1．Introduce

本文档的主要目的是记录Android 窗口子系统的研究成果，同时帮助读者理解Android窗口管理的基本概念和窗口管理的基本框架。文章后续段落内容安排如下：

首先，我们从应用程序的角度出发，对参与窗口管理的各个Module，通过图示的方式向读者展示它们之间的关系，帮助读者从宏观上建立窗口管理的概念。其次，我们会从窗口管理的整体结构出发，讲述窗口管理的Client和Server空间构成以及他们之间的结构关系。最后，我们会列出窗口管理涉及到的关键数据结构，针对这些数据结构的深入理解需要读者结合Android Source Code进行学习。

2．The Relationship between Application and WMS

参与窗口管理的Module，从源码角度来说是特别多，但由于Android窗口管理采用了C/S结构，所以从整体结构划分，对于一个确定的Module要么属于Client端，要么属于Service端。从这个角度出发我们就很容易理解窗口管理各个Module的生命周期和具体功能。所以在理解的时候，我们更多的应该以接口的概念去理解他们之间的关系，同时在理解的过程中要有进程空间的概念。为了文档书写方便，文档后续出现的缩写WMS代表WindowManagerService；AMS代表ActivityManagerService。

Application，Session与WMS之间的关系图，从应用程序的角度展现了Android系统窗口管理的宏观结构。从图中我们可以看到每一个Application与WMS交互的过程中，它们各自处于自己的Session之中。所以说系统中启动了多少个对View有需求的Application，系统中就会有多少个Session存在。而这些Session实例都由WMS统一维护和管理。

2.2 Application，ViewManager和Session之间的关系：

每个Application实例对应一个ViewManager实例， ViewManager负责管理Application内部所有的View，从图中我们可以看到，这里的ViewManager并不是一个独立的Service，它是Application的一个组成部分，换句话说就是应用程序中的一个数据结构，但这个结构的实例对于应用程序是一个单例模式。我们之前讲到一个Application对应一个Session，同样也是因为对于一个确定的Application，其内部维护的由WMS分配的Session实例也是一个单例模式。

2.3 Application，View，ViewGroup和ViewManager之间的关系：

每个Application可以有多个View存在，这些View都属于这个Application，它们都由Application内部的ViewManager统一管理和维护，针对这些View的管理主要包括View的添加，删除和更新操作。而多个View又可以组成一个或多个ViewGroup。ViewGroup本身可以认为就是一个逻辑单元，它也是一个View。只是它可以包含其它的View或ViewGroup。图中的View，ViewManager都属于各自Application进程空间。

从之前的分析我们知道，在Android系统中，Application与WMS之间的交互处于各自的Session之中，每个Application通过ViewManager对其内部的所有View进行管理;Application内部的View可以以单个View或ViewGroup的形式存在。

2.4 Application，Activity，Session，WindowState和WMS之间的关系：

在此之前我们都是从Application的角度出发，去观察和分析与窗口管理有关的各个Component之间的关系。我们知道与View打交道的模块，肯定是有显示需求的模块，至少是属于展现层的模块。在Android中，Application只是一个宏观结构，包含多个Components, 更多的是充当一个资源容器的概念，但并不是所有的Components都有View需求。Application的所有Components中，只有Activity Component是直接与View进行交互的。所以接下来，我们对Application与窗口管理之间关系的研究将落实到Activity与窗口管理之间的关系研究上。

一个Application可以包含多个Activity，而一个Activity又可以包含嵌套其它的Activity和View。所以从功能上说Activity就应该至少包含一个View或ViewGroup。在实际窗口管理中，Application的概念会被淡化，只是作为Activity及应用程序其它资源的容器。而参与窗口管理更多的是Activity，或者说是Activity的View。

我们知道一个Application对应一个Session, 那么属于一个Application的所有Activity都工作在同一个Session中，如图4所示。

图5向我们展示了Application,Activity，Window，Session和WMS之间的关系，一般情况下，一个Activity会创建一个Window，而一个Window在WMS内部对应一个WindowState。

当然,如果一个Activity内部包含了特殊的View，或者在创建过程中创建了对话框类型，Popup类型的其它组件，或者通过ViewManager将View直接加入WMS，在这些情况下，那么一个Activity就会创建多个Window，相应的WMS中也会对应多个WindowState，如图6所示：

接下来我们会看到在单独的一个Session空间内，一个普通的Activity（不包含特殊View和其它类型Window）内部View构成，以及它与WMS之间的关系。

首先我们看到在Activity空间内，有DecorView, View，ViewGroup。其中DecorView是一个相对比较抽象的概念，我们可以把它理解为窗口的根View，或者说它与窗口直接关联；他们共同构成了Activity的View系统，当然他们之间的界限并不是特别明确，并不是每一个Activity必须完全包含这三个View组件，可能把View和Window联系起来更容易理解，而不是把View和Activity联系起来。对应的在WMS空间内与这个Activity对应的两个重要结构分别是AppWindowToken和WindowState。AppWindowToken是Activity在WMS空间内的表示，或者映射元素；WindowState是Window，或者说是Window对应的根View（DecorView）在WMS空间内的表示。

当一个Activity启动之后，首先它会向WMS中添加相应的AppWindowToken，当然添加AppWindowToken的动作并不是由Activity直接发出的，而是由AMS向WMS发起的。随后在向WMS内添加Window根View(DecorView)的时候创建对应的WindowState。添加Window的过程如下图所示：

Activity首先要附着在一个主窗口之上。Android中的Window表示Top-Level顶级窗口的概念。DecorView是Window的Top-Level View,是Window的根View，之前说过，Activity会附着在主窗口上，更准确的应该说是DecorView需要附着在主窗口上。主View在底层对应ViewRoot对象，然后通过ViewRoot将构造一个IWindow对象，然后通过这个IWindow对象将该View加入到WMS中，WMS使用WindowState与这个View对应，WindowState中引用该View对应的IWindow对象，通过该对象WindowState可以回调客户端的方法，与客户端进行通信。

ViewRoot实际是一个Handle，ViewRoot建立主View与WMS通讯的桥梁。ViewRoot在本质上是一个Handle，那么它的主要责任就是负责处理回调和发送消息。具体负责将Client端的请求发送给Server端的WMS,同时它接收WMS端的消息，把它分发给Client端的View。

一个完整的窗口概念横跨了View， ViewRoot, WMS。对于Android窗口管理的C/S结构，作为Client端的Activity通过Session会话与WindowManagerService建立对话，而作为Server端的WMS则通过IWindow接口访问Client,将消息传递到Client端，再通过Client端的消息分发渠道，将消息发送到具体的View上。

3．Window Manager Architecture

窗口管理主要涉及两大部分，View显示和事件处理。和结合文档前一章节的的图示，我们就以Activity作为我们狭义上窗口管理的Client端。从最初对窗口管理的认识出发，那么Client端最重要的数据结构应该是Window。实际上，我们通过前面的分析，Client端最重要的结构应该是Window的根View，即DecorView。Android系统中Window作为对窗口的抽象类，它描述了一个窗口所具有的特征。而通过为Window添加根View，才真正的与WMS之间建立起窗口管理的通道。Client端的空间如下图所示：

在Activity在performLaunchActivity()时，会使用Activity.attach()建立PhoneWindow主窗口。DecorView实际上是一个ViewGroup，从View之间的层次关系上来讲，对主窗口来说DecorView是Top-Level View。handleResumeActivity真正要启动一个Activity时，会将主窗口的DecorView通过ViewManager最终加入到WMS中。

Window在Client端不同阶段的抽象描述我们可以认为分别是DecorView，ViewRoot。那么Window在和Server端的核心抽象描述为WindowState。WMS作为Android窗口管理的核心，包含了窗口管理的两大核心系统：显示系统和输入系统。随着Android系统的不断发展，Android窗口管理系统也发生了很多变化，尤其是在输入事件处理上有很大的改变。

图10展现了Android系统窗口管理的结构。图中描述了从Activity启动，添加View到它能接收并处理事件的一个过程：包括焦点切换流程和输入事件处理流程。

首先：我们从标示为Views的部分出发，这个区域可以对应所有的Activity空间，或者对应所有的ViewRoot。在这里我们以普通Activity为例，对于每一个Activity，我们要启动它，需要完成两件事：向AMS发送启动请求，要求启动该Activity，向WMS发送请求，添加该Activity附着窗口的DecorView。也就是图中V--àA和V--àW两条路径。这两个过程并不是单一并行的，应该说是相互伴随，首先在V--àA的过程中，AMS会将Activity对应的AppWindowToken添加到WMS中，这个过程可以用A--àW路径表示，要明确的是并不是A--àW路径只表示添加Activity 的Token。随后进入Activity向WMS请求添加Window根View的过程中，也就是V--àW表示的路径。首先获取该Activity对应的AppWindowToken, 然后以此来创建对应的WindowState。并在创建的过程中创建该WindowState的InputHandle实例，在底层完成创建之后将InputEvent Channel的client端返回给Activity，也就是ViewRoot。这个过程可以用图中W--àH和W---àA的过程。W--àH是通过InputManager创建接收输入事件的通道Channel，然后把这个Channel的一端通过W--àA返回给A端。这里利用了Linux命名管道技术，这样A端就可以利用返回的Channel描述符直接读取H端的KeyEvent和MotionEvent两种事件，事件传递的过程也就是H-àChannel，Channel-àA的过程。在Activity启动之后，由于Activity的启动，View的焦点随之发生了变化，AMS会向WMS发送消息，通知WMS当前Focus Activity是谁，也就是A-àW过程。WMS通过当前FocusActivity，通过查自己的Z-order数组，找出属于该FocusActivity的WindowState，那么找到的这个WindowState就是Focus Window，然后再通过IWindow回调，通知Client端。

WindowManagerService的主要功能可以总结如下：

（1）窗口的Z-ordered的维护，主要包括窗口栈的管理，栈序调整；

（2）窗口的添加，移除；

（3）窗口的Layout；

（4）Token管理，负责窗口与应用之间的对应；

（5）活动窗口管理，也就是Focus Window；

（6）创建窗口的Starting和Ending过渡动画；

（7）系统输入事件收集和分发；

（8）Client端通知和回调；

4．Focus Path

View的成员变量mParent用来管理View的上级关系，而ViewGroup作为一组View的管理者，ViewGroup中够早了焦点管理和子View节点数组，这样通过View的mParent和ViewGroup的mChildren能够构造Android中View的直接关系树。如图11所示：

所谓的Focus Path就是KeyEvent传递的路线。主View通过View的焦点记录关系传递到焦点View上。如图12，View22是焦点，我们从最顶层的View通过mFocus的关系链找到最后所形成的路径就是Focus Path，如图中红线标示的路径。

KeyEvent事件的分发也就是沿着Focus Path最终到达Focus View，最终被处理。

5．Key Data Structure

Window:

IWindow:

WindowManager:

WindowManager.LayoutParams:

View:

ViewGroup:

ViewRoot:

ActivityClientRecord：在performLaunchActivity（handleLaunchActivity，handleRelaunchActivity最终都会调用他)之前，都需要先构造一个ActivityClientRecord类的对象。这个对象包含了创建Application和Activity所有的信息，是启动应用程序必须的数据结构。

ActivityRecord:

AcvivityManagerService(AMS): 主要管理Activity, service的加载，卸载，应用的创建等，当在一个应用程序中调用StartActivity时，应用就通过IPC机制向System Service请求启动新的Activity，System Service首先会查找，这个Activity是否已经被创建，如果没有,查找这个Activity所在的应用程序是否已经起来，如果没有就先启动应用。然后向此应用发送launchActivity消息创建Activity。

WindowToken

AppWindowToken

WindowState

WindowManagerService(WMS)：主要管理窗体的加载，事件的分发。启动每个Activity，系统都会创建一个ViewRoot用于保存所有的View，通过ViewRoot将窗体加载到 WindowManagerService并创建窗体的客户端，当服务程序接收到按键事件后，就会查找当前窗体是否是焦点控件，如果是的话就会将窗体事件通过客户端IPC传递到相应的应用程序，如果在焦点View中有注册接收KeyEvent的消息则事件就在该View中得到处理。

PhoneWindowManager

InputManager:

InputDispatch:

InputReader:

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