Android显示概述

装X的副标题：门外汉视角看我的Android代码是如何显示到你的手机屏幕上的
本文属于科普文，不会涉及到代码，为方便说明会有一些术语。

目的：本文(尽力)从软件层说明用户看到的各种UI在Android系统是如何被组织并显示到屏幕上的。

受众：使用过Android设备，对Android知识有兴趣，但并不打算真的做Android开发的人。也欢迎Android开发人员来挑毛病。

0. 概要

本文依次从View -> Window -> Surface三层说明Android的显示逻辑，另外会简单介绍显示的VSYNC刷新机制。

1. UI元素 - View

Android平台提供了一些用于显示的UI元素。按照能否在其中添加子元素分为两类：

比如显示文字的TextView、显示图片的ImageView、按钮Button、多选框CheckBox、开关Switch等。不能在其中添加子元素，一般称为控件widget。
还有一些用来组织控件的元素，比如帧布局FrameLayout、线性布局LinearLayout、相对布局RelativeLayout、可滑动容器ScrollView、列表ListView等。这些元素可以在其中添加子元素，可以是第一类也可以是第二类。

虽然分为两类，但是所有的的UI元素均基于同一个基础类View进行扩展，只是第二类是在View的子类ViewGroup的基础上扩展出来的。为了达到复杂或者特殊的效果，可能需要开发人员自行扩展View。

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2. UI组织方式 - Window

Android中的每个UI页面是以树的形式来组织这些UI元素，也就是说有一个根元素，然后向下一层层往里填充子元素，xml格式的布局文件也说明了这个逻辑。因为是包含关系，所以父元素的属性会影响到子元素的显示，比如尺寸、透明度等。

开发人员绘制UI页面，就是把各种元素按照期望的UI效果进行组合配置/布局，所以看起来类似的效果，可能每个开发人员对UI元素的组织方式并不相同。

一个一个的UI页面称为Window，系统通过控制Window的显示和隐藏来切换用户看到的功能。

Screenshot_1543149842.png

为了实现不同的效果，Android提供的基础Window有：Activity、Dialog和Toast，也允许自定义的Window，比如系统带的状态栏、虚拟导航栏，输入法键盘，还有一些应用做的悬浮图标等。

Activity是最通用的UI界面，可以实现“全屏”的UI。
Dialog用来实现非全屏的UI，一般作为辅助UI，用来给用户提示、确认、选择等。
Toast扩展性比较差，只是用来短暂显示一个提示消息，一定时间后自动消失。
自定义的Window，可以通过标准API实现。

备注：

Activity虽说是全屏，但是也可以实现成非全屏的效果。
Google也在提供新的View控件替换Dialog和Toast，因为这两中Window不方便管理生命周期，比如DialogFragment和SnackBar。

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3. 绘制 - Surface

不论是Activity、Dialog，还是其他各种自定义Window，都是由Android平台的窗口管理服务WindowManager控制，处理窗口的显示、隐藏、摆放和层叠。

窗口的创建、销毁和刷新整体逻辑是由WindowManager控制。其中UI元素的创建、刷新和销毁逻辑，是树状的视图内部由上向下一级一级自行的处理。

那WindowManager中的这些Window又是如何被绘制呢？

这块有一个概念Surface，Surface可以认为是一张内存画布，用来“绘制”Window的UI。Surface由Android的另一个框架服务SurfaceFlinger管理。

每个Window关联一个Surface，Window的UI被绘制在Surface上，SurfaceFlinger把当前可见的Surface（不同Window可见的部分）进行合并，合并为一屏幕(一层)的内容。然后这一屏内容被SurfaceFlinger通过显示驱动绘制到图形芯片/显卡的存储，这个绘制是由CPU和GPU完成的。

Window -> Surface
WindowManager -> SurfaceFlinger

Android也允许应用不用普通View，直接在Surface上绘制（SurfaceView...）

Screenshot_1547378948.png

4. 刷新 - VSync(垂直同步信号量)

至此我们得到了一帧的图像，那手机屏幕连续的变化 - 视频是如何显示的呢？

老生常谈：视频是由称为“帧”的单个图片，平滑动画通常为每秒60帧。帧由像素组成，当显示器绘制帧时，逐行填充像素。

VSYNC.png

理想情况下，显示器在完成绘制前一帧后从图形芯片/显卡获取下一帧数据，并逐行绘制。显示器的更新频率是稳定的，CPU和GPU绘制的时间是不固定的。当在LCD绘图过程中产生了一个新帧时，即屏幕刷新和显卡数据刷新不同步，就会出现撕裂，显示一帧的一部分，另一帧的一部分。

VSync是一个同步的东西，就是用来保证屏幕和数据的刷新同步。屏幕每次刷新之前就会发送一个信号告诉系统，现在准备刷新了，然后系统再去调用CPU和GPU进行UI更新，得到一帧新的数据进行显示。

Android一直使用VSync来防止屏幕撕裂，大多数Android显示器运行在60帧/秒左右（60Hz）。为了有一个平滑的感受，必须实际上能够处理每秒60帧 - 这意味着有16毫秒来处理每一帧。如果花费的时间超过16ms，就会卡顿。

总结

整体逻辑：每次屏幕定时刷新时，发出VSync信号，当前可见的Window调用内部视图树把UI元素“绘制”到跟Window绑定的Surface，SurfaceFlinger把所有窗口可见的部分Surface内容合成一屏内容，发送到图形芯片的存储，显示器从存储中获取这样的一帧数据进行显示。

0. 概要

1. UI元素 - View

2. UI组织方式 - Window

3. 绘制 - Surface

4. 刷新 - VSync(垂直同步信号量)

总结

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