a finish draw for blast sync.
        return !skipLayout && (hasSyncHandlers || layoutNeeded);
    }

主要是执行了 WindowStateAnimator::finishDrawingLocked ,内部会将 WindowState 的状态设置为 COMMIT_DRAW_PENDING ，这个是非常重要的一步。

# WindowStateAnimator

    boolean finishDrawingLocked(SurfaceControl.Transaction postDrawTransaction,
            boolean forceApplyNow) {
        ......
        // 只有当前状态是DRAW_PENDING的时候才可以走进逻辑
        if (mDrawState == DRAW_PENDING) {
            ProtoLog.v(WM_DEBUG_DRAW,
                    "finishDrawingLocked: mDrawState=COMMIT_DRAW_PENDING %s in %s", mWin,
                    mSurfaceController);
            if (startingWindow) {
                // 如果是StartingWindow还有专门的log
                ProtoLog.v(WM_DEBUG_STARTING_WINDOW, "Draw state now committed in %s", mWin);
            }
            mDrawState = COMMIT_DRAW_PENDING;
            // 表示需要 layout
            layoutNeeded = true;
        }
        ......
    }

这样第一步就执行完了，流程很简单，只是设置窗口状态为 COMMIT_DRAW_PENDING 。

本次layout 流程简述

上一小节只是改了状态，下一个状态是 READY_TO_SHOW ，前面看到google对它有一个注释：The surface will be displayed when the next layout is run.
也就是说在下一次 layout 会触发 Surface 的显示，所以关键流程还是在 “next layout”，
那什么是 “next layout” ？
我们知道屏幕上有任何风吹操作都会触发一次 layout 流程，主要就是执行 WindowSurfacePlacer::performSurfacePlacement 这就是 一次 layout 。

WindowPlacerLocked::requestTraversal 触发的 layout 流程就是之前 relayoutWindow 流程看到的 WindowSurfacePlacer::performSurfacePlacement 。这个流程触发的地方非常多，只是当前 finishDrawingWindow 会主动触发一次罢了。对于这种高频率触发的方法，需要留意一下，初学者知道每个主流程会走什么逻辑就好，慢慢的随着知识体系的构建，再看这个流程其实就没那么复杂了。

WindowSurfacePlacer::performSurfacePlacement 的逻辑会遍历屏幕上每一个窗口，然后让其根据最新情况做对应的处理，比如 relayoutWinodw 流程的时候就会遍历到窗口做
执行 computeFrames 计算窗口大小。

当前分析的场景自然也会遍历窗口，触发这次 layout 的目的就是让当前这个窗口的 Surface 提交到 SurfaceFlinger 。

这个流程之前看过了，所以直接从 RootWindowContainer::performSurfacePlacement 方法开始

# RootWindowContainer

    // 这个方法加上了trace
    void performSurfacePlacement() {
        Trace.traceBegin(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER, "performSurfacePlacement");
        try {
            performSurfacePlacementNoTrace();
        } finally {
            Trace.traceEnd(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER);
        }
    }
    // 主要干活的还是这个
    void performSurfacePlacementNoTrace() {
        ......
        // Trace
        Trace.traceBegin(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER, "applySurfaceChanges");
        // 开启Surface事务
        mWmService.openSurfaceTransaction();
        try {
            // 重点* 1. 处理Surface事务
            applySurfaceChangesTransaction();
        } catch (RuntimeException e) {
            Slog.wtf(TAG, "Unhandled exception in Window Manager", e);
        } finally {
            // 关闭Surface事务
            mWmService.closeSurfaceTransaction("performLayoutAndPlaceSurfaces");
            Trace.traceEnd(TRACE_TAG_WINDOW_MANAGER);
        }
        ......
        // 重点* 2. 处理App事务
        checkAppTransitionReady(surfacePlacer);
        ......
    }

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