反思|Android LayoutInflater机制的设计与实

作者: 像程序那样思考 | 来源:发表于2019-08-19 20:04 被阅读18次

概述

Android体系本身非常宏大，源码中值得思考和借鉴之处众多。以LayoutInflater本身为例，其整个流程中除了调用inflate()函数 填充布局 功能之外，还涉及到了 应用启动、调用系统服务（进程间通信）、对应组件作用域内单例管理、额外功能扩展 等等一系列复杂的逻辑。

本文笔者将针对LayoutInlater的整个设计思路进行描述，其整体结构如下图：

整体思路

1、创建流程

顾名思义，LayoutInflater的作用就是 布局填充器 ，其行为本质是调用了Android本身提供的 系统服务。而在Android系统的设计中，获取系统服务的实现方式就是通过ServiceManager来取得和对应服务交互的IBinder对象，然后创建对应系统服务的代理。

Android应用层将系统服务注册相关的API放在了SystemServiceRegistry类中，而将注册服务行为的代码放在了ContextImpl类中，ContextImpl类实现了Context类下的所有抽象方法。

Android应用层还定义了一个Context的另外一个子类：ContextWrapper，Activity、Service等组件继承了ContextWrapper, 每个ContextWrapper的实例有且仅对应一个ContextImpl，形成一一对应的关系，该类是 装饰器模式 的体现：保证了Context类公共功能代码和不同功能代码的隔离。

此外，虽然ContextImpl类作为Context类公共API的实现者，LayoutInlater的获取则交给了ContextThemeWrapper类，该类中将LayoutInlater的获取交给了一个成员变量，保证了单个组件 作用域内的单例。

2、布局填充流程

开发者希望直接调用LayoutInflater#inflate()函数对布局进行填充，该函数作用是对xml文件中标签的解析，并根据参数决定是否直接将新创建的View配置在指定的ViewGroup中。

一般来说，一个View的实例化依赖Context上下文对象和attr的属性集，而设计者正是通过将上下文对象和属性集作为参数，通过反射注入到View的构造器中对View进行创建。

除此之外，考虑到 性能优化 和 可扩展性，设计者为LayoutInflater设计了一个LayoutInflater.Factory2接口，该接口设计得非常巧妙：在xml解析过程中，开发者可以通过配置该接口对View的创建过程进行拦截：通过new的方式创建控件以避免大量地使用反射，亦或者 额外配置特殊标签的解析逻辑以创建特殊组件（比如Fragment）。

LayoutInflater.Factory2接口在Android SDK中的应用非常普遍，AppCompatActivity和FragmentManager就是最有力的体现，LayoutInflater.inflate()方法的理解虽然重要，但笔者窃以为LayoutInflater.Factory2的重要性与其相比不逞多让。

对于LayoutInflater整体不甚熟悉的开发者而言，本小节文字描述似乎晦涩难懂，且难免有是否过度设计的疑惑，但这些文字的本质却是布局填充流程整体的设计思想，读者不应该将本文视为源码分析，而应该将自己代入到设计的过程中 。

创建流程

1.Context：系统服务的提供者

上文提到，LayoutInflater作为系统服务之一，获取方式是通过ServiceManager来取得和对应服务交互的IBinder对象，然后创建对应系统服务的代理。

Binder机制相关并非本文的重点，读者可以注意到，Android的设计者将获取系统服务的接口交给了Context类，意味着开发者可以通过任意一个Context的实现类获取系统服务，包括不限于Activity、Service、Application等等：

public abstract class Context {
  // 获取系统服务
  public abstract Object getSystemService(String name);
  // ......
}

读者需要理解，Context类地职责并非只针对 系统服务 进行提供，还包括诸如 启动其它组件、获取SharedPerferences 等等，其中大部分功能对于Context的子类而言都是公共的，因此没有必要每个子类都对其进行实现。

Android设计者并没有直接通过继承的方式将公共业务逻辑放入Base类供组件调用或者重写，而是借鉴了 装饰器模式 的思想：分别定义了ContextImpl和ContextWrapper两个子类：

2.ContextImpl：Context的公共API实现

Context的公共API的实现都交给了ContextImpl，以获取系统服务为例，Android应用层将系统服务注册相关的API放在了SystemServiceRegistry类中，而ContextImpl则是SystemServiceRegistry#getSystemService的唯一调用者：

class ContextImpl extends Context {
    // 该成员即开发者使用的`Activity`等外部组件
    private Context mOuterContext;

    @Override
    public Object getSystemService(String name) {
        return SystemServiceRegistry.getSystemService(this, name);
    }
}

这种设计使得 系统服务的注册（SystemServiceRegistry类）和 系统服务的获取（ContextImpl类）在代码中只有一处声明和调用，大幅降低了模块之间的耦合。

3.ContextWrapper：Context的装饰器

ContextWrapper则是Context的装饰器，当组件需要获取系统服务时交给ContextImpl成员处理，伪代码实现如下：

// class Activity extends ContextWrapper
class ContextWrapper extends Context {
    // 1.将 ContextImpl 作为成员进行存储
    public ContextWrapper(ContextImpl base) {
        mBase = base;
    }

    ContextImpl mBase;

    // 2.系统服务的获取统一交给了ContextImpl
    @Override
    public Object getSystemService(String name) {
      return mBase.getSystemService(name);
    }
}

ContextWrapper装饰器的初始化如何实现呢？每当一个ContextWrapper组件（如Activity）被创建时，都为其创建一个对应的ContextImpl实例，伪代码实现如下:

public final class ActivityThread {

  // 每当`Activity`被创建
  private Activity performLaunchActivity() {
      // ....
      // 1.实例化 ContextImpl
      ContextImpl appContext = new ContextImpl();
      // 2.将 activity 注入 ContextImpl
      appContext.setOuterContext(activity);
      // 3.将 ContextImpl 也注入到 activity中
      activity.attach(appContext, ....);
      // ....
  }
}

读者应该注意到了第3步的activity.attach(appContext, ...)函数，该函数很重要，在【布局流程】一节中会继续引申。

4.组件的局部单例

读者也许注意到，对于单个Activity而言，多次调用activity.getLayoutInflater()或者LayoutInflater.from(activity)，获取到的LayoutInflater对象都是单例的——对于涉及到了跨进程通信的系统服务而言，通过作用域内的单例模式保证以节省性能是完全可以理解的。

设计者将对应的代码放在了ContextWrapper的子类ContextThemeWrapper中，该类用于方便开发者为Activity配置自定义的主题，除此之外还通过一个成员持有了一个LayoutInflater对象：

// class Activity extends ContextThemeWrapper
public class ContextThemeWrapper extends ContextWrapper {
  private Resources.Theme mTheme;
  private LayoutInflater mInflater;

  @Override
  public Object getSystemService(String name) {
      // 保证 LayoutInflater 的局部单例
      if (LAYOUT_INFLATER_SERVICE.equals(name)) {
          if (mInflater == null) {
              mInflater = LayoutInflater.from(getBaseContext()).cloneInContext(this);
          }
          return mInflater;
      }
      return getBaseContext().getSystemService(name);
  }
}

而无论activity.getLayoutInflater()还是LayoutInflater.from(activity)，其内部最终都执行的是ContextThemeWrapper#getSystemService(前者和PhoneWindow还有点关系，这个后文会提), 因此获取到的LayoutInflater自然是同一个对象了：

public abstract class LayoutInflater {
  public static LayoutInflater from(Context context) {
      return (LayoutInflater) context.getSystemService(Context.LAYOUT_INFLATER_SERVICE);
  }
}

布局填充流程

上一节我们提到了Activity启动的过程，这个过程中不可避免的要创建一个窗口，最终UI的布局都要展示在这个窗口上，Android中通过定义了PhoneWindow类对这个UI的窗口进行描述。

1.PhoneWindow：setContentView()的真正实现

Activity将布局填充相关的逻辑委托给了PhoneWindow，Activity的setContentView()函数，其本质是调用了PhoneWindow的setContentView()函数。

public class PhoneWindow extends Window {

   public PhoneWindow(Context context) {
       super(context);
       mLayoutInflater = LayoutInflater.from(context);
   }

   // Activity.setContentView 实际上是调用了 PhoneWindow.setContentView()
   @Override
   public void setContentView(int layoutResID) {
       // ...
       mLayoutInflater.inflate(layoutResID, mContentParent);
   }
}

读者需要清楚，activity.getLayoutInflater()和activity.setContentView()等方法都使用到了PhoneWindow内部的LayoutInflater对象，而PhoneWindow内部对LayoutInflater的实例化，仍然是调用context.getSystemService()方法，因此和上一小节的结论并不冲突：

而无论activity.getLayoutInflater()还是LayoutInflater.from(activity)，其内部最终都执行的是ContextThemeWrapper#getSystemService。

PhoneWindow是如何实例化的呢，读者认真思考可知，一个Activity对应一个PhoneWindow的UI窗口，因此当Activity被创建时，PhoneWindow就被需要被创建了，执行时机就在上文的ActivityThread.performLaunchActivity()中：

public final class ActivityThread {

  // 每当`Activity`被创建
  private Activity performLaunchActivity() {
      // ....
      // 3.将 ContextImpl 也注入到 activity中
      activity.attach(appContext, ....);
      // ....
  }
}

public class Activity extends ContextThemeWrapper {

  final void attach(Context context, ...) {
    // ...
    // 初始化 PhoneWindow
    // window构造方法中又通过 Context 实例化了 LayoutInflater
    PhoneWindow mWindow = new PhoneWindow(this, ....);
  }
}

设计到这里，读者应该对LayoutInflater的整体流程已经有了一个初步的掌握，需要清楚的两点是：

1.无论是哪种方式获取到的LayoutInflater,都是通过ContextImpl.getSystemService()获取的，并且在Activity等组件的生命周期内保持单例；
2.即使是Activity.setContentView()函数,本质上也还是通过LayoutInflater.inflate()函数对布局进行解析和创建。

2.inflate()流程的设计和实现

从思想上来看，LayoutInflater.inflate()函数内部实现比较简单直观：

public View inflate(@LayoutRes int resource, ViewGroup root, boolean attachToRoot) {
      // ...
}

对该函数的参数进行简单归纳如下：第一个参数代表所要加载的布局，第二个参数是ViewGroup，这个参数需要与第3个参数配合使用，attachToRoot如果为true就把布局添加到ViewGroup中；若为false则只采用ViewGroup的LayoutParams作为测量的依据却不直接添加到ViewGroup中。

从设计的角度上思考，该函数的设计过程中，为什么需要定义这样的三个参数？为什么这样三个参数就能涵盖我们日常开发过程中布局填充的需求？

2.1 三个火枪手

对于第一个资源id参数而言，UI的创建必然依赖了布局文件资源的引用，因此这个参数无可厚非。

我们先略过第二个参数，直接思考第三个参数，为什么需要这样一个boolean类型的值，以决定是否将创建的View直接添加到指定的ViewGroup中呢，不设计这个参数是否可以？

换个角度思考，这个问题的本质其实是：是否每个View的创建都必须立即添加在ViewGroup中？答案当然是否定的，为了保证性能，设计者不可能让所有的View被创建后都能够立即被立即添加在ViewGroup中，这与目前Android中很多组件的设计都有冲突，比如ViewStub、RecyclerView的条目、Fragment等等。

因此，更好的方式应该是可以通过一个boolean的开关将整个过程切分成2个小步骤，当View生成并根据ViewGroup的布局参数生成了对应的测量依据后，开发者可以根据需求手动灵活配置是否立即添加到ViewGroup中——这就是第三个参数的由来。

那么ViewGroup类型的第二个参数为什么可以为空呢？实际开发过程中，似乎并没有什么场景在填充布局时需要使ViewGroup为空？

读者仔细思考可以很容易得出结论，事实上该参数可空是有必要的——对于ActivityUI的创建而言，根结点最顶层的ViewGroup必然是没有父控件的，这时在布局的创建时，就必须通过将null作为第二个参数交给LayoutInlater的inflate()方法，当View被创建好后，将View的布局参数配置为对应屏幕的宽高：

// DecorView.onResourcesLoaded()函数
void onResourcesLoaded(LayoutInflater inflater, int layoutResource) {
    // ...
    // 创建最顶层的布局时，需要指定父布局为null
    final View root = inflater.inflate(layoutResource, null);
    // 然后将宽高的布局参数都指定为 MATCH_PARENT（屏幕的宽高）
    mDecorCaptionView.addView(root, new ViewGroup.MarginLayoutParams(MATCH_PARENT, MATCH_PARENT));
}

现在我们理解了 为什么三个参数就能涵盖开发过程中布局填充的需求，接下来继续思考下一个问题，LayoutInflater是如何解析xml的。

2.2 xml解析流程

xml解析过程的思路很简单；

1. 首先根据布局文件，生成对应布局的XmlPullParser解析器对象；
1. 对于单个View的解析而言，一个View的实例化依赖Context上下文对象和attr的属性集，而设计者正是通过将上下文对象和属性集作为参数，通过反射注入到View的构造器中对单个View进行创建；
1. 对于整个xml文件的解析而言，整个流程依然通过典型的递归思想，对布局文件中的xml文件进行遍历解析，自底至顶对View依次进行创建，最终完成了整个View树的创建。

单个View的实例化实现如下，这里采用伪代码的方式实现：

// LayoutInflater类
public final View createView(String name, String prefix, AttributeSet attrs) {
    // ...
    // 1.根据View的全名称路径，获取View的Class对象
    Class<? extends View> clazz = mContext.getClassLoader().loadClass(name + prefix).asSubclass(View.class);
    // 2.获取对应View的构造器
    Constructor<? extends View> constructor = clazz.getConstructor(mConstructorSignature);
    // 3.根据构造器，通过反射生成对应 View
    args[0] = mContext;
    args[1] = attrs;
    final View view = constructor.newInstance(args);
    return view;
}

对于整体解析流程而言，伪代码实现如下：

void rInflate(XmlPullParser parser, View parent, Context context, AttributeSet attrs) {
  // 1.解析当前控件
  while (parser.next()!= XmlPullParser.END_TAG) {
    final View view = createViewFromTag(parent, name, context, attrs);
    final ViewGroup viewGroup = (ViewGroup) parent;
    final ViewGroup.LayoutParams params = viewGroup.generateLayoutParams(attrs);
    // 2.解析子布局
    rInflateChildren(parser, view, attrs, true);
    // 所有子布局解析结束，将当前控件及布局参数添加到父布局中
    viewGroup.addView(view, params);
  }
}

final void rInflateChildren(XmlPullParser parser, View parent, AttributeSet attrs, boolean finishInflate){
  // 3.子布局作为根布局，通过递归的方式，层级向下一层层解析
  // 继续执行 1
  rInflate(parser, parent, parent.getContext(), attrs, finishInflate);
}

至此，一般情况下的布局填充流程到此结束，inflate()方法执行完毕，对应的布局文件解析结束，并根据参数配置决定是否直接添加在ViewGroup根布局中。

LayoutInlater的设计流程到此就结束了吗，当然不是，更巧妙的设计还尚未登场。

拦截机制和解耦策略

抛出问题

读者需要清楚的是，到目前为止，我们的设计还遗留了2个明显的缺陷：

1.布局的加载流程中，每一个View的实例化都依赖了Java的反射机制，这意味着额外性能的损耗；
2.如果在xml布局中声明了fragment标签，会导致模块之间极高的耦合。

什么叫做 fragment标签会导致模块之间极高的耦合 ？举例来说，开发者在layout文件中声明这样一个Fragment:

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<android.support.constraint.ConstraintLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    xmlns:app="http://schemas.android.com/apk/res-auto"
    xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"
    android:layout_width="match_parent"
    android:layout_height="match_parent"
    tools:context=".MainActivity">

    <!-- 声明一个fragment -->
    <fragment
        android:id="@+id/fragment"
        android:name="com.github.qingmei2.myapplication.AFragment"
        android:layout_width="match_parent"
        android:layout_height="match_parent"/>

</android.support.constraint.ConstraintLayout>

看起来似乎没有什么问题，但读者认真思考会发现，如果这是一个v4包的Fragment，是否意味着LayoutInflater额外增加了对Fragment类的依赖，类似这样：

// LayoutInflater类
void rInflate(XmlPullParser parser, View parent, Context context, AttributeSet attrs) {
  // 1.解析当前控件
  while (parser.next()!= XmlPullParser.END_TAG) {
    //【注意】2.如果标签是一个Fragment，反射生成Fragment并返回
    if (name == "fragment") {
      Fragment fragment = clazz.newInstance();
      // .....还会关联到SupportFragmentManager、FragmentTransaction的依赖！
      supportFragmentManager.beginTransaction().add(....).commit();
      return;
    }

    final View view = createViewFromTag(parent, name, context, attrs);
    final ViewGroup viewGroup = (ViewGroup) parent;
    final ViewGroup.LayoutParams params = viewGroup.generateLayoutParams(attrs);
    // 3.解析子布局
    rInflateChildren(parser, view, attrs, true);
    // 所有子布局解析结束，将当前控件及布局参数添加到父布局中
    viewGroup.addView(view, params);
  }
}

这导致了LayoutInflater在解析fragment标签过程中，强制依赖了很多设计者不希望的依赖（比如v4包下Fragment相关类），继续往下思考的话，还会遇到更多的问题，这里不再引申。

那么如何解决这样的两个问题呢？

解决思路

考虑到 性能优化 和 可扩展性，设计者为LayoutInflater设计了一个LayoutInflater.Factory接口，该接口设计得非常巧妙：在xml解析过程中，开发者可以通过配置该接口对View的创建过程进行拦截：通过new的方式创建控件以避免大量地使用反射，亦或者 额外配置特殊标签的解析逻辑以创建特殊组件 ：

public abstract class LayoutInflater {
  private Factory mFactory;
  private Factory2 mFactory2;
  private Factory2 mPrivateFactory;

  public void setFactory(Factory factory) {
    //...
  }

  public void setFactory2(Factory2 factory) {
      // Factory 只能被set一次
      if (mFactorySet) {
          throw new IllegalStateException("A factory has already been set on this LayoutInflater");
      }
      mFactorySet = true;
      mFactory = mFactory2 = factory;
      // ...
  }

  public interface Factory {
    public View onCreateView(String name, Context context, AttributeSet attrs);
  }

  public interface Factory2 extends Factory {
    public View onCreateView(View parent, String name, Context context, AttributeSet attrs);
  }
}

正如上文所说的，Factory接口的意义是在xml解析过程中，开发者可以通过配置该接口对View的创建过程进行拦截，对于View的实例化，最终实现的伪代码如下：

View createViewFromTag() {
  View view;
  // 1\. 如果mFactory2不为空, 用mFactory2 拦截创建 View
  if (mFactory2 != null) {
      view = mFactory2.onCreateView(parent, name, context, attrs);
  // 2\. 如果mFactory不为空, 用mFactory 拦截创建 View
  } else if (mFactory != null) {
      view = mFactory.onCreateView(name, context, attrs);
  } else {
      view = null;
  }

  // 3\. 如果经过拦截机制之后，view仍然是null，再通过系统反射的方式，对View进行实例化
  if (view == null) {
      view = createView(name, null, attrs);
  }
}

理解了LayoutInflater.Factory接口设计的思路，接下来一起来思考如何解决上文中提到的2个问题。

减少反射次数

AppCompatActivity的源码中隐晦地配置LayoutInflater.Factory减少了大量反射创建控件的情况——设计者的思路是，在AppCompatActivity的onCreate()方法中，为LayoutInflater对象调用了setFactory2()方法：

// AppCompatActivity类
@Override
protected void onCreate(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
    getDelegate().installViewFactory();
    //...
}

// AppCompatDelegateImpl类
@Override
public void installViewFactory() {
    LayoutInflater layoutInflater = LayoutInflater.from(mContext);
    if (layoutInflater.getFactory() == null) {
      LayoutInflaterCompat.setFactory2(layoutInflater, this);
    }
}

配置之后，在inflate()过程中，系统的基础控件的实例化都通过代码拦截，并通过new的方式进行返回：

switch (name) {
    case "TextView":
        view = new AppCompatTextView(context, attrs);
        break;
    case "ImageView":
        view = new AppCompatImageView(context, attrs);
        break;
    case "Button":
        view = new AppCompatButton(context, attrs);
        break;
    case "EditText":
        view = new AppCompatEditText(context, attrs);
        break;
    // ...
    // Android 基础组件都通过new方式进行创建
}

源码也说明了，即使开发者在xml文件中配置的是Button，setContentView()之后，生成的控件其实是AppCompatButton, TextView或者ImageView亦然，在避免额外的性能损失的同时，也保证了Android版本的向下兼容。

特殊标签的解析策略

为什么Fragment没有定义类似void setContentView(R.layout.xxx)的函数对布局进行填充，而是使用了View onCreateView()这样的函数，让开发者填充并返回一个对应的View呢？

原因就在于在布局填充的过程中，Fragment最终被视为一个子控件并添加到了ViewGroup中，设计者将FragmentManagerImpl作为FragmentManager的实现类，同时实现了LayoutInflater.Factory2接口。

而在布局文件中fragment标签解析的过程中，实际上是调用了FragmentManagerImpl.onCreateView()函数，生成了Fragment之后并将View返回，跳过了系统反射生成View相关的逻辑:

# android.support.v4.app.FragmentManager$FragmentManagerImpl
@Override
public View onCreateView(View parent, String name, Context context, AttributeSet attrs) {
   if (!"fragment".equals(name)) {
       return null;
   }
   // 如果标签是`fragment`，生成Fragment，并返回Fragment的Root
   return fragment.mView;
}

通过定义LayoutInflater.Factory接口，设计者将Fragment的功能抽象为一个View（虽然Fragment并不是一个View），并交给FragmentManagerImpl进行处理，减少了模块之间的耦合，可以说是非常优秀的设计。

实际上LayoutInflater.Factory接口的设计还有更多细节（比如LayoutInflater.FactoryMerger类），篇幅原因，本文不赘述，有兴趣的读者可以研究一下。

小结

LayoutInflater整体的设计非常复杂且巧妙，从应用启动到进程间通信，从组件的启动再到组件UI的渲染，都可以看到LayoutInflater的身影，因此非常值得认真学习一番，建议读者参考本文开篇的思维导图并结合Android源码进行整体小结。

作者：却把清梅嗅
原文链接：https://juejin.im/post/5d5a62c0e51d4561ba48fde0