面试?看完这篇就够了-深入分析从点击应用图标到应用界面展示

作者:GeeJoe

从点击桌面图标到应用界面展示

从桌面点击图标到应用界面第一帧绘制出来,整个流程涉及的过程复杂,为了便于理解,这里将整个流程分为四个阶段:应用进程启动阶段、应用进程初始化阶段、Activity 启动阶段、View 绘制阶段;下面我们分别来介绍各个阶段系统所做的事情

阶段一:应用进程启动

启动阶段涉及四个进程之间的通信:Launcher 进程、system_server 进程、zygote 进程、应用进程

  1. 首先桌面 Launcher 也是一个 App, 我们称之为 Launcher 进程,Launcher 进程在我们手机开机之后就启动了,并和 system_server 进程中的 AMS 建立了 Binder 通信,当我们点击桌面中的一个应用图标的时候,Launcher 进程会通过 Binder 向 AMS 发起 startActivity 请求
  2. 当 AMS 收到请求时,处理 intent 信息,通过 ProcessRecord 判断应用进程是否存在,若不存在则通过 socket IPC 向 zygote 进程发送创建新进程的请求
  3. zygote 进程 fork 出新的 App 进程,App 进程加载 ActivityThread 类,并调用 ActivityThread.main() 方法,这是应用进程的入口,至此应用进程已启动完成。

阶段二:应用进程初始化

初始化阶段主要做了三件事情:初始化并开启主线程 Looper 消息循环、初始化 Application 以及和 AMS 建立 Binder 通信

阶段一讲到,应用进程启动之后,调用了 ActivityThread.main() 方法,我们看下这里面具体做了什么事情

// 已精简非核心代码  
public static void main(String[] args) {Looper.prepareMainLooper(); // 初始化主线程 Looper
​ActivityThread thread = new ActivityThread();thread.attach(false, startSeq);
​Looper.loop(); // 开启主线程消息循环
}
  1. Looper.prepareMainLooper()Looper.loop() 开启了主线程消息循环,之后就可以通过消息机制往主线程 post 任务了
  2. main 是一个静态方法,可以看到这里实例化了一个 ActivityThread 并调用了 attach 方法
  final ApplicationThread mAppThread = new ApplicationThread();
​// 已精简非核心代码private void attach(boolean system, long startSeq) {// 1. 这里传入的是 false, 所以一定会进入这个分支if (!system) {// 2. 这里做的事情就是将 ApplicationThread 传到 AMS 中,往后 AMS 和 应用就可以通过 Binder 直接通信了RuntimeInit.setApplicationObject(mAppThread.asBinder());final IActivityManager mgr = ActivityManager.getService();try {mgr.attachApplication(mAppThread, startSeq);} catch (RemoteException ex) {throw ex.rethrowFromSystemServer();}// ...} else {// ...}}

可以看到 attach 里面主要做了一件事情就是和 AMS 建立 binder 通信,我们看下 ApplicationThread 的实现

private class ApplicationThread extends IApplicationThread.Stub {
​@Overridepublic final void bindApplication(...) {//...sendMessage(H.BIND_APPLICATION, data);}
​//...
}

可以看到 ApplicationThread 实现了 Stub 接口,了解 AIDL 的同学都知道,这个就是用于跨进程通信的 AIDL 生成的接口文件,Stub 是由服务端实现的,这里的服务端就是应用进程,具体来说服务端的实现是 ActivityThread,而客户端就是运行在 system_server 的 AMS 了;

所以 ApplicationThread 是一个 Binder 对象,attach 方法就是把这个对象传给 AMS, 这样 AMS 就可以通过这里的接口来调用 ActivityThread 的代码了, ApplicationThread 就是 AMS 和 ActivityThread 沟通的桥梁。

一般 AMS 调用 ApplicationThread 的接口,ApplicationThread 会把任务和数据通过消息机制抛到主线程处理,其中 H 就是在 ActivityThread 中的一个主线程的 Handler,这里面处理了很多来自 AMS 请求的任务

  1. 经过上面的步骤,应用进程和 system_server 进程已经建立了 Binder 通信,接着 system_server 通过 Binder 调用 bindApplication,最终落到 ActivityThreadhandleBindApplication() 方法
  private void handleBindApplication(AppBindData data) {// ...try {app = data.info.makeApplication(data.restrictedBackupMode, null); // 1. 实例化 Application, 内部调用了 Application.attachBaseContext()
​if (!data.restrictedBackupMode) {if (!ArrayUtils.isEmpty(data.providers)) {installContentProviders(app, data.providers); // 2. 实例化 ContentProvider,调用 ContentProvider.onCreate()}}
​//...try {mInstrumentation.callApplicationOnCreate(app); // 3. 这里面调用 Application.onCreate()} catch (Exception e) {// ...}} finally {// ...}
​// ...}

分析了上面的代码,就解释了为什么是 Application.attachBaseContext -> ContentProvider.onCreate() -> Applicatoin.onCreate() 这个执行顺序了

阶段三:Activity 启动阶段

应用进程启动之后,紧接着 AMS 通过 Binder 调用,通过 ApplicationThreadActivityThread 中主线程发送 EXECUTE_TRANSACTION 消息,来执行 Activity 的生命周期;最终会在主线程执行 handleLaunchActivityhandleResumeActivity 等,这里面就会调用 Activity 的 onCreateonResume 等生命周期。

handleLaunchActivity

  public Activity handleLaunchActivity(ActivityClientRecord r,PendingTransactionActions pendingActions, Intent customIntent) {final Activity a = performLaunchActivity(r, customIntent);return a;}
​private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {//...Activity activity = null;try {// 实例化 Activityjava.lang.ClassLoader cl = appContext.getClassLoader();activity = mInstrumentation.newActivity(cl, component.getClassName(), r.intent);// ...} catch (Exception e) {// ...}
​try {// 调用 Activity.onCreate()if (r.isPersistable()) {mInstrumentation.callActivityOnCreate(activity, r.state, r.persistentState);} else {mInstrumentation.callActivityOnCreate(activity, r.state);}// ...} catch (SuperNotCalledException e) {// ...}
​return activity;}
​

可以看到这里就做了两件事情:实例化 Activity 然后调用 Activity.onCreate()

handleResumeActivity

  @Overridepublic void handleResumeActivity(ActivityClientRecord r, boolean finalStateRequest,boolean isForward, String reason) {// 1. 这里面会执行 onResume()if (!performResumeActivity(r, finalStateRequest, reason)) {return;}// 2. 获取 decorViewView decor = r.window.getDecorView();decor.setVisibility(View.INVISIBLE);
​ViewManager wm = a.getWindowManager();// 3. 将 decorView 添加到 WindowManager 中wm.addView(decor, l);}

wm.addView 最终会调用到 android.view.WindowManagerGlobal#addView

  public void addView(View view, ViewGroup.LayoutParams params,Display display, Window parentWindow, int userId) {// 实例化 ViewRootImplroot = new ViewRootImpl(view.getContext(), display);
​// do this last because it fires off messages to start doing thingstry {// 核心代码,调用 setView 传入 viewroot.setView(view, wparams, panelParentView, userId);} catch (RuntimeException e) {// BadTokenException or InvalidDisplayException, clean up.if (index >= 0) {removeViewLocked(index, true);}throw e;}}}

ViewRootImpl.setView 里面最核心的代码就是调用了 requestLayout

  public void setView(View view, WindowManager.LayoutParams attrs, View panelParentView,int userId) {// ...requestLayout();//...}

requestLayout 里面就是 View 的绘制流程了

阶段四:View 绘制阶段

前面提到在 AMS 的调度下,Activity 会执行生命周期 onCreateonResume,应用界面要显示出来,这两个生命周期是关键;我们一般会在 onCreate 里面调用 setContentView 来设置自定义布局,下面就看看,setContentView 里面都做了些什么事情

setContentView()

以下代码基于 Android13(SDK 33)分析

  // AppCompatActivity@Overridepublic void setContentView(@LayoutRes int layoutResID) {initViewTreeOwners();getDelegate().setContentView(layoutResID);}

getDelegate 返回的是 AppCompatDelegateImpl

  // AppCompatDelegateImpl@Overridepublic void setContentView(int resId) {// 1. 实例化 DecorViewensureSubDecor(); // 2. R.id.content 就是承载我们自定义 View 的容器ViewGroup contentParent = mSubDecor.findViewById(android.R.id.content); contentParent.removeAllViews();// 3. 将我们自定义 View 添加到 R.id.content 中LayoutInflater.from(mContext).inflate(resId, contentParent); mAppCompatWindowCallback.getWrapped().onContentChanged();}

逻辑比较清晰,先实例化一个 DecorView,然后将我们自定义 View 添加到 DecorView 中,那这个 DecorView 是什么呢

DecorView

DecorView 是一个继承自 FrameLayout 的 View,里面一般包含一个标题栏和一个内容区,其中内容区的 id 是 android.R.id.content,这里附一张 示意图

我们这里可以简单理解为:DecorView 就是整个 Activity 的 Root View,用来容纳我们设置的自定义 View 布局;

所以执行完 setContentView 之后,一个以 DecorView 为 Root 的 View 树就创建好了,但是清注意,这个时候仅仅是构建好一个 View 树,View 还没有真正开始进入绘制流程,此时 View 不可见,也拿不到宽高。

我们可以通过 View.post {} 来拿到宽高,这是为什么呢?感兴趣可移步到 Android 消息机制

requstLayout()

回顾之前分析 handleResumeActivity 源码,我们知道,这里面先调用了 onResume(),然后最终调用到 ViewRootImpl.setView,在 ViewRootImpl.setView 里面调用了 requestLayout 开启 View 绘制流程。

首先看看这个 ViewRootImpl 是什么

ViewRootImpl
public final class ViewRootImpl implements ViewParent,View.AttachInfo.Callbacks, ThreadedRenderer.DrawCallbacks,AttachedSurfaceControl { }

首先从定义上看,ViewRootImpl 不是 View,而是一个实现了 ViewParent 接口的对象。它的构造方法中有两个成员需要重点关注下

public ViewRootImpl(@UiContext Context context, Display display, IWindowSession session,boolean useSfChoreographer) {// 保存当前线程,对于这里分析的启动 Activity 的场景,这里是主线程mThread = Thread.currentThread();// Choreographer 是屏幕刷新机制的关键,后续会单独讲mChoreographer = useSfChoreographer? Choreographer.getSfInstance() : Choreographer.getInstance();}

这里对 ViewRootImpl 的介绍先不再深入,我们留个印象即可,我们重点看下 requestLayout 做了什么事情

  // ViewRootImplpublic void requestLayout() {if (!mHandlingLayoutInLayoutRequest) {checkThread();mLayoutRequested = true;scheduleTraversals();}}void checkThread() {if (mThread != Thread.currentThread()) {throw new CalledFromWrongThreadException("Only the original thread that created a view hierarchy can touch its views.");}}

这里主要做了两件事情:检查线程、调用 scheduleTraversals()

checkThread

mThread 就是实例化 ViewRootImpl 的时候的线程,我们前面提到 AMS 通过 Binder 调用最终向 ActivityThread 主线程发消息来执行 Activity 生命周期,所以 mThread 就是主线程;requestLayout 调用的地方也是主线程触发的,所以这里检测一定是通过的。不过如果我们在代码中手动调用 View.requestLayout,最终也会走到这里,此时的当前线程就是调用线程,所以这也解释了为什么我们不能在非主线程更新 UI。

一定不能在非主线程更新 UI 吗?这里留个疑问,后面会解答。

scheduleTraversals
  void scheduleTraversals() {if (!mTraversalScheduled) {mTraversalScheduled = true;// 1. 发送一个同步屏障mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();// 2. 向 Choreographer post 一个 callbackmChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);notifyRendererOfFramePending();pokeDrawLockIfNeeded();}}final class TraversalRunnable implements Runnable {@Overridepublic void run() {// 3. 执行 doTraversaldoTraversal();}}void doTraversal() {if (mTraversalScheduled) {mTraversalScheduled = false;// 4. 移除同步屏障mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);if (mProfile) {Debug.startMethodTracing("ViewAncestor");}// 5. onMeasure、onLayout、onDraw performTraversals();if (mProfile) {Debug.stopMethodTracing();mProfile = false;}}}
  1. 关于消息同步屏障,详细介绍可以移步到 Android 消息机制 ,这里简单理解一下其目的就是为了保证渲染任务得到高优执行。
  2. Choreographer 是屏幕刷新机制的关键实现,详细介绍可以移步到 屏幕刷新机制 ,这里也简单了解一下:往 Choreographer 里面 postCallback 目的是为了在系统下一帧渲染时间到来的时候执行 Runnable 中的逻辑,对应上面也就是执行 performTraversals()

下面重点介绍下 performTraversals() 这个方法内部实现特别复杂,代码很长,这里就不贴源码了,最关键的三行代码就是 performMeasure()performLayout()performDraw(),而这三个方法内部对应的就是我们熟知的 onMeasure()onLayout()onDraw()

关于 measure layout draw 的流程,这里放一张图,一图胜千言

总结

  1. Launcher 进程通过 Binder 向 system_server 进程的 AMS 发送启动 Activity 请求
  2. AMS 判断如果应用进程不存在,通过 socket 向 zygote 进程发送 fork 应用进程命令
  3. 应用进程启动之后,调用 ActivityThread.main() 方法启动消息轮循,建立 Binder 通信
  4. AMS 通过 Binder 调度 Activity onCreateonResume 等生命周期
  5. onCreate 中通过 setContentView 传入的自定义布局构建以 DecorView 为 Root 的 View 树
  6. onResume 后通过 Choreographer 屏幕刷新机制,开启 View 的绘制流程,执行 onMeasure() onLayout() onDraw()

答疑解惑

什么是 fork 进程?

fork() 系统调用在父进程和子进程中的行为确实有些特殊。当一个进程调用 fork() 时,它会创建一个新的子进程,子进程是父进程的副本,包括代码、数据、堆栈等。在 fork() 之后,父进程和子进程将并发执行相同的代码。这意味着 fork() 系统调用在父进程和子进程中都会执行。

fork() 的返回值规则是为了让父进程和子进程能够区分自己的角色。在父进程中,fork() 返回新创建子进程的进程 ID(PID);在子进程中,fork() 返回 0。由于父进程和子进程并发执行相同的代码,它们可以根据 fork() 的返回值来判断自己是父进程还是子进程,并执行不同的代码路径。

以下是一个简单的示例来说明这个概念:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {// fork failedperror("fork");return 1;} else if (pid == 0) {// In child processprintf("I am the child process, my PID is %d\\n", getpid());} else {// In parent processprintf("I am the parent process, my PID is %d and my child's PID is %d\\n", getpid(), pid);}return 0;
}

在这个示例中,我们调用 fork() 创建一个子进程。由于父进程和子进程并发执行相同的代码,它们都会检查 fork() 的返回值。在子进程中,fork() 返回 0,因此它会执行 if (pid == 0) 分支;在父进程中,fork() 返回子进程的 PID,因此它会执行 else 分支。这样,父进程和子进程可以根据 fork() 的返回值来区分自己的角色,并执行相应的操作。

为什么 Android 系统要通过 socket 的方式让 AMS 向 zygote 发送 fork 应用进程的请求?

简单高效:Socket 通信相较于其他 IPC 机制(如 Binder、共享内存等)来说,实现起来更加简单直接。AMS 只需向 Zygote 发送一个创建新进程的请求,而无需进行复杂的数据传输和共享。因此,使用 Socket 通信可以降低实现复杂度,同时保持较高的通信效率

为什么 Android 要用 zygote 进程来 fork 应用进程,不可以直接创建新进程吗?

在 Android 系统中,Zygote 进程充当了应用程序进程的孵化器(incubator)。Zygote 进程在系统启动时创建,它预加载了许多常用的类和资源,为应用程序进程提供了一个初始化好的运行环境。当需要创建新的应用程序进程时,系统会通过 Zygote 进程来 fork 出新的进程。这种设计的主要原因是为了提高应用程序启动速度和资源共享。

以下是使用 Zygote 进程的一些优势:

  1. 提高应用程序启动速度:Zygote 进程在系统启动时预加载了许多常用的类和资源,这些类和资源在内存中只有一份,可以被所有应用程序进程共享。当通过 Zygote 进程 fork 出新的应用程序进程时,新进程可以直接使用这些已加载的类和资源,无需再次加载。这样可以大大减少应用程序启动时的类加载和资源初始化时间,提高启动速度。
  2. 资源共享:由于 Zygote 进程预加载的类和资源在内存中只有一份,它们可以被所有应用程序进程共享。这样可以减少系统的内存占用,提高资源利用率。
  3. 简化应用程序启动流程:通过 Zygote 进程来创建应用程序进程,可以简化启动流程,减少启动过程中的错误和异常。Zygote 进程为应用程序提供了一个统一的、经过良好测试的运行环境,有助于提高应用程序的稳定性和兼容性。

当然,理论上 Android 系统也可以直接创建新进程,但这样做会失去上述的优势,导致应用程序启动速度变慢、资源共享效率降低以及启动流程变得复杂。因此,Android 系统采用了 Zygote 进程来 fork 应用程序进程,以提高性能和稳定性。

ApplicationThread 和 ActivityThread 各自创建时机和作用?

ApplicationThread 是 ActivityThread 的内部私有类,是一个 Binder 类,它继承自 IApplicationThread.Stub,实现了 IApplicationThread 接口。ApplicationThread 主要负责处理来自 AMS(Activity Manager Service)的请求。在应用程序进程启动时,ActivityThread 会创建一个 ApplicationThread 实例,并将其注册到 AMS。随后,AMS 可以通过 ApplicationThread 调用应用程序的各种方法,如启动 Activity、发送广播、处理服务请求等

ActivityThread 是在 zygote 进程 fork 出应用进程之后,调用 ActivityThread.main() 方法内部创建的,ActivityThread 内部开启了应用程序的主线程,负责处理与应用程序生命周期、UI 事件和系统服务相关的任务;而 ApplicationThread 是一个 Binder 类,负责处理来自 AMS 的请求。这两个类共同协作,实现了应用程序与系统服务之间的通信和协同工作

getWidth() 与 getMeasuredWidth() 区别?

应用场景

  • getMeasuredWidth() / getMeasuredHeight()是在Measure过程中赋值的,所以需在Measure过程后获取的值才有意义
  • 同理,getWidth() / getHeight()在Layout过程中赋值,所以在Layout过程后获取的值才有意义

所以,二者的应用场景是:

  • getMeasuredWidth() / getMeasuredHeight():在onLayout()中获取View的宽/高
  • getWidth() / getHeight():在除onLayout()外的地方获取View的宽/高

不相等情况

  • 问:上面提到,一般情况下,二者获取的宽 / 高是相等的。那么,“非一般” 情况是什么?(即二者不相等)
  • 答:人为设置:通过重写View的 layout()强行设置
@Override
public void layout( int l , int t, int r , int b) {// 改变传入的顶点位置参数super.layout(l,t,r+100,b+100);
}

虽然这样的人为设置无实际意义,但证明了:View的最终宽 / 高 与 测量宽 / 高是可以不一样

requestLayout()、invalidate()、postInvalidate() 区别?

invaliddate() 和 postInvalidate()

这个两个方法的区别比较简单:postInvalidate() 就是在子线程调用时,把操作 post 到主线程调用,最终还是走的 invalidate()

public void postInvalidate() {postInvalidateDelayed(0);
}
public void postInvalidateDelayed(long delayMilliseconds) {// We try only with the AttachInfo because there's no point in invalidating// if we are not attached to our windowfinal AttachInfo attachInfo = mAttachInfo;if (attachInfo != null) {attachInfo.mViewRootImpl.dispatchInvalidateDelayed(this, delayMilliseconds);}
}
public void dispatchInvalidateDelayed(View view, long delayMilliseconds) {Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_INVALIDATE, view);mHandler.sendMessageDelayed(msg, delayMilliseconds);
}
private void handleMessageImpl(Message msg) {switch (msg.what) {case MSG_INVALIDATE:((View) msg.obj).invalidate();break;// ...
}

reqeustLayout() 和 invalidate()

两个方法的执行结果:

//调用requestLayout()方法,打印如下
MyView onMeasure: 
MyView onMeasure: 
MyView onLayout: 
MyView onDraw: 
//调用invalidate()方法,打印如下
MyView onDraw:
  1. requestLayout 和 invalidate 最终都会调用到 ViewRootImpl 的 scheduleTraversals() 方法
  2. scheduleTraversals 最终会走到 performTraversals(),方法内部会根据传参和状态的不同判断是否执行 onMeasure、onLayout()、onDraw()

总结

requestLayout()invalidate()都是Android中用于更新视图的方法,它们的区别如下:

  1. requestLayout():当视图的布局参数(如宽度、高度、位置等)发生变化时,需要调用requestLayout()方法来重新测量(measure)、布局(layout)和绘制(draw)视图。requestLayout()方法会触发视图树的一次完整的测量、布局和绘制流程,包括父视图和子视图。由于requestLayout()涉及到整个视图树的更新,因此性能开销较大。通常情况下,当视图的尺寸或位置发生变化时,需要调用requestLayout()方法。
  2. invalidate():当视图的内容(如颜色、文本等)发生变化时,需要调用invalidate()方法来重新绘制(draw)视图。invalidate()方法只会触发视图的绘制流程,而不会触发测量和布局。相比requestLayout()invalidate()方法的性能开销较小。通常情况下,当视图的外观发生变化时,需要调用invalidate()方法。
  3. requestLayout()用于更新视图的布局参数,会触发整个视图树的测量、布局和绘制流程,性能开销较大。
  4. invalidate()用于更新视图的内容,只会触发视图的绘制流程,性能开销较小。

在实际开发过程中,需要根据视图的变化情况选择合适的方法来更新视图。如果只是视图内容的变化,应优先使用invalidate()方法;如果是视图布局参数的变化,需要使用requestLayout()方法。

View 的更新必须在主线程吗?

任何线程都可以更新自己创建的 UI,只需要满足以下两种情况

  1. 在 ViewRootImpl 创建之前,可以在子线程更新 UI,比如在 Activity onCreate 的时候
  2. 在 ViewRootImpl 创建之后,只需要保证创建 ViewRootImpl 的线程和更新 UI 的线程是同一个就可以;比如我们在子线程调用 ViewManager#addView

我们同上说子线程不可以更新 UI,这个异常是在 ViewRootImpl 的 checkThread() 方法中抛出的:

void checkThread() {if (mThread != Thread.currentThread()) {throw new CalledFromWrongThreadException("Only the original thread that created a view hierarchy can touch its views.");}}

Android 学习笔录

Android 性能优化篇:https://qr18.cn/FVlo89
Android Framework底层原理篇:https://qr18.cn/AQpN4J
Android 车载篇:https://qr18.cn/F05ZCM
Android 逆向安全学习笔记:https://qr18.cn/CQ5TcL
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Jetpack全家桶篇(内含Compose):https://qr18.cn/A0gajp
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