Android Framework底层原理之WMS的启动流程

一概述

今天，我们介绍 WindowManagerService（后续简称 WMS）的启动流程，WMS 是 Android 系统中，负责窗口显示的的服务。在 Android 中它也起着承上启下的作用。

如下图，就是《深入理解 Android》书籍中的一张图。

图中展示了，WMS 在 Android 系统的地位，它作为中间层，连接了上层的 View 框架和下层的 SurfaceFingler。了解了 WMS 的工作机制，我们就彻底打通了上层 VIew 到底层 Surface，甚至到显示器如何显示的逻辑。

接下来，我们依旧从 WMS 的启动开始，来看 WMS 是如何启动的。

二从 SystemServer 开始

2.1 startOtherServices

[frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java]
private void startOtherServices(@NonNull TimingsTraceAndSlog t) {

	WindowManagerService wm = null;
	
	// 这里传入的 PhoneWindowManager 就是 WMS 中的 WindowManagerPolicy
	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);
	
	// 将 WMS 设置到 AMS 中
	mActivityManagerService.setWindowManager(wm);
	
	wm.onInitReady();

	...

	try {
		wm.displayReady();
	} catch (Throwable e) {
		reportWtf("making display ready", e);
	}

	...

	try {
		wm.systemReady();
	} catch (Throwable e) {
		reportWtf("making Window Manager Service ready", e);
	}

	...

	// 更新上下文中，关于显示窗口相关的属性
	final Configuration config = wm.computeNewConfiguration(DEFAULT_DISPLAY);
	DisplayMetrics metrics = new DisplayMetrics();
	context.getDisplay().getMetrics(metrics);
	context.getResources().updateConfiguration(config, metrics);

}

和 AMS 不同的是，WMS 的启动是在 SystemServer 的 startOtherServices 中，启动过程依旧是我们之前提过的构造、注册，只是少了 onStart 这个步骤。

并且，在 WMS 启动之后，还会陆续调用一些其他的函数

onInitReady
displayReady
systemReady
updateConfiguration

接下来，我们会根据 WMS 启动过程中调用的函数，以此查看它们具体的实现原理。

从 AMS 和 WMS 的启动，我们可以看出来，它们都是隶属于 SystemServer 进程的，根据之前我们对应用和 AMS 的了解，也经常看到它们交互的流程中，有 WMS 的身影，所以虽然说是应用和 AMS，WMS 的通信，实际上就是应用和 SystemServer 进程的通信。

2.2 main

[frameworks/base/services/core/java/com/android/server/wm/WindowManagerService.java]
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,
			new DisplayWindowSettingsProvider(), SurfaceControl.Transaction::new, Surface::new,
			SurfaceControl.Builder::new);
}

public static WindowManagerService main(final Context context, final InputManagerService im,
		final boolean showBootMsgs, final boolean onlyCore, WindowManagerPolicy policy,
		ActivityTaskManagerService atm, DisplayWindowSettingsProvider
		displayWindowSettingsProvider, Supplier<SurfaceControl.Transaction> transactionFactory,
		Supplier<Surface> surfaceFactory,
		Function<SurfaceSession, SurfaceControl.Builder> surfaceControlFactory) {
	DisplayThread.getHandler().runWithScissors(() ->
			sInstance = new WindowManagerService(context, im, showBootMsgs, onlyCore, policy,
					atm, displayWindowSettingsProvider, transactionFactory, surfaceFactory,
					surfaceControlFactory), 0);
	return sInstance;
}

在 WMS 的 main 函数中主要做了两件事

创建了一个 WMS 对象
将这个 WMS 对象传递给了 DisplayThread

我们首先看这个 WMS 对象的构造函数

三 WindowManagerService

3.1 WMS 的构造函数

private WindowManagerService(Context context, InputManagerService inputManager,
		boolean showBootMsgs, boolean onlyCore, WindowManagerPolicy policy,
		ActivityTaskManagerService atm, DisplayWindowSettingsProvider
		displayWindowSettingsProvider, Supplier<SurfaceControl.Transaction> transactionFactory,
		Supplier<Surface> surfaceFactory,
		Function<SurfaceSession, SurfaceControl.Builder> surfaceControlFactory) {
	installLock(this, INDEX_WINDOW);

	// ActivityTaskManagerService
	mGlobalLock = atm.getGlobalLock();
	mAtmService = atm;
	mContext = context;
	mIsPc = mContext.getPackageManager().hasSystemFeature(FEATURE_PC);
	mAllowBootMessages = showBootMsgs;
	...

	// 输入法管理
	mInputManager = inputManager; // Must be before createDisplayContentLocked.
	// 显示管理
	mDisplayManagerInternal = LocalServices.getService(DisplayManagerInternal.class);

	// Surface 图像相关
	mSurfaceControlFactory = surfaceControlFactory;
	mTransactionFactory = transactionFactory;
	mSurfaceFactory = surfaceFactory;
	mTransaction = mTransactionFactory.get();

	mPolicy = policy;
	// 窗口动画
	mAnimator = new WindowAnimator(this);
	// 根窗口容器
	mRoot = new RootWindowContainer(this);

	final ContentResolver resolver = context.getContentResolver();
	mUseBLAST = Settings.Global.getInt(resolver,
		Settings.Global.DEVELOPMENT_USE_BLAST_ADAPTER_VR, 1) == 1;

	mSyncEngine = new BLASTSyncEngine(this);

	mWindowPlacerLocked = new WindowSurfacePlacer(this);
	mTaskSnapshotController = new TaskSnapshotController(this);

	mWindowTracing = WindowTracing.createDefaultAndStartLooper(this,
			Choreographer.getInstance());

	LocalServices.addService(WindowManagerPolicy.class, mPolicy);

	mDisplayManager = (DisplayManager)context.getSystemService(Context.DISPLAY_SERVICE);

	mKeyguardDisableHandler = KeyguardDisableHandler.create(mContext, mPolicy, mH);

	mPowerManager = (PowerManager)context.getSystemService(Context.POWER_SERVICE);
	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) {
					final boolean enabled = result.batterySaverEnabled;
					if (mAnimationsDisabled != enabled && !mAllowAnimationsInLowPowerMode) {
						mAnimationsDisabled = enabled;
						dispatchNewAnimatorScaleLocked(null);
					}
				}
			}
		});
		mAnimationsDisabled = mPowerManagerInternal
				.getLowPowerState(ServiceType.ANIMATION).batterySaverEnabled;
	}
	mScreenFrozenLock = mPowerManager.newWakeLock(
			PowerManager.PARTIAL_WAKE_LOCK, "SCREEN_FROZEN");
	mScreenFrozenLock.setReferenceCounted(false);

	mDisplayNotificationController = new DisplayWindowListenerController(this);

	// AMS 相关
	mActivityManager = ActivityManager.getService();
	mActivityTaskManager = ActivityTaskManager.getService();
	mAmInternal = LocalServices.getService(ActivityManagerInternal.class);
	mAtmInternal = LocalServices.getService(ActivityTaskManagerInternal.class);
	... 
}

WMS 的构造函数的代码非常长，其中有包含各种服务，我们这里只关注和我们应用 Activity 相关的，还有和显示相关的窗口容器 RootWindowContainer，还有和刷新相关的 Surface。

3.2 runWithScissors

另外，在 main 函数中，还调用了一个 runWithScissors，这个函数是 Handler 中定义的函数，这里我们简单看一下。

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");
	}

	if (Looper.myLooper() == mLooper) {
		r.run();
		return true;
	}

	BlockingRunnable br = new BlockingRunnable(r);
	return br.postAndWait(this, timeout);
}

runWithScissors 是 Handler 中的函数，用一句话概括就是，如果发送消息的线程与 Handler 处理的线程相同，就直接调用。如果不同，就阻塞调用。

3.3 onInitReady

public void onInitReady() {
	initPolicy();

	// Add ourself to the Watchdog monitors.
	Watchdog.getInstance().addMonitor(this);
	createWatermark();
	showEmulatorDisplayOverlayIfNeeded();
}

3.4 initPolicy

private void initPolicy() {
	UiThread.getHandler().runWithScissors(new Runnable() {
		@Override
		public void run() {
			WindowManagerPolicyThread.set(Thread.currentThread(), Looper.myLooper());
			// mPolicy 其实就是 PhoneWindowManager【5.1】
			mPolicy.init(mContext, WindowManagerService.this, WindowManagerService.this);
		}
	}, 0);
}

mPolicy 其实是 PhoneWindowManager，runWithScissors 前面介绍过了，如果是当前线程，就直接运行，如果不是当前线程，就阻塞运行。

所以这里是在 android.ui 线程中，运行 mPolicy 的初始化逻辑。

3.5 createWatermark

void createWatermark() {
	if (mWatermark != null) {
		return;
	}

	File file = new File("/system/etc/setup.conf");
	FileInputStream in = null;
	DataInputStream ind = null;
	try {
		in = new FileInputStream(file);
		ind = new DataInputStream(in);
		String line = ind.readLine();
		if (line != null) {
			String[] toks = line.split("%");
			if (toks != null && toks.length > 0) {
				// TODO(multi-display): Show watermarks on secondary displays.
				final DisplayContent displayContent = getDefaultDisplayContentLocked();
				mWatermark = new Watermark(displayContent, displayContent.mRealDisplayMetrics,
						toks, mTransaction);
				mTransaction.apply();
			}
		}
	} ...
}

createWatermark 创建系统水印（只能显示文字）。

3.6 displayReady

[frameworks/base/services/core/java/com/android/server/wm/WindowManagerService.java]
public void displayReady() {
	synchronized (mGlobalLock) {
		if (mMaxUiWidth > 0) {
			mRoot.forAllDisplays(displayContent -> displayContent.setMaxUiWidth(mMaxUiWidth));
		}
		applyForcedPropertiesForDefaultDisplay();
		mAnimator.ready();
		mDisplayReady = true;
		// createWatermark重新配置所有显示器大小
		mRoot.forAllDisplays(DisplayContent::reconfigureDisplayLocked);
		// 是否触屏
		mIsTouchDevice = mContext.getPackageManager().hasSystemFeature(
				PackageManager.FEATURE_TOUCHSCREEN);
		mIsFakeTouchDevice = mContext.getPackageManager().hasSystemFeature(
				PackageManager.FEATURE_FAKETOUCH);
	}

	try {
		// ATMS
		mActivityTaskManager.updateConfiguration(null);
	} catch (RemoteException e) {
	}
}

displayReady 就是初始化显示器大小。

3.7 systemReady

[frameworks/base/services/core/java/com/android/server/wm/WindowManagerService.java]
public void systemReady() {
	mSystemReady = true;
	
	// 调用 PhoneWindowManager 的 systemReady
	mPolicy.systemReady();
	// 调用 DisplayPolicy 的 systemReady
	mRoot.forAllDisplayPolicies(DisplayPolicy::systemReady);
	// 调用 TaskSnapshotController 的 systemReady
	mTaskSnapshotController.systemReady();
	mHasWideColorGamutSupport = queryWideColorGamutSupport();
	mHasHdrSupport = queryHdrSupport();
	// 加载系统设置
	UiThread.getHandler().post(mSettingsObserver::loadSettings);
	// VR
	IVrManager vrManager = IVrManager.Stub.asInterface(
			ServiceManager.getService(Context.VR_SERVICE));
	if (vrManager != null) {
		try {
			final boolean vrModeEnabled = vrManager.getVrModeState();
			synchronized (mGlobalLock) {
				vrManager.registerListener(mVrStateCallbacks);
				if (vrModeEnabled) {
					mVrModeEnabled = vrModeEnabled;
					mVrStateCallbacks.onVrStateChanged(vrModeEnabled);
				}
			}
		} catch (RemoteException e) {
			// Ignore, we cannot do anything if we failed to register VR mode listener
		}
	}
}

3.8 computeNewConfiguration

public Configuration computeNewConfiguration(int displayId) {
	synchronized (mGlobalLock) {
		return computeNewConfigurationLocked(displayId);
	}
}

3.9 computeNewConfigurationLocked

private Configuration computeNewConfigurationLocked(int displayId) {
	if (!mDisplayReady) {
		return null;
	}
	final Configuration config = new Configuration();
	final DisplayContent displayContent = mRoot.getDisplayContent(displayId);
	displayContent.computeScreenConfiguration(config);
	return config;
}

displayId 表示的是显示设备的 id，这两段代码，就是通过 mRoot（RootWindowContainer）获取显示指定设备的 DisplayContent。说人话就是，通过显示器的 id，获取显示器对应的实例类 DisplayContent。

四 DisplayThread

[frameworks/base/services/core/java/com/android/server/DisplayThread.java]
public final class DisplayThread extends ServiceThread {
    private static DisplayThread sInstance;
    private static Handler sHandler;

	private DisplayThread() {
		// DisplayThread 运行重要的东西，但 AnimationThread 更重要。因此，优先级设置为 THREAD_PRIORITY_DISPLAY + 1
		// THREAD_PRIORITY_DISPLAY 的值为 -4，
		super("android.display", Process.THREAD_PRIORITY_DISPLAY + 1, false /*allowIo*/);
	}

DisplayThread 就是 Android 中的 android.display 线程，它的优先级为 THREAD_PRIORITY_DISPLAY + 1，THREAD_PRIORITY_DISPLAY 值为 -4，所以 android.display 线程的优先级是 -3。

再回到【2.2】中，WMS 的 main 函数是通过 android.display 线程完成的，并且在 android.display 线程中，对 android.ui 线程进行了初始化。

五 UIThread

public final class UiThread extends ServiceThread {
    private static final long SLOW_DISPATCH_THRESHOLD_MS = 100;
    private static final long SLOW_DELIVERY_THRESHOLD_MS = 200;
    private static UiThread sInstance;
    private static Handler sHandler;

    private UiThread() {
        super("android.ui", Process.THREAD_PRIORITY_FOREGROUND, false /*allowIo*/);
    }

    @Override
    public void run() {
        // Make sure UiThread is in the fg stune boost group
        Process.setThreadGroup(Process.myTid(), Process.THREAD_GROUP_TOP_APP);
        super.run();
    }

UiThread 和 DisplayThread 一样，也是继承自 ServiceThread，它的线程名是 android.ui，优先级是 THREAD_PRIORITY_FOREGROUND，值为-2,所以 android.ui 线程的优先级是 -2。

六 PhoneWindowManager

PhoneWindowManager 是 WindowManagerPolicy 的实现类，它定义了手机窗口、处理输入事件以及与系统 UI 交互的策略和行为。

PhoneWindowManager 中的函数有很多，这里我们列举一个，其中的按键分发的函数 interceptKeyBeforeQueueing。

6.1 interceptKeyBeforeQueueing

[frameworks\base\services\core\java\com\android\server\policy\PhoneWindowManager.java]
public int interceptKeyBeforeQueueing(KeyEvent event, int policyFlags) {
	final int keyCode = event.getKeyCode();
	final boolean down = event.getAction() == KeyEvent.ACTION_DOWN;
	boolean isWakeKey = (policyFlags & WindowManagerPolicy.FLAG_WAKE) != 0
			|| event.isWakeKey();

	if (!mSystemBooted) {
		// 系统启动前，只监听电源按键
		if (down && (keyCode == KeyEvent.KEYCODE_POWER
				|| keyCode == KeyEvent.KEYCODE_TV_POWER)) {
			wakeUpFromPowerKey(event.getDownTime());
		} else if (down && (isWakeKey || keyCode == KeyEvent.KEYCODE_WAKEUP)
				&& isWakeKeyWhenScreenOff(keyCode)) {
			wakeUpFromWakeKey(event);
		}
		// 拦截掉电源键
		return 0;
	}


	// interceptKeyBeforeQueueing 主要就是对手机按键的事件拦截，这里我们简单列举几个
	// 返回键，音量键等等。
	switch (keyCode) {
		case KeyEvent.KEYCODE_BACK: {
			if (down) {
				mBackKeyHandled = false;
			} else {
				if (!hasLongPressOnBackBehavior()) {
					mBackKeyHandled |= backKeyPress();
				}
				// Don't pass back press to app if we've already handled it via long press
				if (mBackKeyHandled) {
					result &= ~ACTION_PASS_TO_USER;
				}
			}
			break;
		}

		case KeyEvent.KEYCODE_VOLUME_DOWN:
		case KeyEvent.KEYCODE_VOLUME_UP:

返回值是一个整型，如果是 0 就表示被拦截，一开始的电源按键我们就看到了，在系统没有启动前，电源按键只能用于系统启动，但是系统启动后，电源按键就可以用于其他的作用了，例如语音助手。

PhoneWindowManager 这个类主要的作用有：

按键的分发
窗口的管理

这里我们就不扩展了，后面遇到实际的场景再来说明。

七总结

WMS 的启动流程比较简单，主要就是启动了两个线程 "android.display" 和 "android.ui"

如果你还没有掌握Framework，现在想要在最短的时间里吃透它，可以参考一下《Android Framework核心知识点》，里面内容包含了：Init、Zygote、SystemServer、Binder、Handler、AMS、PMS、Launcher……等知识点记录。

《Framework 核心知识点汇总手册》:`https://qr18.cn/AQpN4J`

Handler 机制实现原理部分：
1.宏观理论分析与Message源码分析
2.MessageQueue的源码分析
3.Looper的源码分析
4.handler的源码分析
5.总结

Binder 原理：
1.学习Binder前必须要了解的知识点
2.ServiceManager中的Binder机制
3.系统服务的注册过程
4.ServiceManager的启动过程
5.系统服务的获取过程
6.Java Binder的初始化
7.Java Binder中系统服务的注册过程