Android 7.0中的多窗口实现解析

作者: i_cassell | 来源:发表于2017-03-07 19:09 被阅读1934次

多窗口功能介绍

概述

Android 从 Android N（7.0)版本开始引入了多窗口的功能。

关于Android N的新特性，请参见这里：Android 7.0 for Developers

关于多窗口的详细说明，请参见这里：Multi-Window Support

Android N上的多窗口功能有三种模式：

1. 分屏模式

这种模式可以在手机上使用。该模式将屏幕一分为二，同时显示两个应用的界面。如下图所示：

2. 画中画模式

这种模式主要在TV上使用，在该模式下视频播放的窗口可以一直在最顶层显示。如下图所示：

3. Freeform模式

这种模式类似于我们常见的桌面操作系统，应用界面的窗口可以自由拖动和修改大小。如下图所示：

生命周期

多窗口不影响和改变原先Activity的生命周期。

在多窗口模式，多个Activity可以同时可见，但只有一个Activity是最顶层的，即：获取焦点的Activity。

所有其他Activity都会处于Paused状态（尽管它们是可见的）。

在以下三种场景下，系统会通知应用有状态变化，应用可以进行处理：

当用户以多窗口的模式启动的应用

当用户改变了Activity的窗口大小

当用户将应用窗口从多窗口模式改为全屏模式

关于应用如何进行状态变化的处理，请参见这里：Handling Runtime Changes，这里不再赘述。

开发者相关

Android从API Level 24开始，提供了以下一些机制来配合多窗口功能的使用。

Manifest新增属性

android:resizeableActivity=["true" | "false"]

这个属性可以用在或者上。置为true，表示可以以分屏或者Freeform模式启动。false表示不支持多窗口模式。对于API目标Level为24的应用来说，这个值默认是true。

-android:supportsPictureInPicture=["true" | "false"]这个属性用在上，表示是否支持画中画模式。如果android:resizeableActivity为false，这个属性值将被忽略。

Layout新增属性

android:defaultWidth，android:defaultHeightFreeform模式下的默认宽度和高度

android:gravityFreeform模式下的初始Gravity

android:minWidth, android:minHeight分屏和Freeform模式下的最小高度和宽度

这里是一段代码示例：

新增API

Activity.isInMultiWindowMode()查询是否处于多窗口模式

Activity.isInPictureInPictureMode()查询是否处于画中画模式

Activity.onMultiWindowModeChanged()多窗口模式变化时进行通知(进入或退出多窗口)

Activity.onPictureInPictureModeChanged()画中画模式变化时进行通知（进入或退出画中画模式）

Activity.enterPictureInPictureMode()调用这个接口进入画中画模式，如果系统不支持，这个调用无效

ActivityOptions.setLaunchBounds()在系统已经处于Freeform模式时，可以通过这个参数来控制新启动的Activity大小，如果系统不支持，这个调用无效

拖拽相关 Android N之前，系统只允许在一个Activity内部进行拖拽。但从Android N开始，系统支持在多个Activity之间进行拖拽，下面是一些相关的API。具体说明请参见官方文档。

DragAndDropPermissions

View.startDragAndDrop()

View.cancelDragAndDrop()

View.updateDragShadow()

Activity.requestDragAndDropPermissions()

相关模块和主要类

本文，我们主要关注多窗口的功能实现。这里列出了多窗口功能实现的主要类和模块。

这里的代码路径是指AOSP的源码路径，关于如何获取AOSP源码请参见这里：Downloading the Source。

ActivityManager

代码路径：/frameworks/base/services/core/java/com/android/server/am

ActivityManagerService 负责运行时管理的系统服务，这个类掌管了Android系统的四大组件（Activity，Service，BroadcastReceiver，ContentProvider），应用进程的启动退出，进程优先级的控制。说它是Framework中最重要的系统服务都不为过。

TaskRecord，ActivityStack 管理Activity的容器，多窗口的实现强烈依赖于ActivityStack，下文会详细讲解。

ActivityStackSupervisor 顾名思义，专门负责管理ActivityStack。

ActivityStarter Android N新增类。掌控Activity的启动。

WindowManager

代码路径：/frameworks/base/services/core/java/com/android/server/wm

WindowManagerService 负责窗口管理的系统服务。

Task，TaskStack 管理窗口对象的容器，与TaskRecord和ActivityStack对应。

WindowLayersController Android N新增类，专门负责Z-Order的计算。Z-Order决定了窗口的上下关系。

Framework API

代码路径：frameworks/base/core/java/

ActivityManager 提供了管理Activity的接口和常量。

ActivityOptions 提供了启动Activity的参数选项，例如，在Freefrom模式下，设置窗口大小。

SystemUI

代码路径：/frameworks/base/packages/SystemUI/

顾名思义：系统UI，这里包括：NavigationBar，StatusBar，Keyguard等。

PhoneStatusBar SystemUI中非常重要的一个类，负责了很多组件的初始化和控制。

为了便于说明，下文将直接使用这里提到的类。如果你想查看这些类的源码，请参阅这里的路径。

多窗口的功能实现

多窗口功能的实现主要依赖于ActivityManagerService与WindowManagerService这两个系统服务，它们都位于system_server进程中。该进程是Android系统中一个非常重要的系统进程。Framework中的很多服务都位于这个进程中。

整个Android的架构是CS的模型，应用程序是Client，而system_server进程就是对应的Server。

应用程序调用的很多API都会发送到system_server进程中对应的系统服务上进行处理，例如startActivity这个API，最终就是由ActivityManagerService进行处理。

而由于应用程序和system_server在各自独立的进程中运行，因此对于系统服务的请求需要通过Binder进行进程间通讯（IPC）来完成调用，以及调用结果的返回。

两个系统服务简介

ActivityManagerService负责Activity管理。

对于应用中创建的每一个Activity，在ActivityManagerService中都会有一个与之对应的ActivityRecord，这个ActivityRecord记录了应用程序中的Activity的状态。ActivityManagerService会利用这个ActivityRecord作为标识，对应用程序中的Activity进程调度，例如生命周期的管理。

实际上，ActivityManagerService的职责远超出的它的名称，ActivityManagerService负责了所有四大组件（Activity，Service，BroadcastReceiver，ContentProvider）的管理，以及应用程序的进程管理。

WindowManagerService负责Window管理。包括：

窗口的创建和销毁

窗口的显示与隐藏

窗口的布局

窗口的Z-Order管理

焦点的管理

输入法和壁纸管理

等等每一个Activity都会有一个自己的窗口，在WindowManagerService中便会有一个与之对应的WindowState。WindowManagerService以此标示应用程序中的窗口，并用这个WindowState来存储，查询和控制窗口的状态。

ActivityManagerService与WindowManagerService需要紧密配合在一起工作，因为无论是创建还是销毁Activity都牵涉到Actiivty对象和窗口对象的创建和销毁。这两者是既相互独立，又紧密关联在一起的。

Activity启动过程

Activity的启动过程主要包含以下几个步骤：

Intent的解析（Intent可能是隐式的：关于Intents and Intent Filters）

Activity的匹配（符合Intent的Activity可能会有多个）

应用进程的创建

Task，Stack的获取或者创建

Activity窗口的创建

Activity生命周期的调度（onCreate，onResume等）

本文不打算讲解Activity启动的详细过程，对于这部分内容有兴趣的读者请参阅其他资料，比如这篇Android中Activity启动过程探究

Task和Stack

Android系统中的每一个Activity都位于一个Task中。一个Task可以包含多个Activity，同一个Activity也可能有多个实例。在AndroidManifest.xml中，我们可以通过android:launchMode来控制Activity在Task中的实例。

另外，在startActivity的时候，我们也可以通过setFlag来控制启动的Activity在Task中的实例。

Task管理的意义还在于近期任务列表以及Back栈。当你通过多任务键（有些设备上是长按Home键，有些设备上是专门提供的多任务键）调出多任务时，其实就是从ActivityManagerService获取了最近启动的Task列表。

Back栈管理了当你在Activity上点击Back键，当前Activity销毁后应该跳转到哪一个Activity的逻辑。关于Task和Back栈，请参见这里：Tasks and Back Stack。

其实在ActivityManagerService与WindowManagerService内部管理中，在Task之外，还有一层容器，这个容器应用开发者和用户可能都不会感觉到或者用到，但它却非常重要，那就是Stack。下文中，我们将看到，Android系统中的多窗口管理，就是建立在Stack的数据结构上的。一个Stack中包含了多个Task，一个Task中包含了多个Activity（Window），下图描述了它们的关系：

另外还有一点需要注意的是，ActivityManagerService和WindowManagerService中的Task和Stack结构是一一对应的，对应关系对于如下：

ActivityStack <–> TaskStack

TaskRecord <–> Task

即，ActivityManagerService中的每一个ActivityStack或者TaskRecord在WindowManagerService中都有对应的TaskStack和Task，这两类对象都有唯一的id（id是int类型），它们通过id进行关联。

多窗口与Stack

用过macOS或者Ubuntu的人应该都会用过虚拟桌面的功能，如下图所示：

这里创建了多个“虚拟桌面”，并在最上面一排列出了出来。每个虚拟桌面里面都可以放置一个或多个应用窗口，虚拟桌面可以作为一个整体进行切换。

Android为了支持多窗口，在运行时创建了多个Stack，Stack就是类似这里虚拟桌面的作用。

每个Stack会有一个唯一的Id，在ActivityManager.java中定义了这些Stack的Id：

/** First static stack ID. */publicstaticfinalintFIRST_STATIC_STACK_ID=0;/** Home activity stack ID. */publicstaticfinalintHOME_STACK_ID=FIRST_STATIC_STACK_ID;/** ID of stack where fullscreen activities are normally launched into. */publicstaticfinalintFULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID=1;/** ID of stack where freeform/resized activities are normally launched into. */publicstaticfinalintFREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID=FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID+1;/** ID of stack that occupies a dedicated region of the screen. */publicstaticfinalintDOCKED_STACK_ID=FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID+1;/** ID of stack that always on top (always visible) when it exist. */publicstaticfinalintPINNED_STACK_ID=DOCKED_STACK_ID+1;

由此我们可以知道，系统中可能会包含这么几个Stack：

【Id：0】Home Stack，这个是Launcher所在的Stack。其实还有一些系统界面也运行在这个Stack上，例如近期任务

【Id：1】FullScren Stack，全屏的Activity所在的Stack。但其实在分屏模式下，Id为1的Stack只占了半个屏幕。

【Id：2】Freeform模式的Activity所在Stack

【Id：3】Docked Stack 下文中我们将看到，在分屏模式下，屏幕有一半运行了一个固定的应用，这个就是这里的Docked Stack

【Id：4】Pinned Stack 这个是画中画Activity所在的Stack

需要注意的是，这些Stack并不是系统一启动就全部创建好的。而是在需要用到的时候才会创建。上文已经提到过，ActivityStackSupervisor负责ActivityStack的管理。

有了以上这些背景知识之后，我们再来具体讲解一下Android系统中的三种多窗口模式。

分屏模式

在Nexus 6P手机上，分屏模式的启动和退出是长按多任务虚拟按键。下图是在Nexus 6P上启动分屏模式的样子：

在启动分屏模式的之后，系统会将屏幕一分为二。当前打开的应用移到屏幕上方（如果是横屏那就是左边），其他所有打开的应用，在下方（如果是横屏那就是右边）以多任务形式列出。

之后用户在操作的时候，下方的半屏保持了原先的使用方式：可以启动或退出应用，可以启动多任务后进行切换，而上方的应用保持不变。前面我们已经提到过，其实这里处于上半屏固定不变的应用就是处在Docked的Stack中（Id为3），下半屏是之前全屏的Stack进行了Resize（Id为1）。

下面，我们就顺着长按多任务按钮为线索，来调查一下分屏模式是如何启动的：其实无论是NavigationBar（屏幕最下方的三个虚拟按键）还是StatusBar（屏幕最上方的状态栏）都是在SystemUI中。我们可以以此为入口来调查。

PhoneStatusBar#prepareNavigationBarView为NavigationBar初始化了UI。同时也在这里为按钮设置了事件监听器。这里包括我们感兴趣的近期任务按钮的长按事件监听器：

privatevoidprepareNavigationBarView(){ mNavigationBarView.reorient(); ButtonDispatcher recentsButton = mNavigationBarView.getRecentsButton(); recentsButton.setOnClickListener(mRecentsClickListener); recentsButton.setOnTouchListener(mRecentsPreloadOnTouchListener); recentsButton.setLongClickable(true); recentsButton.setOnLongClickListener(mRecentsLongClickListener); ...}

在mRecentsLongClickListener中，主要的逻辑就是调用toggleSplitScreenMode。

toggleSplitScreenMode这个方法的名称很明显的告诉我们，这里是在切换分屏模式

privateView.OnLongClickListener mRecentsLongClickListener =newView.OnLongClickListener() {@OverridepublicbooleanonLongClick(View v){if(mRecents ==null|| !ActivityManager.supportsMultiWindow() || !getComponent(Divider.class).getView().getSnapAlgorithm() .isSplitScreenFeasible()) {returnfalse; } toggleSplitScreenMode(MetricsEvent.ACTION_WINDOW_DOCK_LONGPRESS, MetricsEvent.ACTION_WINDOW_UNDOCK_LONGPRESS);returntrue; }};

再顺着往下看PhoneStatusBar#toggleSplitScreenMode的代码：

这里我们看到，通过查询WindowManagerProxy.getInstance().getDockSide();来确定当前是否处于分屏模式，如果没有则将Top Task移到Docked的Stack上。这里的Top Task就是我们在长按多任务按键之前打开的当前应用。

@OverrideprotectedvoidtoggleSplitScreenMode(intmetricsDockAction,intmetricsUndockAction){if(mRecents ==null) {return; }intdockSide = WindowManagerProxy.getInstance().getDockSide();if(dockSide == WindowManager.DOCKED_INVALID) { mRecents.dockTopTask(NavigationBarGestureHelper.DRAG_MODE_NONE, ActivityManager.DOCKED_STACK_CREATE_MODE_TOP_OR_LEFT,null, metricsDockAction); }else{ EventBus.getDefault().send(newUndockingTaskEvent());if(metricsUndockAction != -1) { MetricsLogger.action(mContext, metricsUndockAction); } }}

之后便会调用到ActivityManagerService#moveTaskToDockedStack中。后面的大部分逻辑在ActivityStackSupervisor#moveTaskToStackLocked中，在这个方法中，会做如下几件事情：

通过指定的taskId获取对应的TaskRecord

为当前Activity替换窗口（因为要从FullScreen的Stack切换的Docked Stack上）

调用mWindowManager.deferSurfaceLayout通知WindowManagerService暂停布局

将当前TaskRecord移动到Docked Stack上

为移动后的Task和Stack设置Bounds，并且进行resize。这里还会通知ActivityonMultiWindowModeChanged

调用mWindowManager.continueSurfaceLayout(); 通知WindowManagerService继续开始布局

而Resize和布局就完全是WindowManagerService的事情，这里面需要计算两个Stack各自的大小，然后根据大小来对Stack中的Task和Activity窗口进行重新布局。

由于篇幅关系，这里不再贴出更多的代码。如果有兴趣，请自行获取AOSP的代码然后查看。

下图总结了启动分屏模式的执行逻辑：

这里需要注意的是：

黄色标记的模式是运行在SystemUI的进程中。

蓝色标记的模式是运行在system_server进程中。

moveTaskToDockedStack是一个Binder调用，通过IPC调用到了ActivityManagerService。

画中画模式

当应用程序调用Activity#enterPictureInPictureMode便进入了画中画模式。

Activity#enterPictureInPictureMode会通过Binder调用到ActivityManagerService中对应的方法，该方法代码如下：

publicvoidenterPictureInPictureMode(IBinder token){finallongorigId = Binder.clearCallingIdentity();try{synchronized(this) {if(!mSupportsPictureInPicture) {thrownewIllegalStateException("enterPictureInPictureMode: "+"Device doesn't support picture-in-picture mode."); }finalActivityRecord r = ActivityRecord.forTokenLocked(token);if(r ==null) {thrownewIllegalStateException("enterPictureInPictureMode: "+"Can't find activity for token="+ token); }if(!r.supportsPictureInPicture()) {thrownewIllegalArgumentException("enterPictureInPictureMode: "+"Picture-In-Picture not supported for r="+ r); }// Use the default launch bounds for pinned stack if it doesn't exist yet or use the// current bounds.finalActivityStack pinnedStack = mStackSupervisor.getStack(PINNED_STACK_ID);finalRect bounds = (pinnedStack !=null) ? pinnedStack.mBounds : mDefaultPinnedStackBounds; mStackSupervisor.moveActivityToPinnedStackLocked( r,"enterPictureInPictureMode", bounds); } }finally{ Binder.restoreCallingIdentity(origId); }}

这里的mStackSupervisor.getStack(PINNED_STACK_ID);是在获取Pinned Stack，当这个Stack不存在时，会将其创建。 IBinder token是调用enterPictureInPictureMode的Activity的Binder标示，通过这个标示可以获取到Activity对应的ActivityRecord对象，然后就是将这个ActivityRecord移动到Pinned Stack上。

Pinned Stack的默认大小来自于mDefaultPinnedStackBounds，这个值是从Internal的Resource上获取的：

mDefaultPinnedStackBounds = Rect.unflattenFromString(res.getString( com.android.internal.R.string.config_defaultPictureInPictureBounds));

而com.android.internal.R.string.config_defaultPictureInPictureBounds的值是从配置文件：/frameworks/base/core/res/res/values/config.xml 中读取的。

为什么一旦将Activity移动到Pinned Stack上，该窗口就能一直在最上层显示呢？这就是由Z-Order控制的，Z-Order决定了窗口的上下关系。 Android N中新增了一个类WindowLayersController来专门负责Z-Order的计算。在计算Z-Order的时候，有几类窗口会进行特殊处理，处于Pinned Stack上的窗口便是其中之一。

下面这段代码是在统计哪些窗口是需要特殊处理的，这里可以看到，除了Pinned Stack上的窗口，还有分屏模式下的窗口以及输入法窗口都需要特殊处理：

privatevoidcollectSpecialWindows(WindowState w){if(w.mAttrs.type == TYPE_DOCK_DIVIDER) { mDockDivider = w;return; }if(w.mWillReplaceWindow) { mReplacingWindows.add(w); }if(w.mIsImWindow) { mInputMethodWindows.add(w);return; } final TaskStackstack= w.getStack();if(stack== null) {return; }if(stack.mStackId == PINNED_STACK_ID) { mPinnedWindows.add(w); }elseif(stack.mStackId == DOCKED_STACK_ID) { mDockedWindows.add(w); }}

在统计完这些特殊窗口之后，在计算Z-Order时会对它们进行特殊处理：

privatevoidadjustSpecialWindows(){intlayer = mHighestApplicationLayer + WINDOW_LAYER_MULTIPLIER;// For pinned and docked stack window, we want to make them above other windows also when// these windows are animating.while(!mDockedWindows.isEmpty()) { layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mDockedWindows.remove(), layer); } layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mDockDivider, layer);if(mDockDivider !=null&& mDockDivider.isVisibleLw()) {while(!mInputMethodWindows.isEmpty()) {finalWindowState w = mInputMethodWindows.remove();// Only ever move IME windows up, else we brake IME for windows above the divider.if(layer > w.mLayer) { layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(w, layer); } } }// We know that we will be animating a relaunching window in the near future, which will// receive a z-order increase. We want the replaced window to immediately receive the same// treatment, e.g. to be above the dock divider.while(!mReplacingWindows.isEmpty()) { layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mReplacingWindows.remove(), layer); }while(!mPinnedWindows.isEmpty()) { layer = assignAndIncreaseLayerIfNeeded(mPinnedWindows.remove(), layer); }}

这段代码保证了处于Pinned Stack上的窗口（即处于画中画模式的窗口）的会在普通的应用窗口之上。

Freeform模式

在Andorid N设备上打开Freeform模式很简单，只需以下两个步骤：

执行以下命令：adb shell settings put global enable_freeform_support 1

然后重启手机：adb reboot

重启之后，在近期任务界面会出现一个按钮，这个按钮可以将窗口切换到Freeform模式，如下图所示：

这个按钮的作用其实就是将当前应用移到Freeform Stack上，相关逻辑在：

ActivityStackSupervisor中，代码如下：

voidfindTaskToMoveToFrontLocked(TaskRecord task,intflags, ActivityOptions options, String reason,booleanforceNonResizeable){ ...if(task.isResizeable() && options !=null) {intstackId = options.getLaunchStackId();if(canUseActivityOptionsLaunchBounds(options, stackId)) {finalRect bounds = TaskRecord.validateBounds(options.getLaunchBounds()); task.updateOverrideConfiguration(bounds);if(stackId == INVALID_STACK_ID) { stackId = task.getLaunchStackId(); }if(stackId != task.stack.mStackId) {finalActivityStack stack = moveTaskToStackUncheckedLocked( task, stackId, ON_TOP, !FORCE_FOCUS, reason); stackId = stack.mStackId; ...}

这段代码通过查询stackId，然后调用moveTaskToStackUncheckedLocked移动Task。而这里通过task.getLaunchStackId()获取到的stackId，其实就是FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID，相关代码如下：

TaskRecord#getLaunchStackId代码如下：

intgetLaunchStackId(){if(!isApplicationTask()) {returnHOME_STACK_ID; }if(mBounds !=null) {returnFREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID; }returnFULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID;}

即，如果设置了Bound，便表示该Task会在Freeform Stack上启动。

PS：这里将应用切换到Freeform模式，必须先打开应用，然后在近期任务中切换。

如果想要打开应用就直接进入Freeform模式，可以看一下这篇文章：

Taskbar lets you enable Freeform mode on Android Nougat without root or adb

如果没有Google Play，可以到这里下载上文中提到的Taskbar应用：Taskbar

有兴趣的读者也可以去GitHub上获取TaskBar的源码：farmerbb/Taskbar

其实TaskBar的原理就是在启动Activity的时候设置了Activity的Bounds，相关代码如下：

publicstaticvoidlaunchPhoneSize(Context context, Intent intent){ DisplayManager dm = (DisplayManager) context.getSystemService(Context.DISPLAY_SERVICE); Display display = dm.getDisplay(Display.DEFAULT_DISPLAY);intwidth1 = display.getWidth() /2;intwidth2 = context.getResources().getDimensionPixelSize(R.dimen.phone_size_width) /2;intheight1 = display.getHeight() /2;intheight2 = context.getResources().getDimensionPixelSize(R.dimen.phone_size_height) /2;try{ context.startActivity(intent, ActivityOptions.makeBasic().setLaunchBounds(newRect( width1 - width2, height1 - height2, width1 + width2, height1 + height2 )).toBundle()); }catch(ActivityNotFoundException e) {/* Gracefully fail */}}

而在ActivityStarter#computeStackFocus中会判断如果新启动的Activity设置了Bounds，

则在FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID这个Stack上启动Activity，相关代码如下：

finalintstackId = task !=null? task.getLaunchStackId() : bounds !=null? FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID : FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID;stack = mSupervisor.getStack(stackId, CREATE_IF_NEEDED, ON_TOP);if(DEBUG_FOCUS || DEBUG_STACK) Slog.d(TAG_FOCUS,"computeStackFocus: New stack r="+ r +" stackId="+ stack.mStackId);returnstack;

下图是启动Activity时创建Stack的调用过程：