Android解析WindowManagerService(一)WMS的诞生

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前言

此前我用多篇文章介绍了WindowManager,这个系列我们来介绍WindowManager的管理者WMS,首先我们先来学习WMS是如何产生的。本文源码基于Android 8.0,与Android 7.1.2相比有一个比较直观的变化就是Java FrameWork采用了Lambda表达式。

1.WMS概述

WMS是系统的其他服务,无论对于应用开发还是Framework开发都是重点的知识,它的职责有很多,主要有以下几点:

窗口管理

WMS是窗口的管理者,它负责窗口的启动、添加和删除,另外窗口的大小和层级也是由WMS进行管理的。窗口管理的核心成员有DisplayContent、WindowToken和WindowState。

窗口动画

窗口间进行切换时,使用窗口动画可以显得更炫一些,窗口动画由WMS的动画子系统来负责,动画子系统的管理者为WindowAnimator。

输入系统的中转站

通过对窗口的触摸从而产生触摸事件,InputManagerService(IMS)会对触摸事件进行处理,它会寻找一个最合适的窗口来处理触摸反馈信息,WMS是窗口的管理者,因此,WMS“理所应当”的成为了输入系统的中转站。

Surface管理

窗口并不具备有绘制的功能,因此每个窗口都需要有一块Surface来供自己绘制。为每个窗口分配Surface是由WMS来完成的。

WMS的职责可以简单总结为下图。

2.WMS的诞生

WMS的知识点非常多,在了解这些知识点前,我们十分有必要知道WMS是如何产生的。WMS是在SyetemServer进程中启动的,不了解SyetemServer进程的可以查看在Android系统启动流程(三)解析SyetemServer进程启动过程这篇文章。
先来查看SyetemServer的main方法:
frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

public static void main(String[] args) {
new SystemServer().run();
}

main方法中只调用了SystemServer的run方法,如下所示。
frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

private void run() {
try {
System.loadLibrary("android_servers");//1
...
mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);//2
mSystemServiceManager.setRuntimeRestarted(mRuntimeRestart);
LocalServices.addService(SystemServiceManager.class, mSystemServiceManager);
// Prepare the thread pool for init tasks that can be parallelized
SystemServerInitThreadPool.get();
} finally {
traceEnd(); // InitBeforeStartServices
}
try {
traceBeginAndSlog("StartServices");
startBootstrapServices();//3
startCoreServices();//4
startOtherServices();//5
SystemServerInitThreadPool.shutdown();
} catch (Throwable ex) {
Slog.e("System", "******************************************");
Slog.e("System", "************ Failure starting system services", ex);
throw ex;
} finally {
traceEnd();
}
...
}

run方法代码很多,这里截取了关键的部分,在注释1处加载了libandroid_servers.so。在注释2处创建SystemServiceManager,它会对系统的服务进行创建、启动和生命周期管理。接下来的代码会启动系统的各种服务,在注释3中的startBootstrapServices方法中用SystemServiceManager启动了ActivityManagerService、PowerManagerService、PackageManagerService等服务。在注释4处的方法中则启动了BatteryService、UsageStatsService和WebViewUpdateService。注释5处的startOtherServices方法中则启动了CameraService、AlarmManagerService、VrManagerService等服务,这些服务的父类为SystemService。从注释3、4、5的方法名称可以看出,官方把大概80多个系统服务分为了三种类型,分别是引导服务、核心服务和其他服务,其中其他服务为一些非紧要和一些不需要立即启动的服务,WMS就是其他服务的一种。
我们来查看startOtherServices方法是如何启动WMS的:

frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

private void startOtherServices() {
...
traceBeginAndSlog("InitWatchdog");
final Watchdog watchdog = Watchdog.getInstance();//1
watchdog.init(context, mActivityManagerService);//2
traceEnd();
traceBeginAndSlog("StartInputManagerService");
inputManager = new InputManagerService(context);//3
traceEnd();
traceBeginAndSlog("StartWindowManagerService");
ConcurrentUtils.waitForFutureNoInterrupt(mSensorServiceStart, START_SENSOR_SERVICE);
mSensorServiceStart = null;
wm = WindowManagerService.main(context, inputManager,
mFactoryTestMode != FactoryTest.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL,
!mFirstBoot, mOnlyCore, new PhoneWindowManager());//4
ServiceManager.addService(Context.WINDOW_SERVICE, wm);//5
ServiceManager.addService(Context.INPUT_SERVICE, inputManager);//6
traceEnd();
...
try {
wm.displayReady();//7
} catch (Throwable e) {
reportWtf("making display ready", e);
}
...
try {
wm.systemReady();//8
} catch (Throwable e) {
reportWtf("making Window Manager Service ready", e);
}
...
}

startOtherServices方法用于启动其他服务,其他服务大概有70多个,上面的代码只列出了WMS以及和它相关的IMS的启动逻辑,剩余的其他服务的启动逻辑也都大同小异。
在注释1、2处分别得到Watchdog实例并对它进行初始化,Watchdog用来监控系统的一些关键服务的运行状况,后文会再次提到它。在注释3处创建了IMS,并赋值给IMS类型的inputManager对象。注释4处执行了WMS的main方法,其内部会创建WMS,需要注意的是main方法其中一个传入的参数就是注释1处创建的IMS,WMS是输入事件的中转站,其内部包含了IMS引用并不意外。结合上文,我们可以得知WMS的main方法是运行在SystemServer的run方法中,换句话说就是运行在”system_server”线程”中,后面会再次提到”system_server”线程。
注释5和注释6处分别将WMS和IMS注册到ServiceManager中,这样如果某个客户端想要使用WMS,就需要先去ServiceManager中查询信息,然后根据信息与WMS所在的进程建立通信通路,客户端就可以使用WMS了。注释7处用来初始化显示信息,注释8处则用来通知WMS,系统的初始化工作已经完成,其内部调用了WindowManagerPolicy的systemReady方法。
我们来查看注释4处WMS的main方法,如下所示。
frameworks/base/services/core/java/com/android/server/wm/WindowManagerService .java

public static WindowManagerService main(final Context context, final InputManagerService im,
final boolean haveInputMethods, final boolean showBootMsgs, final boolean onlyCore,
WindowManagerPolicy policy) {
DisplayThread.getHandler().runWithScissors(() ->//1
sInstance = new WindowManagerService(context, im, haveInputMethods, showBootMsgs,
onlyCore, policy), 0);
return sInstance;
}

在注释1处调用了DisplayThread的getHandler方法,用来得到DisplayThread的Handler实例。DisplayThread是一个单例的前台线程,这个线程用来处理需要低延时显示的相关操作,并只能由WindowManager、DisplayManager和InputManager实时执行快速操作。注释1处的runWithScissors方法中使用了Java8中的Lambda表达式,它等价于如下代码:

DisplayThread.getHandler().runWithScissors(new Runnable() {
@Override
public void run() {
sInstance = new WindowManagerService(context, im, haveInputMethods, showBootMsgs,
onlyCore, policy);//2
}
}, 0);

在注释2处创建了WMS的实例,这个过程运行在Runnable的run方法中,而Runnable则传入到了DisplayThread对应Handler的runWithScissors方法中,说明WMS的创建是运行在“android.display”线程中。需要注意的是,runWithScissors方法的第二个参数传入的是0,后面会提到。来查看Handler的runWithScissors方法里做了什么:

frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java

public final boolean runWithScissors(final Runnable r, long timeout) {
if (r == null) {
throw new IllegalArgumentException("runnable must not be null");
}
if (timeout < 0) {
throw new IllegalArgumentException("timeout must be non-negative");
}
if (Looper.myLooper() == mLooper) {//1
r.run();
return true;
}
BlockingRunnable br = new BlockingRunnable(r);
return br.postAndWait(this, timeout);
}

开头对传入的Runnable和timeout进行了判断,如果Runnable为null或者timeout小于0则抛出异常。注释1处根据每个线程只有一个Looper的原理来判断当前的线程(”system_server”线程)是否是Handler所指向的线程(”android.display”线程),如果是则直接执行Runnable的run方法,如果不是则调用BlockingRunnable的postAndWait方法,并将当前线程的Runnable作为参数传进去 ,BlockingRunnable是Handler的内部类,代码如下所示。
frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java

private static final class BlockingRunnable implements Runnable {
private final Runnable mTask;
private boolean mDone;
public BlockingRunnable(Runnable task) {
mTask = task;
}
@Override
public void run() {
try {
mTask.run();//1
} finally {
synchronized (this) {
mDone = true;
notifyAll();
}
}
}
public boolean postAndWait(Handler handler, long timeout) {
if (!handler.post(this)) {//2
return false;
}
synchronized (this) {
if (timeout > 0) {
final long expirationTime = SystemClock.uptimeMillis() + timeout;
while (!mDone) {
long delay = expirationTime - SystemClock.uptimeMillis();
if (delay <= 0) {
return false; // timeout
}
try {
wait(delay);
} catch (InterruptedException ex) {
}
}
} else {
while (!mDone) {
try {
wait();//3
} catch (InterruptedException ex) {
}
}
}
}
return true;
}
}

注释2处将当前的BlockingRunnable添加到Handler的任务队列中。前面runWithScissors方法的第二个参数为0,因此timeout等于0,这样如果mDone为false的话会一直调用注释3处的wait方法使得当前线程(”system_server”线程)进入等待状态,那么等待的是哪个线程呢?我们往上看,注释1处,执行了传入的Runnable的run方法(运行在”android.display”线程),执行完毕后在finally代码块中将mDone设置为true,并调用notifyAll方法唤醒处于等待状态的线程,这样就不会继续调用注释3处的wait方法。因此得出结论,”system_server”线程线程等待的就是”android.display”线程,一直到”android.display”线程执行完毕再执行”system_server”线程,这是因为”android.display”线程内部执行了WMS的创建,显然WMS的创建优先级更高些。
WMS的创建就讲到这,最后我们来查看WMS的构造方法:

frameworks/base/services/core/java/com/android/server/wm/WindowManagerService .java

private WindowManagerService(Context context, InputManagerService inputManager,
boolean haveInputMethods, boolean showBootMsgs, boolean onlyCore) {
...
mInputManager = inputManager;//1
...
mDisplayManager = (DisplayManager)context.getSystemService(Context.DISPLAY_SERVICE);
mDisplays = mDisplayManager.getDisplays();//2
for (Display display : mDisplays) {
createDisplayContentLocked(display);//3
}
...
mActivityManager = ActivityManagerNative.getDefault();//4
...
mAnimator = new WindowAnimator(this);//5
mAllowTheaterModeWakeFromLayout = context.getResources().getBoolean(
com.android.internal.R.bool.config_allowTheaterModeWakeFromWindowLayout);
LocalServices.addService(WindowManagerInternal.class, new LocalService());
initPolicy();//6
// Add ourself to the Watchdog monitors.
Watchdog.getInstance().addMonitor(this);//7
...
}

注释1处用来保存传进来的IMS,这样WMS就持有了IMS的引用。注释2处通过DisplayManager的getDisplays方法得到Display数组(每个显示设备都有一个Display实例),接着遍历Display数组,在注释3处的createDisplayContentLocked方法会将Display封装成DisplayContent,DisplayContent用来描述一快屏幕。
注释4处得到AMS实例,并赋值给mActivityManager ,这样WMS就持有了AMS的引用。注释5处创建了WindowAnimator,它用于管理所有的窗口动画。注释6处初始化了窗口管理策略的接口类WindowManagerPolicy(WMP),它用来定义一个窗口策略所要遵循的通用规范。注释7处将自身也就是WMS通过addMonitor方法添加到Watchdog中,Watchdog用来监控系统的一些关键服务的运行状况(比如传入的WMS的运行状况),这些被监控的服务都会实现Watchdog.Monitor接口。Watchdog每分钟都会对被监控的系统服务进行检查,如果被监控的系统服务出现了死锁,则会杀死Watchdog所在的进程,也就是SystemServer进程。

查看注释6处的initPolicy方法,如下所示。
frameworks/base/services/core/java/com/android/server/wm/WindowManagerService.java

private void initPolicy() {
UiThread.getHandler().runWithScissors(new Runnable() {
@Override
public void run() {
WindowManagerPolicyThread.set(Thread.currentThread(), Looper.myLooper());
mPolicy.init(mContext, WindowManagerService.this, WindowManagerService.this);//1
}
}, 0);
}

initPolicy方法和此前讲的WMS的main方法的实现类似,注释1处执行了WMP的init方法,WMP是一个接口,init方法的具体实现在PhoneWindowManager(PWM)中。PWM的init方法运行在”android.ui”线程中,它的优先级要高于initPolicy方法所在的”android.display”线程,因此”android.display”线程要等PWM的init方法执行完毕后,处于等待状态的”android.display”线程才会被唤醒从而继续执行下面的代码。

在本文中共提到了3个线程,分别是”system_server”、”android.display”和”android.ui”,为了便于理解,下面给出这三个线程之间的关系。

“system_server”线程中会调用WMS的main方法,main方法中会创建WMS,创建WMS的过程运行在”android.display”线程中,它的优先级更高一些,因此要等创建WMS完毕后才会唤醒处于等待状态的”system_server”线程。
WMS初始化时会执行initPolicy方法,initPolicy方法会调用PWM的init方法,这个init方法运行在”android.ui”线程,并且优先级更高,因此要先执行完PWM的init方法后,才会唤醒处于等待状态的”android.display”线程。
PWM的init方法执行完毕后会接着执行运行在”system_server”线程的代码,比如本文前部分提到WMS的
systemReady方法。

参考资料
《深入理解Android内核设计思想》第二版
《深入理解Android:卷III》
WMS—启动过程
Android Watchdog源码简析–Based on Android 6.0.1
Watchdog实现分析

刘望舒 wechat
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