Android(安卓)4.4(KitKat)窗口管理子系统 - 体系框架 - android

原文地址：http://blog.csdn.net/jinzhuojun/article/details/37737439

窗口管理系统是Android中的主要子系统之一，它涉及到App中组件的管理，系统和应用窗口的管理和绘制等工作。由于其涉及模块众多，且与用户体验密切相关，所以它也是Android当中最为复杂的子系统之一。一个App从启动到主窗口显示出来，需要App，ActivityManagerService（AMS），WindowManagerService（WMS），SurfaceFlinger（SF）等几个模块相互合作。App负责业务逻辑，绘制自己的视图；AMS管理组件、进程信息和Activity的堆栈及状态等等；WMS管理Activity对应的窗口及子窗口，还有系统窗口等；SF用于管理图形缓冲区，将App绘制的东西合成渲染在屏幕上。下面分几个部分进行分析。

窗口管理系统的主要框架及各模块之间的通讯接口大体如下：

基于Binder的本地过程调用（LPC）让Android的模块间耦合度更低，结构更加清晰。每个模块各司其职，并向其它模块提供接口。进程和uid这些Linux中的机制对这些模块提供了天然的保护，使得系统更加鲁棒。模块之间经常使用C/S的结构，而Service本身也可能是使用其它Service的Client。举例来说，如果Service的实现叫XXXManagerService，那一般它对Client提供接口IXXXManager，然后Client要用Service的时候便会申请一个叫BpXXXManager的代理对象，它是远端BnXXXManager本地对象在Client端的代理。代理对象BpXXManager实现了IXXXManager的所有接口，只不过里面的函数都是壳子，只负责参数的准备，然后就调用远端对象去执行。远端的的BnXXXManager对象及其继承类是真正做事的，BnXXXManager继承自IXXXManager.Stub抽象类，实现了IXXXManager接口。Stub就如其名字一样，是BnXXXManager的继承类在BnXXXManager中的“钩子”。通过调用这些接口便可以调用到远端的Service功能了。概念上类似远程gdb调试，host机上的gdb和guest上的gdbserver相连以后，在host上敲命令会让gdbserver去执行，但感觉就像是在host本地执行一样。这儿的gdbserver就提供了类似于Stub的功能。

这种远程调用模型的建立过程一般是分层次的。比如WindowManagerGlobal会与WMS进行连接，ViewRootImpl会与WMS中的Session进行连接，高层先与高层通信，同时帮助建立低层间的通信，然后低层与低层直接通信。打个比方，张三是A部门的员工，他想要和B部门合作搞一个活动，他一般不会直接冲过去B部门挨个问的。所以他先和自己的主管李四说，我要和B部门合作，于是李四找到B部门的主管王五，说你出个人吧。于是王五和赵六说，你负责这事儿吧，并告诉了A部门主管李四。李四再告诉下属张三，赵六是B部门接口人，你以后直接和他联系吧。于是张三和赵六以后就直接联系了。如果合作中有需要超越自己权限的操作，他们再向各自的主管申请。比如App与WMS的连接，首先会建立一个Session到WMS，之后就会通过IWindowSession接口与WMS中的Session直接通信。还有例如WMS和SF先创建SurfaceSession，其中会创建SurfaceComposerClient，访问SurfaceComposerClient时会在SF中创建Client与之对应，这个Client实现了ISurfaceComposerClient接口，之后SurfaceComposerClient会通过该接口与SF中的Client直接通信。

看代码过程中，各个对象间的数量及对应关系经常让人混淆，下面列举了在一般情况下各对象之间的实体关系图。其中标色的是相应子系统中比较基础核心的类。

要注意的几点：1. App中可以没有Activity，也可以没有PhoneWindow和DecorView，比如一个显示浮动窗口的Service。2. Task中的Activity可以来自不同进程，比如App运行过程中打开相机App拍照。3. WindowState代表WMS中的一个窗口，这和App端的Window类是不一样的，尽管很多时候一个Window类（即PhoneWindow）有一个对应的WindowState，但那不是绝对的。一个Activity在WMS中有对应的AppWindowToken，一个AppWindowToken又可以包含多个WindowState，因为除了主窗口外，还可能有子窗口和启动窗口。此外对于系统窗口，WindowState还可能不对应AppWindowToken。4.这里的Application指的是App端的一个进程，它不同于AndroidManifest.xml中的<application>标签。后者是配置文件中对组件的管理者，它和进程之间没有本质关系，通过android:process标签可以让同一个<application>下的组件跑在多个进程，也可以让多个<application>中的组件跑在同一个进程。所以如果是<application>定义的Application的话和ProcessRecord就是m:n的关系了。以下谈到Application都是指一个App的进程。

首先分析下App端的结构。移动平台一般显示区域有限，要完成一个工作往往不是一屏内容中能搞定的，所以Android中有了Activity的概念，让用户可以把相关的子内容放到单独的Activity中，然后通过Intent在Activity间跳转。类似于浏览网页，点击链接跳转到另一个网页。这些同一交互过程中的一系列Activity成为一个Task。这些Activity运行在主线程ActivityThread中。Activity要展现出来的主视图是DecorView，它是一棵视图树。ViewRootImpl负责管理这个视图树和与WMS交互，与WMS交互通过WindowManagerImpl和WindowManagerGlobal。DecorView被包含在系统的通用窗口抽象类Window当中。视图对应的图形缓冲区由Surface管理。其中涉及到的主要的类包括下面几个：

Activity：描述一个Activity，它是与用户交互的基本单元。

ActivityThread：每一个App进程有一个主线程，它由ActivityThread描述。它负责这个App进程中各个Activity的调度和执行，以及响应AMS的操作请求等。

ApplicationThread：AMS和Activity通过它进行通信。对于AMS而言，ApplicationThread代表了App的主线程。简而言之，它是AMS与ActivityThread进行交互的接口。注意ActivityThread和ApplicationThread之间的关系并不像Activity与Application。后者的关系是Application中包含了多个Activity，而前者ActivityThread和ApplicationThread是同一个东西的两种"View"，ApplicationThread是在AMS眼中的ActivityThread。

ViewRootImpl：主要责任包括创建Surface，和WMS的交互和App端的UI布局和渲染。同时负责把一些事件发往Activity以便Activity可以截获事件。每一个添加到WMS中的窗口对应一个ViewRootImpl，通过WindowManagerGlobal向WMS添加窗口时创建。大多数情况下，它管理Activity顶层视图DecorView。总得来说，它相当于MVC模型中的Controller。

ViewRootImpl::W：用于向WMS提供接口，让WMS控制App端的窗口。它可看作是个代理，很多时候会调用ViewRootImpl中的功能。这种内嵌类的用法很多，特别是这种提供接口的代理类，如PhoneWindow::DecorView等。

Instrumentation:官方提供的Hook，主要用于测试。如果只关注窗口管理流程的话可以先无视。

WindowManagerImpl：Activity中与窗口管理系统通信的代理类，实现类是WindowManagerGlobal。WindowManagerGlobal是App中全局的窗口管理模块，因此是个Singleton。其中管理着该App中的ViewRootImpl，DecorView等结构，以有两个Activity的App为例：

Window：每个App虽然都可以做得各不相同，但是作为有大量用户交互的系统，窗口之间必须要有统一的交互模式，这样才能减小用户的学习成本。这些共性比如title, action bar的显示和通用按键的处理等等。Window类就抽象了这些共性。另外，它定义了一组Callback，Activity通过实现这些Callback被调用来处理事件。注意要和在WMS中的窗口区分开来，WMS中的窗口更像是App端的View。

PhoneWindow：PhoneWindow是Window类的唯一实现，至少目前是。这样的设计下如果要加其它平台的Window类型更加方便。每个Activity会有一个PhoneWindow，在attach到ActivityThread时创建，保存在mWindow成员中。

Context：运行上下文，Activity和Service本质上都是一个Context，Context包含了它们作为运行实体的共性，如启动Activity，绑定Service，处理Broadcast和Receiver等等。注意Application也会有Context。Activity的Context是对应Activity的，Activity被杀掉（比如转屏后）后就变了。所以要注意如果有生命周期很长的对象有对Activity的Context的引用的话，转屏、返回这种会引起Activity销毁的操作都会引起内存泄露。而Application的Context生命周期是和App进程一致的。关于Context的类结构图有下面的形式。Context是抽象类，定义了接口。ContextImpl是Context的实现类，包含了实现。而ContextWrapper是Context的包装类，它把请求delegate给其中的ContextImpl类去完成。ContextThemeWrapper是ContextWrapper的装饰类，它在ContextWrapper的基础上提供了自定义的主题。这结构初看有点乱，但结合下面的Decorator模式就一目了然了。

Surface：这是在App端管理图形缓冲区的类，其中最重要的是图形缓冲区队列。经由WMS从SF中得到IGraphicBufferProducer接口对象BufferQueue后，Surface便可以从该队列中queue和dequeue图形缓冲区。SurfaceControl在WMS中封装了Surface以及与SF的交互。Canvas和Surface从字面意思上很像，但前者其实更确切地说不是“画布”，而是“画家”。Surface中的图形缓冲区才是App的画布。

上面这些基本类之间的主要关系如下：

其中比较重要的三个类的PhoneWindow，DecorView和ViewRootImpl。PhoneWindow和ViewRootImpl都包含了mDecor成员，它类型为DecorView，描述了Activity的根视图。它也是ViewRootimpl和PhoneWindow间的枢纽。类似的，PhoneWindow父类中的Callback是PhoneWindow与Activity的枢纽，而ViewRootImpl::W是ViewRootImpl和WMS间的枢纽。DecorView依次继承自FrameLayout，ViewGroup和View，因此它本质上是一个View，只是它是Activity最根部的View，它下面可能有很多Subview。DecorView描述App窗口视图，而它的更新是由ViewRootImpl来控制的。粗糙点说的话，如果用MVC模型来说的话，前者是View，后者是Controller。ViewRootImpl中的内嵌类W就是给WMS通信的接口。W的声明中有两个成员变量：mViewAncestor和mWindowSession，它一头连着App端的ViewRootImpl，一头连着WMS中的Session，且实现了IWindow的接口。意味着它是App和WMS的桥梁，是WMS用来回调App端，让ViewRootImpl做事用的。举例来说，dispatchAppVisibility()的流程就是经过它来完成的：WMS ->ViewRootImpl::W->ViewRootHandler->handleAppVisibility()->scheduleTraversals()。

Activity创建完后需要attach到主线程上。在attach()过程中会创建Window（实际是PhoneWindow），然后把PhoneWindow中的mCallback设为Activity。在PhoneWindow中两个关键内嵌类Callback和DecorView，Callback连接了Activity，DecorView连接了ViewRootImpl。这样，当ViewRootImpl有事件传来时，便可以沿着ViewRootImpl->DecorView->Window.Callback->Activity这条路来通知Activity。如按键事件就是通过这条路来传达的。

Android里还可以找到很多这种使用内嵌类来实现远端代理的例子，这种设计使得系统满足最小隔离原则，Client端该用到哪些接口就暴露哪些接口。注意这种类的函数都是跑在Binder线程中的，所以其中不能调用非线程安全的函数，也不能直接操作UI控件，所以一般都是往主线程消息队列里丢一个消息让其异步执行。

接下来，看下一个Activity的启动过程。以Launcher中启动一个App为例，比如在Launcher中我们点了一个图标启动一个App的Activity，Launcher里会执行：

Intent intent = new Intent("xxx");

startActivity(intent);

接下来的大体流程如下：

图比较大，抓大放小，看清里面的主要脉络即可，App与AMS交互流程主要分以下几步：

1. 原App通知AMS要起一个新Activity。

2.AMS创建相应数据结构，然后通知WMS创建相应数据结构，再通知原Activity暂停。

3. 原Activity暂停后通知AMS。

4.AMS创建新App进程，新App创建好后attach到AMS。AMS再通知新App创建Activity等相应数据结构。

流程上我们可以总结出模块间的异步工作模式：当一个模块要求另一个模块做特定任务时，一般是先调用目标模块的scheduleXXX()，这时目标模块的Binder线程只是向主线程发起一个异步请求，然后对方主线程在消息队列中被唤醒处理，执行处理函数handleXXX()。另外我们也注意到很多函数都是带有Locked后缀。这说明出来混，一定要申明自己是不是线程安全的。

为了使系统中的策略更加灵活，容易替换，系统使用了一些设计模式将之从其它逻辑中解耦。如IPolicy是一个工厂类接口，Policy为它的具体实现类。它负责创建一系列策略相关的对象，如makeNewWindow()创建PhoneWindow等。同时PolicyManager还使用了Strategy模式将Policy包装起来，这为策略的替换提供了便利，也使运行时更换策略成为可能。

虽然目前为止貌似只有一种针对“Phone”的策略，所以还没看到这样设计的好处。但是，一方面，也许将来在多合一的移动设备上，笔记本，平板什么的可以切换，那么Policy自然也需要动态切换。Android里还有很多把这种Policy单独拎出来的例子，如WindowManagerPolicy类。另一方面，Android作为一个框架，需要让各个厂商把Android用到自己的平台上更加容易适配。将来如果作为眼镜，车载，智能家电等等嵌入式设备的统一平台，如果将Policy与其它模块紧耦合，那这些个平台上的代码就会差异越来越大，越来越难维护。

下面以类图的方式具体看下各模块之间的通信关系：

图中App和AMS的交互通过Binder，使用了代理模式。从App调用AMS是通过ActivityManagerProxy代理对象，它是本地对象ActivityManagerNative在App端的代理，实现了IActivityManager接口，提供了startActivity()这样的AMS服务函数。而ActivityManagerNative的实现其实就是AMS本身。而从AMS调用App端用的是ApplicationThreadProxy代理对象，它实现了IApplicationThread接口，其对应的实现是ApplicationThreadNative本地对象，存在于App端，ApplicationThread是其实现类。AMS可以通过它来向App发出如scheduleXXX这些个异步消息。

Activity在AMS中的对应物是ActivityRecord，在WMS中对应物为AppWindowToken。ActivityRecord::Token可以看作ActivityRecord的一个远端句柄，在WMS和App中分别存于AppWindowToken和ActivityClientRecord之中。ActivityThread中的mActivities存放了远程ActivityRecord::Token到本地ActivityClientRecord的映射，由于这个Token是全局唯一的，所以还可以用来作为HashMap的Key。ActivityRecord::Token实现了IApplicationToken。当WMS要通知AMS窗口变化时，就是用的这个接口。

新启动的Activity的创建初始化主要是在handleLaunchActivity()中完成的。handleLaunchActivity()的作用是加载指定的Activity并运行。这其中在App端主要是创建ActivityThread，Activity，PhoneWindow，DecorView等对象，并调用Activity生命周期中的onCreate()，onResume()函数执行用户逻辑。正常点的App里onCreate里会调用setContentView设置主视图。setContentView()里主要是调用了installDecor()，其中会设置窗口的通用元素，如title, action bar之类，还会把xml文件inflate成布局对象。

可以看到这时创建了DecorView，这便是Activity的主窗口的顶层视图。DecorView创建好后，handleResumeActivity()中会将它添加到WMS中去。当App向WMS添加窗口时，会调用WindowManagerImpl的addView()。注意WindowManagerImpl中的addView()函数和ViewGroup里的addView()函数完全不一样，后者是将View加入到本地的View hierarchy中去，和WMS没有关系。addView()的流程如下：

首先通过WindowManagerImpl的addView()会创建对应的ViewRootImpl，然后ViewRootImpl申请WMS得到Session（如果是App第一个Activity会新建），其接口为IWindowSession，然后ViewRootImpl通过addToDisplay()把自己的ViewRootImpl::W（实现了IWindow接口）注册给WMS。这样，双方都有了对方的接口，WMS中的Session注册到WindowManagerGlobal的成员WindowSession中，ViewRootImpl:W注册到WindowState中的成员mClient中。前者是为了App改变View结构时请求WMS为其更新布局。后者代表了App端的一个添加到WMS中的View，每一个像这样通过WindowManager接口中addView()添加的窗口都有一个对应的ViewRootImpl，也有一个相应的ViewRootImpl::W。它可以理解为是ViewRootImpl中暴露给WMS的接口，这样WMS可以通过这个接口和App端通信。Session建立好后，接下来就是通过ViewRootImpl的setView将ViewRootImpl中的W注册到WMS中，WMS会创建相应数据结构，并将其插入内部维护的窗口堆栈，还会与SF建立Session以备将来为之创建Surface。addView()执行完后这个Activity的主视图就正式对WMS可见了。总结来说，addView()的工作主要包括创建ViewRootImpl，和远程WMS建立Session，并将当前视图注册到WMS这几步。可以看到App端通过WindowManagerGlobal调用addView()，调用链到WMS就变成addWindow()，概念发生了改变，这也印证上面提到的App端和WMS端的Window概念不一样的说法。

从以上Activity启动的整个流程可以看到，窗口的添加和管理需要AMS和WMS两个Service的配合。下面看看AMS与WMS的主要作用和结构。

AMS（ActivityManagerService）

Activity的管理者。其实除了Activity，AMS也管Service等组件信息，另外AMS还管理Process信息。下面是AMS几个关键数据结构：

ActivityRecord：描述单个Activity，Activity堆栈中的基本单元。

ActivityRecord::Token：对应ActivityRecord的IBinder对象，可以看作远程对象的本地句柄。可用于LPC，又可用来作映射中的unique ID，经常是两用的。

ProcessRecord：描述一个App进程，包含了该进程中的Activity和Service列表。

TaskRecord：TaskRecord中的mActivities是ActivityRecord的列表，它们是按照历史顺序排序的。

ActivityStack：Activity堆栈，其中的ActivityRecord是通过TaskRecord这一层间接地被管理着。

ActivityStackSupervisor：ActivityStackSupervisor是ActivityStack的总管。4.4中默认引入了两个ActivityStack，一个叫Home stack，放Launcher和systemui，id为0；另一个是Applicationstack，放App的Activity，id可能是任意值。定义如下：

137    /** The stack containing the launcher app*/138    private ActivityStack mHomeStack; 145    /** All the non-launcher stacks */146    private ArrayList<ActivityStack> mStacks = new ArrayList<ActivityStack>();

系统中的Activity堆栈信息可以通过dumpsys activity命令查看：

$ adb shell am stackboxesBox id=3 weight=0.0vertical=false bounds=[0,0][1280,736]Stack=  Stack id=3 bounds=[0,0][1280,736]    taskId=6:com.example.android.apis/com.example.android.apis.ApiDemos    taskId=7:com.android.camera/com.android.camera.Camera Box id=0 weight=0.0vertical=false bounds=[0,0][1280,736]Stack=  Stack id=0 bounds=[0,0][1280,736]    taskId=3:com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher

从dump信息可以看出，这大致是一个层级结构，从上到下依次是Stack->Task->Activity的结构。Stack放在ActivityStackSupervisor中的mStacks。它是一个列表，元素类型为ActivityStack。因此，基本元素ActivityRecord是以层级的结构被AMS管理起来的：

为什么引入了Task的概念呢？首先看下Task的官方定义“A task (from the activity that started it to the next task activity)defines an atomic group of activities that the user can move to.”。Task是为了完成一个功能的一系列相关的有序Activity集合，可以理解为用户与App之间对于特定功能的一次会话。一个Task中的Activity可以来自不同的App，比如在邮件App中需要看图片附件，然后会开imageview的Activity来显示它。根据不用的业务逻辑，我们会在启动Activity的Intent中设不同的FLAG（FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK，FLAG_ACTIVITY_MULTIPLE_TASK等），这些FLAG的处理中会对Task的处理，进而对Activity的调度产生影响。具体的FLAG可参见/frameworks/base/core/java/android/content/Intent.java。关于Task的官方介绍http://developer.android.com/guide/components/tasks-and-back-stack.html。

总得来说，上面这些个数据结构之间的关系如下

WMS（WindowManagerService）

窗口的管理者。与AMS不同，一些高层的App中的概念，如进程等，WMS是不care的。因为WMS只对窗口进行管理，哪个进程的它不关心。像Activity这些概念在WMS仍然有，因为Activity对窗口的管理会产生影响。

WMS主要责任是维护窗口堆栈，计算每个窗口的layer信息交给SF，替App申请和调整绘图Surface，当窗口显示状态变化了还要通知其它模块，另外还要处理系统输入。所以说，WMS可能是与其它模块交互最多的模块之一了。它与AMS，App，SF及Input等模块都交集。说到窗口管理，首先看一下Android中有哪些窗口。Android中大体有以下几种窗口类型：1.应用窗口，一般来说就是Activity的主窗口。但也有些情况App没有Activity，直接把自定义的View添加到WMS中，比如浮动窗口。2.子窗口，需要有一个父窗口，如Context Menu，Option Menu，Popup Window和Dialog等。3.系统窗口，如状态栏，锁屏窗口，输入法窗口，壁纸窗口和Toast之流，由系统创建的，不依赖于父窗口。

WMS中涉及到的主要数据结构有这么几个：

WindowState：WMS中最基本的元素，描述WMS中的一个窗口。它既可以是由App添加过来的View，也可以是系统创建的系统窗口。mAttrs为WindowManager.LayoutParams类型，描述布局参数。mClient为IWindow类型，也就是App端的ViewRootImpl::W。为了查找方便，WMS中的mWindowMap保存了IWindow到WindowState的映射，mTokenMap保存了IApplicationToken到WindowToken的映射。

Session：向App提供IWindowSession接口让其可以和WMS通信。每个App在WMS有一个Session对象，App就是通过这个Session来向WMS发出窗口管理申请的。命令dumpsys window sessions可以查看系统中的Session：

WINDOW MANAGERSESSIONS (dumpsys window sessions)  Session Session{b32d7d68 1404:u0a10008}:    mNumWindow=1 mClientDead=falsemSurfaceSession=android.view.SurfaceSession@b31adc20  Session Session{b32dd278 1326:u0a10007}:    mNumWindow=5 mClientDead=falsemSurfaceSession=android.view.SurfaceSession@b327b348  Session Session{b3290f68 1275:1000}:    mNumWindow=1 mClientDead=falsemSurfaceSession=android.view.SurfaceSession@b30a3890

SurfaceSession：WMS和SF之间的会话。每个App会在WMS中有一个对应的SurfaceSession，也会有一个相应的SurfaceComposerClient。用于向SF申请和设置图形缓冲区等。

WindowToken:描述WM中一组相关的窗口，这些Window对应的WindowState放在其成员变量windows里。其主要继承类AppWindowToken，它是针对App的WindowToken结构。WindowState中的mAppToken指向所属的AppWindowToken，如果是系统窗口，mAppToken为空，mToken指向WindowToken对象。

命令dumpsys window tokens用于查看WindowToken和AppWindowToken信息：

WINDOW MANAGERTOKENS (dumpsys window tokens)  All tokens:  WindowToken{b32921e8 null}:    windows=[Window{b333cd40 u0 SearchPanel},Window{b328d920 u0 Keyguard}, Window{b32961d8 u0 NavigationBar},Window{b32c6aa0 u0 StatusBar}, Window{b3292288 u0 KeyguardScrim}]    windowType=-1 hidden=false hasVisible=true  WindowToken{b3260980android.os.Binder@b3269d60}:    windows=[Window{b325c180 u0com.android.systemui.ImageWallpaper}]    windowType=2013 hidden=falsehasVisible=true  AppWindowToken{b322a358 token=Token{b3287ea0ActivityRecord{b3287c28 u0 com.android.launcher/com.android.launcher2.Launchert1}}}:    windows=[Window{b328b0c0 u0com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher}]    windowType=2 hidden=false hasVisible=true    app=true    allAppWindows=[Window{b328b0c0 u0com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher}]    groupId=1 appFullscreen=truerequestedOrientation=-1    hiddenRequested=false clientHidden=falsewillBeHidden=false reportedDrawn=true reportedVisible=true    numInterestingWindows=1 numDrawnWindows=1inPendingTransaction=false allDrawn=true (animator=true)    startingData=null removed=falsefirstWindowDrawn=true  WindowToken{b32b81c0android.os.Binder@b3228950}:    windows=[]    windowType=2011 hidden=falsehasVisible=false   Wallpaper tokens:  Wallpaper #0 WindowToken{b3260980android.os.Binder@b3269d60}:    windows=[Window{b325c180 u0com.android.systemui.ImageWallpaper}]    windowType=2013 hidden=falsehasVisible=true

AppWindowToken：每个App的Activity对应一个AppWindowToken。其中的appToken为IApplicationToken类型，连接着对应的AMS中的ActivityRecord::Token对象，有了它就可以顺着AppWindowToken找到AMS中相应的ActivityRecord。其中allAppWindows是一个无序的列表，包含该Activity中所有的窗口。用dumpsys window display可以查看z-ordered的AppWindowToken列表：

  Application tokens in Z order:  App #4 AppWindowToken{b31c2128token=Token{b3235c98 ActivityRecord{b324c8a0 u0com.example.android.apis/.view.PopupMenu1 t9}}}:    windows=[Window{b32a5eb8 u0com.example.android.apis/com.example.android.apis.view.PopupMenu1}]    windowType=2 hidden=false hasVisible=true    app=true   allAppWindows=[Window{b32a5eb8 u0com.example.android.apis/com.example.android.apis.view.PopupMenu1},Window{b32eb6f0 u0 PopupWindow:b2ff5368}]    groupId=9 appFullscreen=truerequestedOrientation=-1    hiddenRequested=false clientHidden=falsewillBeHidden=false reportedDrawn=true reportedVisible=true    numInterestingWindows=2 numDrawnWindows=2inPendingTransaction=false allDrawn=true (animator=true)    startingData=null removed=falsefirstWindowDrawn=true  App #3 AppWindowToken{b3429e18token=Token{b31c5e58 ActivityRecord{b31e8ff0 u0com.example.android.apis/.ApiDemos t9}}}:    windows=[Window{b32a39f8 u0com.example.android.apis/com.example.android.apis.ApiDemos}]    windowType=2 hidden=true hasVisible=true    app=true    allAppWindows=[Window{b32a39f8 u0com.example.android.apis/com.example.android.apis.ApiDemos}]    groupId=9 appFullscreen=truerequestedOrientation=-1    hiddenRequested=true clientHidden=truewillBeHidden=false reportedDrawn=false reportedVisible=false    numInterestingWindows=1 numDrawnWindows=1inPendingTransaction=false allDrawn=true (animator=true)    startingData=null removed=falsefirstWindowDrawn=true  App #2 AppWindowToken{b32ccde0token=Token{b333d128 ActivityRecord{b32dcf10 u0com.example.android.apis/.ApiDemos t9}}}:    windows=[Window{b320fd28 u0com.example.android.apis/com.example.android.apis.ApiDemos}]    windowType=2 hidden=true hasVisible=true    app=true    allAppWindows=[Window{b320fd28 u0com.example.android.apis/com.example.android.apis.ApiDemos}]    groupId=9 appFullscreen=truerequestedOrientation=-1    hiddenRequested=true clientHidden=truewillBeHidden=false reportedDrawn=false reportedVisible=false    numInterestingWindows=1 numDrawnWindows=1inPendingTransaction=false allDrawn=true (animator=true)    startingData=null removed=falsefirstWindowDrawn=true  App #1 AppWindowToken{b321ff58token=Token{b321d860 ActivityRecord{b321d990 u0com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher t1}}}:    windows=[Window{b3268018 u0com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher}]    windowType=2 hidden=true hasVisible=true    app=true    allAppWindows=[Window{b3268018 u0com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher}]    groupId=1 appFullscreen=truerequestedOrientation=-1    hiddenRequested=true clientHidden=truewillBeHidden=false reportedDrawn=false reportedVisible=false    numInterestingWindows=1 numDrawnWindows=1inPendingTransaction=false allDrawn=true (animator=true)    startingData=null removed=falsefirstWindowDrawn=true

注意AppWindowToken是对应Activity的，WindowState是对应窗口的。所以AppWindowToken和WindowState是1:n的关系。举例来说，上面第一项AppWindowToken，它包含了PopupWindow子窗口，所以有对应两个WindowState。一般地说，一个Activity可能包含多个窗口，如启动窗口，PopupWindow等，这些窗口在WMS就会组织在一个AppWindowToken中。AppWindowToken及WindowState间的从属结构及WindowState间的父子结构可以通过以下成员表示。

Task：上面提到AppWindowToken保存了属于它的WindowState的有序列表，而它本身也作为一个列表被管理在TaskStack中的mTasks成员中，并且是按历史顺序存放的，最老的Task在最底下。结合前面的AppWindowToken和WindowState之间的关系，可以了解到它们是以这样一个层级的关系组织起来的：

这个结构是不是很眼熟，AMS里也有类似的结构。WMS里的TaskStack，对应前面AMS中的ActivityStack，这两者及其子结构会保持同步。从中我们可以发现，WMS和AMS中的数据结构是有对应关系的，如AMS中的TaskRecord和WMS中的Task，AMS中的ActivityRecord和WMS中的AppWindowToken。另外WMS中TaskStack的mTasks需要和AMS中ActivityStack的mTaskHistory顺序保持一致。

DisplayContent：表示一个显示设备上的内容，这个显示设备可以是外接显示屏，也可以是虚拟显示屏。其中mWindows是一个WindowState的有序（Z-ordered，底部最先）列表。mStackBoxes包含了若干个StackBox，其中一个为HomeStack，另一个是App的StackBox。所有的StackBox被组织成二叉树，StackBox是其中的节点，其中有三个重要成员变量，mFirst和mSecond指向左和右子结点（也是StackBox），StackBox的成员mStack才是我们真正关心的东西-TaskStack。可以看到，为了要把TaskStack存成树的结构，需要一个容器，这个容器就是StackBox。DisplayContent，StackBox和TaskStack的关系如下：

StackBox信息可以用am stack boxes或dumpsys window displays命令查看：

$ adb shell am stackboxesWARNING: linker:libdvm.so has text relocations. This is wasting memory and is a security risk.Please fix.Box id=2 weight=0.0vertical=false bounds=[0,33][800,1216]Stack=  Stack id=2 bounds=[0,33][800,1216]    taskId=3:com.android.contacts/com.android.contacts.activities.PeopleActivity Box id=0 weight=0.0vertical=false bounds=[0,33][800,1216]Stack=  Stack id=0 bounds=[0,33][800,1216]    taskId=1:com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher      mStackId=2      {taskId=3appTokens=[AppWindowToken{b3332498 token=Token{b33006c0 ActivityRecord{b32ecbb0u0 com.android.contacts/.activities.PeopleActivity t3}}}]}

上面是正常情况下的，用am stack create命令可以创建分屏窗口（详见http://androidinternalsblog.blogspot.com/2014/03/split-screens-in-android-exist.html），如：

$ adb shell am stackcreate 7 3 0 0.5createStack returnednew stackId=4

然后再查看stack信息就变成了这样：

$ adb shell am stackboxesBox id=3 weight=0.5vertical=false bounds=[0,0][1280,736]First child=  Box id=4 weight=0.0 vertical=falsebounds=[0,0][640,736]  Stack=    Stack id=4 bounds=[0,0][640,736]      taskId=7:com.android.camera/com.android.camera.CameraSecond child=  Box id=5 weight=0.0 vertical=falsebounds=[640,0][1280,736]  Stack=    Stack id=3 bounds=[640,0][1280,736]      taskId=6:com.example.android.apis/com.example.android.apis.ApiDemos Box id=0 weight=0.0vertical=false bounds=[0,0][1280,736]Stack=  Stack id=0 bounds=[0,0][1280,736]    taskId=3:com.android.launcher/com.android.launcher2.Launcher

可见，在分屏情况下，这个结构以二叉树的形式分裂，形成这样的结构：

除了TaskStack，DisplayContent中的成员mTaskHistory也包含了一个有序的Task列表。结合上面几个概念，可以得到下面的关系：

逻辑上，一个Task（Task）可以包含多个Activity（对应AppWindowToken），每个Activity可以包含多个窗口（对应WindowState），而每个窗口都是可能被放在任意一个显示屏上的（想象一个Windows操作系统中外接显示器的情况），因此就有了上面这个结构。从这个结构可以看出，WMS的主要任务之一就是维护各窗口的Z-order信息。Z轴可看作是屏幕法向量方向上的坐标轴，值越大的层意味着离用户越近，会把值小的窗口给盖住。一方面，WMS需要知道各窗口的遮挡关系来做layout和分配释放Surface，另一方面，这个Z-order信息会转化为窗口对应Surface的layer属性输出到SF，指导SF的渲染。

那么，这个列表是怎么管理的呢？我们知道，每个窗口在WMS都有对应的WindowState，因此，本质上我们需要维护一个Z-order排序的WindowState列表。首先，TaskStack中包含了历史序的Task，每个Task又包含了Z-ordered的AppWindowToken，AppWindowToken的成员windows又包含了一个Z-ordered的WindowState列表。前面提到过，一个AppWindowToken对应AMS中的一个ActivityRecord，因此这个列表包含了这个Activity中的所有窗口，子窗口，开始窗口等。另一方面，DisplayContent中也有一个成员mWindows，指向一个Z-ordered的WindowState列表（列队越前面的在越底部），它描述的是单个显示屏上的窗口集合。在添加窗口时会通过addAppWindowToListLocked()函数往这个窗口堆栈插入元素。由于插入过程要考虑子窗口，开始窗口等的偏移量，往DisplayContent的mWindows插入元素时需考虑WindowToken中的windows列表。得到DisplayContent中的mWindows列表后，之后会调用assignLayersLocked()来根据这个Z-order列表信息得到每个窗口的layer值。WindowState的列表可以用dumpsys window windows命令查看：

WINDOW MANAGERWINDOWS (dumpsys window windows)  Window #7 Window{b32b2110 u0 SearchPanel}:    mDisplayId=0 mSession=Session{b32369b81326:u0a10007} mClient=android.os.BinderProxy@b3222788    mOwnerUid=10007 mShowToOwnerOnly=falsepackage=com.android.systemui appop=NONE    mAttrs=WM.LayoutParams{(0,0)(fillxfill)gr=#800053 sim=#31 ty=2024 fl=#1820100 fmt=-3 wanim=0x10301f5}    Requested w=800 h=1216 mLayoutSeq=37    mHasSurface=falsemShownFrame=[0.0,0.0][0.0,0.0] isReadyForDisplay()=false    WindowStateAnimator{b32f06d8 SearchPanel}:      mShownAlpha=0.0 mAlpha=1.0 mLastAlpha=0.0...  Window #2 Window{b3282e18 u0com.example.android.apis/com.example.android.apis.ApiDemos}:    mDisplayId=0 mSession=Session{b32cfba03137:u0a10045} mClient=android.os.BinderProxy@b31faaf8    mOwnerUid=10045 mShowToOwnerOnly=truepackage=com.example.android.apis appop=NONE    mAttrs=WM.LayoutParams{(0,0)(fillxfill)sim=#110 ty=1 fl=#1810100 pfl=0x8 wanim=0x10302f5}    Requested w=800 h=1216 mLayoutSeq=82    mHasSurface=truemShownFrame=[0.0,0.0][800.0,1216.0] isReadyForDisplay()=true    WindowStateAnimator{b32df438com.example.android.apis/com.example.android.apis.ApiDemos}:      Surface: shown=true layer=21010 alpha=1.0rect=(0.0,0.0) 800.0 x 1216.0...

总结一下，WMS服务端的类结构图：

设计中比较灵活的一个地方是其中的WindowManagerPolicy这个类，它采用了Strategy模式，将策略相关的部分抽象出来，用PhoneWindowManager实现。它也是前面提到的Policy工厂模式的一部分。虽然现在PhoneWindowManager是唯一的继承类，这种结构看似可有可无，但如果以后厂商要加其它的策略，或更改已有策略，这种设计就能够提供良好的灵活性。

以上就是AMS和WMS的大体框架。粗糙地说，AMS管理Activity，Service和Process等信息，WMS管理应用和系统窗口。这两者既有联系又有很大不同，Activity一般有窗口，Service可以有也可以没有窗口，而窗口不一定非要对应Activity或者Service。只是很多时候一个Activity中就一个顶层视图，对应WMS一个窗口，所以会给人一一对应的错觉，但这两者其实没有直接关系。这就造就了AMS，WMS两大模块，虽然其中数据结构有很多是保持同步的，但是设计上让它们分开，各司其职，异步工作。从窗口管理的流程来说，App负责视图树的管理和业务逻辑。AMS管理和调度所有App中的组件，通知WMS组件的状态信息。WMS帮App到SF申请和调整Surface，同时计算维护窗口的布局，z-order等信息，另外当显示状态发生变化时，WMS还要通知App作出调整。SF从WMS拿到各窗口对应Surface的属性和layer信息，同时从App拿到渲染好的图形缓冲区，进行进一步的合并渲染，放入framebuffer，最后用户就能在屏幕上看到App的窗口了。

Android(安卓)4.4(KitKat)窗口管理子系统 - 体系框架

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