Android 7.0中的多窗口实现解析

在以往的Android系统上，所有Activity都是全屏的，如果不设置透明效果，一次只能看到一个Activity界面。

但是从Android N（7.0）版本开始，系统支持了多窗口功能。在有了多窗口支持之后，用户可以同时打开和看到多个应用的界面。并且系统还支持在多个应用之间进行拖拽。在大屏幕设备上，这一功能非常实用。

本文将详细讲解Android系统中多窗口功能的实现。

多窗口功能介绍
相关模块和主要类
多窗口的功能实现
参考资料

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：

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：

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：

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<activity>或者<application> 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<activity>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:defaultHeight Freeform模式下的默认宽度和高度
- android:gravity Freeform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：

<activity android:name=".MyActivity">
    <layout android:defaultHeight="500dp"
          android:defaultWidth="600dp"
          android:gravity="top|end"
          android:minHeight="450dp"
          android:minWidth="300dp" />
</activity>

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()

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。

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. */
public static final int FIRST_STATIC_STACK_ID = 0;

/** Home activity stack ID. */
public static final int HOME_STACK_ID = FIRST_STATIC_STACK_ID;

/** ID of stack where fullscreen activities are normally launched into. */
public static final int FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID = 1;

/** ID of stack where freeform/resized activities are normally launched into. */
public static final int FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID = FULLSCREEN_WORKSPACE_STACK_ID + 1;

/** ID of stack that occupies a dedicated region of the screen. */
public static final int DOCKED_STACK_ID = FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID + 1;

/** ID of stack that always on top (always visible) when it exist. */
public static final int PINNED_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：

private void prepareNavigationBarView() {
   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

private View.OnLongClickListener mRecentsLongClickListener = new View.OnLongClickListener() {

   @Override
   public boolean onLongClick(View v) {
       if (mRecents == null || !ActivityManager.supportsMultiWindow()
               || !getComponent(Divider.class).getView().getSnapAlgorithm()
                       .isSplitScreenFeasible()) {
           return false;
       }

       toggleSplitScreenMode(MetricsEvent.ACTION_WINDOW_DOCK_LONGPRESS,
               MetricsEvent.ACTION_WINDOW_UNDOCK_LONGPRESS);
       return true;
   }
};

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。

@Override
protected void toggleSplitScreenMode(int metricsDockAction, int metricsUndockAction) {
   if (mRecents == null) {
       return;
   }
   int dockSide = 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(new UndockingTaskEvent());
       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Activity onMultiWindowModeChanged
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： sequece_splitscreen_mode_start

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：

public void enterPictureInPictureMode(IBinder token) {
   final long origId = Binder.clearCallingIdentity();
   try {
       synchronized(this) {
           if (!mSupportsPictureInPicture) {
               throw new IllegalStateException("enterPictureInPictureMode: "
                       + "Device doesn't support picture-in-picture mode.");
           }

           final ActivityRecord r = ActivityRecord.forTokenLocked(token);

           if (r == null) {
               throw new IllegalStateException("enterPictureInPictureMode: "
                       + "Can't find activity for token=" + token);
           }

           if (!r.supportsPictureInPicture()) {
               throw new IllegalArgumentException("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.
           final ActivityStack pinnedStack = mStackSupervisor.getStack(PINNED_STACK_ID);
           final Rect 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：

private void collectSpecialWindows(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 TaskStack stack = w.getStack();
   if (stack == null) {
       return;
   }
   if (stack.mStackId == PINNED_STACK_ID) {
       mPinnedWindows.add(w);
   } else if (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：

private void adjustSpecialWindows() {
   int layer = 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()) {
           final WindowState 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：

void findTaskToMoveToFrontLocked(TaskRecord task, int flags, ActivityOptions options, String reason, boolean forceNonResizeable) {
   ...
   if (task.isResizeable() && options != null) {
       int stackId = options.getLaunchStackId();
       if (canUseActivityOptionsLaunchBounds(options, stackId)) {
           final Rect bounds = TaskRecord.validateBounds(options.getLaunchBounds());
           task.updateOverrideConfiguration(bounds);
           if (stackId == INVALID_STACK_ID) {
               stackId = task.getLaunchStackId();
           }
           if (stackId != task.stack.mStackId) {
               final ActivityStack 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：

int getLaunchStackId() {
   if (!isApplicationTask()) {
       return HOME_STACK_ID;
   }
   if (mBounds != null) {
       return FREEFORM_WORKSPACE_STACK_ID;
   }
   return FULLSCREEN_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：

public static void launchPhoneSize(Context context, Intent intent) {
   DisplayManager dm = (DisplayManager) context.getSystemService(Context.DISPLAY_SERVICE);
   Display display = dm.getDisplay(Display.DEFAULT_DISPLAY);

   int width1 = display.getWidth() / 2;
   int width2 = context.getResources().getDimensionPixelSize(R.dimen.phone_size_width) / 2;
   int height1 = display.getHeight() / 2;
   int height2 = context.getResources().getDimensionPixelSize(R.dimen.phone_size_height) / 2;

   try {
       context.startActivity(intent, ActivityOptions.makeBasic().setLaunchBounds(new Rect(
               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：

final int stackId = 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);
return stack;