Android Framework 窗口子系统（08）窗口动画之动画系统框架

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本章关键点总结 & 说明：

导图是不断迭代的，这里主要关注➕ 左上角 Android 窗口动画系统部分（因为导图是在太大，因此这里做了分层处理）。子导图展开后如下所示：

在这张图⬆️上，我们主要关注下方的动画系统框架即可。一方面从WMS入口开始解读动画系统，了解Animator各种类型和作用，另一方面从解读WindowStateAnimator开始解读了动画关键流程：动画选择和设置、Transformation计算、动画渲染。

1 动画系统框架

这里以Animator为研究入口研究WMS动画子系统框架，即WMS的scheduleAnimationLocked为入口，用于启动动画，代码如下

/** Note that Locked in this case is on mLayoutToAnim */
void scheduleAnimationLocked() {if (!mAnimationScheduled) {//避免重复发送mAnimationScheduled = true;mChoreographer.postCallback( //处理mAnimator.mAnimationRunnable，mAnimator是WMS所有动画的管理者Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, mAnimator.mAnimationRunnable, null);}
}

这里专注分析Animator(属于WindowAnimator类)的mAnimationRunnable实现，代码如下：

WindowAnimator(final WindowManagerService service) {mService = service;mContext = service.mContext;mPolicy = service.mPolicy;mAnimationRunnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (mService.mWindowMap) {mService.mAnimationScheduled = false;//渲染一帧动画animateLocked();}}};}

动画的渲染在animateLocked函数中。WindowAnimator的animateLocked实现如下：

// Locked on mService.mWindowMap.
private void animateLocked() {if (!mInitialized) {return;}//获取时间戳mCurrentTime = SystemClock.uptimeMillis();mBulkUpdateParams = SET_ORIENTATION_CHANGE_COMPLETE;boolean wasAnimating = mAnimating;mAnimating = false;SurfaceControl.openTransaction();SurfaceControl.setAnimationTransaction();try {//遍历，处理旋转动画和窗口的动画final int numDisplays = mDisplayContentsAnimators.size();for (int i = 0; i < numDisplays; i++) {final int displayId = mDisplayContentsAnimators.keyAt(i);//关键点1：处理AppWindowAnimator动画，更新Transform，影响surface位置updateAppWindowsLocked(displayId);DisplayContentsAnimator displayAnimator = mDisplayContentsAnimators.valueAt(i);//关键点2：处理旋转动画final ScreenRotationAnimation screenRotationAnimation =displayAnimator.mScreenRotationAnimation;if (screenRotationAnimation != null && screenRotationAnimation.isAnimating()) {if (screenRotationAnimation.stepAnimationLocked(mCurrentTime)) {mAnimating = true;} else {mBulkUpdateParams |= SET_UPDATE_ROTATION;screenRotationAnimation.kill();displayAnimator.mScreenRotationAnimation = null;if (mService.mAccessibilityController != null&& displayId == Display.DEFAULT_DISPLAY) {mService.mAccessibilityController.onRotationChangedLocked(mService.getDefaultDisplayContentLocked(), mService.mRotation);}}}//关键点3：处理WindowStateAnimator动画，更新Transform值updateWindowsLocked(displayId);updateWallpaperLocked(displayId);final WindowList windows = mService.getWindowListLocked(displayId);final int N = windows.size();for (int j = 0; j < N; j++) {//关键点4：渲染动画，将集合AppWindowAnimator、ScreenRotationAnimator、WindowStateAnimator的Transformation集合到一起//修改surface的layer、matrix、alpha、等属性，进而实现动画的渲染。windows.get(j).mWinAnimator.prepareSurfaceLocked(true);}}//关键点5：屏幕旋转效果for (int i = 0; i < numDisplays; i++) {final int displayId = mDisplayContentsAnimators.keyAt(i);testTokenMayBeDrawnLocked(displayId);final ScreenRotationAnimation screenRotationAnimation =mDisplayContentsAnimators.valueAt(i).mScreenRotationAnimation;if (screenRotationAnimation != null) {screenRotationAnimation.updateSurfacesInTransaction();}mAnimating |= mService.getDisplayContentLocked(displayId).animateDimLayers();if (mService.mAccessibilityController != null && displayId == Display.DEFAULT_DISPLAY) {mService.mAccessibilityController.drawMagnifiedRegionBorderIfNeededLocked();}}if (mAnimating) {mService.scheduleAnimationLocked();}mService.setFocusedStackLayer();if (mService.mWatermark != null) {mService.mWatermark.drawIfNeeded();}} catch (RuntimeException e) {} finally {SurfaceControl.closeTransaction();}boolean hasPendingLayoutChanges = false;final int numDisplays = mService.mDisplayContents.size();//关键点6：渲染Dimming 效果for (int displayNdx = 0; displayNdx < numDisplays; ++displayNdx) {final DisplayContent displayContent = mService.mDisplayContents.valueAt(displayNdx);final int pendingChanges = getPendingLayoutChanges(displayContent.getDisplayId());if ((pendingChanges & WindowManagerPolicy.FINISH_LAYOUT_REDO_WALLPAPER) != 0) {mBulkUpdateParams |= SET_WALLPAPER_ACTION_PENDING;}if (pendingChanges != 0) {hasPendingLayoutChanges = true;}}//关键点7：安排下一帧处理boolean doRequest = false;if (mBulkUpdateParams != 0) {//布局系统 "解压到" 动画系统doRequest = mService.copyAnimToLayoutParamsLocked();}//如果有必要，重新布局，WMS 安排下一帧处理if (hasPendingLayoutChanges || doRequest) {mService.requestTraversalLocked();}//如果有必要，有动画处于运行状态，WMS 安排下一帧处理if (!mAnimating && wasAnimating) {mService.requestTraversalLocked();}
}

对该函数流程做个总结：

通过updateAppWindowsLocked 计算AppWindowToken动画在当前时间所需要的变化。
对每一个DisplayContentAnimator，计算旋转动画在当前时间所需要的变化。
针对DisplayConten的每一个窗口，计算其动画在当前时间所需要的变化。
针对DisplayConten的每一个窗口，将上述3个动画同时应用到窗口的surface上，实现窗口帧的渲染。
渲染效果动画，包括屏幕旋转和dim效果。
动画系统“解压到”布局系统。
WMS安排下一帧处理。

该函数并不只是运行一个动画，而是一批保存在各个Animator中的动画。

WindowAnimator的组成分析：窗口管理结构由以下三种成员组成：DisplayContent、WindowToken和WindowState，分别对应屏幕、显示组件和窗口本身。动画系统也是与之对应的组成结构，分别是：

以屏幕为动画目标的DisplayContentAnimator
以Activty为目标动画的AppWindowAnimator
以窗口为动画目标的WindowStateAnimator

而WindowAnimator是协调它们的管理者，另外WMS不仅管理窗口动画，还有特效动画，比如Dimming和屏幕旋转等，因此与之对应的还有DimAnimator和ScreenRotationAnimation。。。这里对上面的Animator作用进行说明：

DisplayContentAnimator：存储位于其屏幕上的其他类型Animator。（比如ScreenRotateAnimation、DimAnimator。。）
AppWindowAnimator：对AppWindowToken进行动画处理，动画用于表现Activity的进入和退出
WindowStateAnimator：窗口动画处理，窗口动画就是surface动画
ScreenRotateAnimation：处理转屏动画，窗口应用在其他所属屏幕所有窗口之上
DimAnimator：实现Dimming效果，这个动画对象本身是一块黑色surface，需要Dimming效果时，DimAnimator会将这块surface以一定透明度衬于需要Dimming效果的窗口之下（why用Animator来做？提供舒服的淡入淡出效果）

同时，Animator类的从属关系如下所示：

接下来分析各个Animator的原理；影响窗口显示和位置的Animator主要有三类：WindowStateAnimator、AppWindowAnimator、ScreenRotationAnimation。后面主要以WindowStateAnimator为主。

2 WindowStateAnimator

窗口对象WindowState中定义了类型为WindowStateAnimator的成员变量mWinAnimator，用来表示窗口的动画对象。 WindowState保存了窗口管理方面的属性，WindowStateAnimator保存了窗口的surface属性，前者注重窗口管理，后者注重窗口显示，WindowStateAnimator的关键成员变量如下所示：

成员变量	含义
mSurface	保存了窗口Surface，同时也是WSA的动画目标
mWin	保存了WSA所对应的窗口
mAnimDw和mAnimDh	屏幕上排除状态栏/导航栏等系统窗口后供应用程序显示的区域尺寸
mAnimation	由WMS设置给Animation类的动画对象，保存了WMS要求窗口执行的动画
mAnimLayer	最终显示次序，基于mLayer的修正
mAlpha和mShownAlpha	均表示窗口透明度
mAnimating	表示窗口是否处于正在显示动画的过程中
mLocalAnimating	表示窗口的动画是否已经初始化过了。一个动画只有经过初始化后才会开始执行
mAnimationIsEntrance	记录动画类型，是退出还是进入动画。applyAnimationLocked()函数中会更新这个变量
mHasTransformation	表示Activity组件是否具有切换动画
mHasLocalTransformation	表示窗口本身是否具有切换动画，这个也不太好理解
mLocalAnimating	表示正在播放窗口本身动画
mTransformation	它是一个矩阵变换类Transformation对象，里面保存着一个apha通道值，一个3*3矩阵Matrix，这个变量只有在播窗口动画的时候才会更改。{android定义了一些可用的动画，比如渐变、缩小、放大、切换等，这些动画都实现了applyTransformation()函数，如果自定义动画，那么也要实现这个方法，这个方法的输入是当前的一个描述进度的浮点数(0.0 ~ 1.0)，输出是一个Transformation，保存在mTransformation中。}
mDsDx、mDtDx、mDsDy、mDtDy	这4个变量组合起来就是surface的变换矩阵，通过Surface.setMatrix方法可以改变Surface最终显示角度和缩放尺寸
mSurfaceControl	SurfaceControl对象
mDrawState	表示该窗口的绘制状态，有5个状态：NO_SURFACE、DRAW_PENDING、COMMIT_DRAW_PENDING、READY_TO_SHOW、HAS_DRAWN.

@1 动画选择与设置

WMS的relayoutWindow函数中，窗口由不可见到可见时，执行了WSA中关键的语句WSA.applyAnimationLocked,该方法会为窗口开始一个淡入动画，将窗口显示出来，代码如下：

boolean applyAnimationLocked(int transit, boolean isEntrance) {if ((mLocalAnimating && mAnimationIsEntrance == isEntrance)|| mKeyguardGoingAwayAnimation) {if (mAnimation != null && mKeyguardGoingAwayAnimation&& transit == WindowManagerPolicy.TRANSIT_PREVIEW_DONE) {applyFadeoutDuringKeyguardExitAnimation();}return true;}if (mService.okToDisplay()) {//mPolicy.selectAnimationLw是为状态栏、导航栏分配特殊的动画//通过 selectAnimationLw 获取合适的资源int anim = mPolicy.selectAnimationLw(mWin, transit);int attr = -1;Animation a = null;if (anim != 0) {//如果WMP为当前窗口指定了动画资源，则选择此动画a = anim != -1 ? AnimationUtils.loadAnimation(mContext, anim) : null;} else {switch (transit) {case WindowManagerPolicy.TRANSIT_ENTER:attr = com.android.internal.R.styleable.WindowAnimation_windowEnterAnimation;//...case WindowManagerPolicy.TRANSIT_HIDE:attr = com.android.internal.R.styleable.WindowAnimation_windowHideAnimation;break;}if (attr >= 0) {a = mService.mAppTransition.loadAnimationAttr(mWin.mAttrs, attr);}}if (a != null) {//关键点：保存选取的animation对象setAnimation(a);mAnimationIsEntrance = isEntrance;}} else {clearAnimation();}return mAnimation != null;
}

继续分析setAnimation，代码如下：

public void setAnimation(Animation anim) {setAnimation(anim, -1);
}public void setAnimation(Animation anim, long startTime) {if (localLOGV) Slog.v(TAG, "Setting animation in " + this + ": " + anim);mAnimating = false;mLocalAnimating = false;//保存选择的anim到mAnimationmAnimation = anim;mAnimation.restrictDuration(WindowManagerService.MAX_ANIMATION_DURATION);mAnimation.scaleCurrentDuration(mService.getWindowAnimationScaleLocked());// Start out animation gone if window is gone, or visible if window is visible.//初始化mTransformationmTransformation.clear();mTransformation.setAlpha(mLastHidden ? 0 : 1);mHasLocalTransformation = true;mAnimationStartTime = startTime;
}

WMS通过transit向WSA提出动画意图，WMP和WSA据此意图选择一个动画保存在mAnimation中。在WMS的relayoutWindow函数后，调用performLayoutAndPlaceSurfacesLocked函数，所有需要绘制的窗口根据各自动画的谁知重新调整窗口Surface的变化矩阵和透明度；如果还有窗口动画需要显示，继续调用scheduleAnimationLocked方法准备下一帧。

@2 Transformation计算（animateLocked延续分析）

当前正在显示的动画有两种类型，一种的窗口切换动画，一种是Activity切换动画，这里使用了mLocalAnimating和mHasLocalTransformation分别表示窗口的动画状态。WindowAnimator在执行animateLocked时，调用updateWindowLocked()方法，代码实现如下：

private void updateWindowsLocked(final int displayId) {//...for (int i = windows.size() - 1; i >= 0; i--) {WindowState win = windows.get(i);WindowStateAnimator winAnimator = win.mWinAnimator;final int flags = win.mAttrs.flags;boolean canBeForceHidden = mPolicy.canBeForceHidden(win, win.mAttrs);boolean shouldBeForceHidden = shouldForceHide(win);if (winAnimator.mSurfaceControl != null) {//...计算WSA的变换final boolean nowAnimating = winAnimator.stepAnimationLocked(mCurrentTime);//...}// If the window doesn't have a surface, the only thing we care about is the correct// policy visibility.else if (canBeForceHidden) {if (shouldBeForceHidden) {win.hideLw(false, false);} else {win.showLw(false, false);}}//处理WSA绘制状态，当状态为READY_TO_SHOW时，执行performShowLocked，将状态切换为HAS_DRAWNfinal AppWindowToken atoken = win.mAppToken;if (winAnimator.mDrawState == WindowStateAnimator.READY_TO_SHOW) {if (atoken == null || atoken.allDrawn) {if (winAnimator.performShowLocked()) {setPendingLayoutChanges(displayId,WindowManagerPolicy.FINISH_LAYOUT_REDO_ANIM);}}}/*更新的AppWindowAnimator的thumbnailLayer遍历所有窗口过程中，找到最靠前的窗口显示次序作为窗口所属的AppWindowToken缩略图的显示次序*/final AppWindowAnimator appAnimator = winAnimator.mAppAnimator;if (appAnimator != null && appAnimator.thumbnail != null) {//...}//...} // end forall windows//...
}

updateWindowLocked中调用了stepAnimationLocked来更新Transform的值，该值在后面调用prepareSurfaceLocked时会影响surface的最终位置。这里的stepAnimationLocked是WindowStateAnimator类中显示动画首先调用的方法，它会初始化WindowStateAnimator对象的一些成员变量，代码实现如下：

boolean stepAnimationLocked(long currentTime) {mWasAnimating = mAnimating;final DisplayContent displayContent = mWin.getDisplayContent();if (displayContent != null && mService.okToDisplay()) {// We will run animations as long as the display isn't frozen.if (mWin.isDrawnLw() && mAnimation != null) {//窗口准备好绘制了，窗口动画对象不为空mHasTransformation = true;mHasLocalTransformation = true;if (!mLocalAnimating) {//还没有初始化窗口对象mAnimation.initialize(mWin.mFrame.width(), mWin.mFrame.height(),mAnimDw, mAnimDh);//初始化窗口对象final DisplayInfo displayInfo = displayContent.getDisplayInfo();mAnimDw = displayInfo.appWidth;mAnimDh = displayInfo.appHeight;mAnimation.setStartTime(mAnimationStartTime != -1? mAnimationStartTime: currentTime);// 设置为true代表已经初始化窗口对象mLocalAnimating = true;mAnimating = true;}//没有设置窗口动画或者窗口动画结束了if ((mAnimation != null) && mLocalAnimating) {mLastAnimationTime = currentTime;if (stepAnimation(currentTime)) {return true;}}}mHasLocalTransformation = false;if ((!mLocalAnimating || mAnimationIsEntrance) && mAppAnimator != null&& mAppAnimator.animation != null) {// 如果有Activity动画，将mAnimating设为true mAnimating = true;mAnimating = true;mHasTransformation = true;mTransformation.clear();return false;} else if (mHasTransformation) {mAnimating = true;} else if (isAnimating()) {mAnimating = true;}} else if (mAnimation != null) {mAnimating = true;}if (!mAnimating && !mLocalAnimating) {return false;}mAnimating = false;mKeyguardGoingAwayAnimation = false;mLocalAnimating = false;//...mAnimLayer = mWin.mLayer;//...mTransformation.clear();//...return false;
}

这里继续分析stepAnimation，代码如下：

private boolean stepAnimation(long currentTime) {if ((mAnimation == null) || !mLocalAnimating) {return false;}mTransformation.clear();final boolean more = mAnimation.getTransformation(currentTime, mTransformation);return more;}

通过mAnimation.getTransformation来更新Transformation的值。

@3 动画渲染

在WindowAnimator的animateLocked中，更新Transform后，调用WindowList中每个WindowStateAnimator的prepareSurfaceLocked 方法来完成计算一帧动画并显示工作，代码实现如下：

public void prepareSurfaceLocked(final boolean recoveringMemory) {final WindowState w = mWin;//...计算要显示的动画帧参数computeShownFrameLocked();//设置变换到surfacesetSurfaceBoundariesLocked(recoveringMemory);//如果是壁纸窗口，隐藏if (mIsWallpaper && !mWin.mWallpaperVisible) {hide();//如果窗口不可见，隐藏} else if (w.mAttachedHidden || !w.isOnScreen()) {hide();mAnimator.hideWallpapersLocked(w);if (w.mOrientationChanging) {w.mOrientationChanging = false;}//每个值是否有变化} else if (mLastLayer != mAnimLayer || mLastAlpha != mShownAlpha|| mLastDsDx != mDsDx || mLastDtDx != mDtDx|| mLastDsDy != mDsDy || mLastDtDy != mDtDy|| w.mLastHScale != w.mHScale || w.mLastVScale != w.mVScale|| mLastHidden) {displayed = true;mLastAlpha = mShownAlpha;mLastLayer = mAnimLayer;mLastDsDx = mDsDx;mLastDtDx = mDtDx;mLastDsDy = mDsDy;mLastDtDy = mDtDy;w.mLastHScale = w.mHScale;w.mLastVScale = w.mVScale;if (mSurfaceControl != null) {try {//设置透明度mSurfaceAlpha = mShownAlpha;mSurfaceControl.setAlpha(mShownAlpha);//设置窗口显示次序mSurfaceLayer = mAnimLayer;mSurfaceControl.setLayer(mAnimLayer);//设置窗口矩阵mSurfaceControl.setMatrix(mDsDx * w.mHScale, mDtDx * w.mVScale,mDsDy * w.mHScale, mDtDy * w.mVScale);if (mLastHidden && mDrawState == HAS_DRAWN) {//输出动画帧 if (showSurfaceRobustlyLocked()) {mLastHidden = false;if (mIsWallpaper) {mService.dispatchWallpaperVisibility(w, true);}mAnimator.setPendingLayoutChanges(w.getDisplayId(),WindowManagerPolicy.FINISH_LAYOUT_REDO_ANIM);} else {w.mOrientationChanging = false;}}if (mSurfaceControl != null) {w.mToken.hasVisible = true;}} catch (RuntimeException e) {if (!recoveringMemory) {mService.reclaimSomeSurfaceMemoryLocked(this, "update", true);}}}} else {displayed = true;}if (displayed) {if (w.mOrientationChanging) {if (!w.isDrawnLw()) {mAnimator.mBulkUpdateParams &= ~SET_ORIENTATION_CHANGE_COMPLETE;mAnimator.mLastWindowFreezeSource = w;} else {w.mOrientationChanging = false;}}w.mToken.hasVisible = true;}
}

关键数据说明：

mAnimLayer表示窗口的Z轴
mShownAlpha窗口透明度；
mDsDx、mDtDx、mDsDy和mDtDy表示二维变换矩阵；
w.mHScale、w.mVScale表示窗口的缩放比例

该函数先执行computeShownFrameLocked函数，计算当前需要显示的动画帧数据，之后分析计算出的数据，设置surface，这一帧中窗口的位置发生了变化，同时，这里只有计算出的数据和上一次数据不一样才会调用showSurfaceRobustlyLocked输出动画帧。

系统框架整体总结：

WindowAnimator是一个强大的驱动器，多种类型Animator在此基础上有条不紊完成各自渲染工作。
在WindowAnimator之下有各种类型的Animator，掌管不同类型对象的动画。它们是WindowStateAnimator、AppWindowAnimator、ScreenRotationAnimation、DimAnimator以及DisplayContentsAnimator，除DimAnimator和DisplayContentsAnimator外，其他类型Animator都有一个stepAnimationLocked()函数用以计算当前时间下动画对象所需的变换。
WindowStateAnimator不仅要进行动画变换的计算，还要管理窗口的Surface，且所有其他类型的Animator变换都要汇集到WindowStateAnimator中完成窗口最终的变换计算。