Android子线程更新View的方法原理

李萧蝶2025-03-13 18:21

对于所有的Android开发者来说，"View的更新必须在UI线程中进行"是一项最基本常识。

如果不在UI线程中更新View，系统会抛出CalledFromWrongThreadException异常。那么有没有什么办法可以不在UI线程中更新View？答案当然是有的！

一.ViewRootImpl渲染体系

在Android系统中，ViewRootImpl负责View的绘制调度、事件分发、窗口管理等功能。

各层级View遵循单一父View对应多个子View的关系，通过嵌套形成树形结构。

由于ViewRootImpl不是真正的View，因此ViewRootImpl只是View调度的根节点，并不是View树的根节点。View树真正的根节点是DecorView。DecorView继承自FrameLayout，是真正的View容器。ViewRootImpl通过管理DecorView，间接统筹管理所有层级的View。

1.DecorView的创建

当启动Activity时，系统会调用ActivityThread的handleLaunchActivity方法处理Activity的启动流程。

在ActivityThread的handleLaunchActivity方法中，会分别调用performLaunchActivity方法、handleStartActivity方法、handleResumeActivity方法，反射创建Activity，并回调Activity的生命周期，如下图所示：

在实际的开发过程中，通常会在Activity的onCreate方法中，调用setContentView方法，为Activity设置对应的View。在setContentView方法中，会调用installDecor方法，创建DecorView，如下图所示：

2.ViewRootImpl的创建

在ActivityThread的handleResumeActivity方法中，主要做了两件事：

1）回调Activity的onResume方法，切换生命周期。

2）调用Activity的makeVisible方法，创建ViewRootImpl与DecorView进行绑定。

在Activity的makeVisible方法中，会通过WindowManager创建ViewRootImpl对象，并与DecorView进行绑定，如下图所示：

在ViewRootImpl的setView方法中，ViewRootImpl会与DecorView进行双向绑定，如下图所示：

3.渲染体系与生命周期

在Activity的首次启动过程中：

  • 回调onCreate方法时：调用setContentView方法，触发DecorView的创建。
  • 回调onStart方法时：DecorView完成创建，ViewRootImpl未创建。
  • 回调onResume方法时：DecorView完成创建，ViewRootImpl未创建。回调后立刻创建ViewRootImpl，并与DecorView完成绑定。

二.线程检测机制

1.异常产生

CalledFromWrongThreadException异常的抛出发生在ViewRootImpl类的checkThread方法中。当对View进行更新时，最终都会调用ViewRootImpl类的checkThread方法进行线程检测，代码如下：

java 复制代码 
void checkThread() {
    Thread current = Thread.currentThread();
    if (mThread != current) {
        throw new CalledFromWrongThreadException(
                "Only the original thread that created a view hierarchy can touch its views."
                        + " Expected: " + mThread.getName()
                        + " Calling: " + current.getName());
    }
}

当判断调用checkThread方法的线程和mThread不一致时，会抛出CalledFromWrongThreadException异常。

2.检测路径

在ViewRootImpl中，共有13个方法在执行时会进行线程检测。如下所示：

  • requestFitSystemWindows：请求调整View的布局以适应系统窗口。
  • requestLayout：请求重新对View布局。
  • invalidateChildInParent：通知父View某个子View需要重绘。
  • setWindowStopped：设置Window的停止状态。
  • requestTransparentRegion：请求计算View的透明区域。
  • requestChildFocus：请求将焦点设置到某个子View上。
  • clearChildFocus：清除子View焦点。
  • focusableViewAvailable：通知父View某个子View可以获取焦点。
  • recomputeViewAttributes：重新计算View的属性。
  • playSoundEffect：播放与View交互相关的音效。
  • focusSearch：在View树中搜索下一个可以获取焦点的View。
  • keyboardNavigationClusterSearch：在键盘导航集群中搜索下一个可以获取焦点的View。
  • doDie：销毁当前的ViewRootImpl。

但与View更新最为密切的是requestLayout方法和invalidateChildInParent方法。

在Android系统中，任何对View的更新操作，最终都要直接或间接调用View的invalidate方法或requestLayout方法。这两个方法会触发ViewRootImpl中的相应逻辑，在绘制调度前进行线程检测。

View的invalidate方法和requestLayout方法都会触发ViewRootImpl对View重新进行绘制调度(measure、layout、draw)，但二者的区别在于：

  • invalidate方法：标记当前区域为dirty，表示需要重新绘制，并在下一次绘制调度中触发draw流程，不会触发measure流程和layout流程。
  • requestLayout方法：清除已经测量的数据，并在下一次绘制调度中触发measure流程和layout流程，如果在layout过程中发现View的大小发生变化，则会通过调用setFrame方法，间接触发调用一次invalidate方法，并在下一次绘制调度中触发draw流程。

1）invalidate方法触发线程检测

当调用View的invalidate方法时，invalidate方法内部会调用父View的invalidateChild方法，通过循环的方式，一层一层的获取父View，通知重新绘制，最终通知到ViewRootImpl，如下图所示：

在ViewRootImpl的invalidateChildInParent方法中，会进行线程检测，代码如下：

java 复制代码 
@Override
public ViewParent invalidateChildInParent(int[] location, Rect dirty) {
    // 线程检测
    checkThread();
    ...

    return null;
}

2）requestLayout方法触发线程检测

当调用View的requestLayout方法时，会调用父View的requestLayout方法。通过一层一层的递归调用向上通知，最终通知到ViewRootImpl，如下图所示：

在ViewRootImpl的requestLayout方法中，会进行线程检测，代码如下：

java 复制代码 
@Override
public void requestLayout() {
    if (!mHandlingLayoutInLayoutRequest) {
        // 线程检测
        checkThread();
        mLayoutRequested = true;
        scheduleTraversals();
    }
}

三.子线程更新View

子线程更新View的方式分为两种：基于独立渲染体系和基于ViewRootImpl渲染体系。需要注意的是，尽管ViewRootImpl渲染体系支持在子线程更新View，但为了保证View状态的一致性，还是建议在UI线程更新View。

1.基于独立渲染体系

1）使用SurfaceView绘制

SurfaceView依靠自身维护BLASTBufferQueue获取Surface，在SurfaceFlinger中拥有独立的Layer。在绘制时不经过ViewRootImpl，详情参考：SurfaceView与TextureView的绘制渲染，代码如下：

kotlin 复制代码 
class TestActivity : AppCompatActivity() {

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.layout_activity_test)
        // 获取SurfaceView
        val view = findViewById<SurfaceView>(R.id.surface_view)
        // 创建调度器为IO线程的协程作用域
        val scope = CoroutineScope(Dispatchers.IO)
        
        // 监听Surface变化
        view.holder.addCallback(object : SurfaceHolder.Callback {
            override fun surfaceCreated(holder: SurfaceHolder) {
                // Surface创建时启动运行在IO线程的协程
                scope.launch {
                    while (true) {
                        // 每隔100ms绘制一次背景
                        delay(100)
                        val canvas = holder.lockCanvas()
                        canvas.drawColor(Color.RED)
                        holder.unlockCanvasAndPost(canvas)
                    }
                }
            }

            override fun surfaceChanged(
                holder: SurfaceHolder,
                format: Int,
                width: Int,
                height: Int
            ) {
            }

            override fun surfaceDestroyed(holder: SurfaceHolder) {
                // Surface销毁时取消作用域内的协程
                scope.cancel()
            }
        })
    }
}

2）使用TextureView绘制

TextureView依靠自身维护的SurfaceTexture获取Surface，在绘制时不经过ViewRootImpl。

但与SurfaceView不同的是，通过TextureView的Surface绘制后的内容，不会直接提交到SurfaceFlinger，而是通过回调的方式触发调用一次invalidate方法，并在下一次绘制时通过硬件加速层的方式挂在View树下一起绘制，详情参考：SurfaceView与TextureView的绘制渲染，代码如下：

kotlin 复制代码 
class TestActivity : AppCompatActivity() {

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.layout_activity_test)

        // 获取TextureView
        val view = findViewById<TextureView>(R.id.texture_view)
        // 创建调度器为IO线程的协程作用域
        val scope = CoroutineScope(Dispatchers.IO)

        // 监听SurfaceTexture变化
        view.surfaceTextureListener = object : TextureView.SurfaceTextureListener {
            override fun onSurfaceTextureAvailable(
                surface: SurfaceTexture,
                width: Int,
                height: Int
            ) {
                // SurfaceTexture创建时启动运行在IO线程的协程
                scope.launch {
                    while (true) {
                        // 每隔100ms绘制一次背景
                        delay(100)
                        val canvas = view.lockCanvas() ?: continue
                        canvas.drawColor(Color.RED)
                        view.unlockCanvasAndPost(canvas)
                    }
                }
            }

            override fun onSurfaceTextureSizeChanged(
                surface: SurfaceTexture,
                width: Int,
                height: Int
            ) {
            }

            override fun onSurfaceTextureDestroyed(surface: SurfaceTexture): Boolean {
                // SurfaceTexture销毁时取消作用域内的协程
                scope.cancel()
                return true
            }

            override fun onSurfaceTextureUpdated(surface: SurfaceTexture) {
            }

        }
    }
}

3）接管ViewRootImpl的Surface

当在Activity中调用Window的takeSurface方法，会接管ViewRootImpl的Surface，Activity的渲染会脱离ViewRootImpl渲染体系，相当于整个Activity都变成了SurfaceView，代码如下：

kotlin 复制代码 
class TestActivity : AppCompatActivity() {

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)

        // 创建调度器为IO线程的协程作用域
        val scope = CoroutineScope(Dispatchers.IO)

        // 接管ViewRootImpl的Surface
        window.takeSurface(object : SurfaceHolder.Callback2 {
            override fun surfaceCreated(holder: SurfaceHolder) {
                // Surface创建时启动运行在IO线程的协程
                scope.launch {
                    while (true) {
                        // 每隔100ms绘制一次背景
                        delay(100)
                        val canvas = holder.lockCanvas()
                        canvas.drawColor(Color.RED)
                        holder.unlockCanvasAndPost(canvas)
                    }
                }
            }

            override fun surfaceChanged(
                holder: SurfaceHolder,
                format: Int,
                width: Int,
                height: Int
            ) {
            }

            override fun surfaceDestroyed(holder: SurfaceHolder) {
                // Surface销毁时取消作用域内的协程
                scope.cancel()
            }

            override fun surfaceRedrawNeeded(holder: SurfaceHolder) {
            }
        })
    }
}

2.基于ViewRootImpl渲染体系

1）ViewRootImpl渲染体系形成前

当Activity首次启动并在onCreate方法内调用setContentView方法后，在onCreate方法、onStart方法、onResume方法中，使用非UI线程更新View，不会触发线程检测，代码如下：

kotlin 复制代码 
class TestActivity : AppCompatActivity() {
    // 创建调度器为IO线程的协程作用域
    private val scope = CoroutineScope(Dispatchers.IO)
    // 标记在onResume方法中执行一次
    private var firstResume = true
    // 标记在onStart方法中执行一次
    private var firstStart = true

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.layout_activity_test)
        // onCreate方法中，启动运行在IO线程的协程
        scope.launch {
            // 更新TextView的文字内容
            findViewById<TextView>(R.id.text_view)?.text = "hello world"
        }
    }

    override fun onStart() {
        super.onStart()
        // 使用标志位，确保只在首次调用onStart时执行
        if(!firstStart) return
        firstStart = false
        // onStart方法中，启动运行在IO线程的协程
        scope.launch {
            // 更新TextView的文字内容
            findViewById<TextView>(R.id.text_view)?.text = "hello world !"
        }
    }

    override fun onResume() {
        super.onResume()
        // 使用标志位，确保只在首次调用onResume时执行
        if (!firstResume) return
        firstResume = false
        // onResume方法中，启动运行在IO线程的协程
        scope.launch {
            // 更新TextView的文字内容
            findViewById<TextView>(R.id.text_view)?.text = "hello world !!"
        }
    }
}

2）绑定ViewRootImpl渲染体系前

当动态创建完View后，在没有添加到与ViewRootImpl有关联的ViewGroup前，在非UI线程更新View，不会触发线程检测，代码如下：

kotlin 复制代码 
class TestActivity : AppCompatActivity() {
    // 创建调度器为IO线程的协程作用域
    private val scope = CoroutineScope(Dispatchers.IO)

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.layout_activity_test)
        
        // 获取TextView，监听点击事件
        findViewById<TextView>(R.id.text_view)?.setOnClickListener {
            // 当点击TextView时，启动运行在IO线程的协程
            scope.launch {
                // 创建一个TextView
                val view = TextView(this@TestActivity)
                // 设置文本内容
                view.text = "hello world"

                // 切换到UI线程
                withContext(Dispatchers.Main) {
                    // 添加到DecorView中
                    this@TestActivity.addContentView(
                        view, ViewGroup.LayoutParams(
                            ViewGroup.LayoutParams.MATCH_PARENT,
                            ViewGroup.LayoutParams.MATCH_PARENT
                        )
                    )
                }
            }
        }
    }
}

4）硬件渲染模式下的invalidate方法

在软件渲染模式下，当调用View的invalidate方法时，会调用父类的invalidateChild方法。但在硬件渲染模式下，为了防止循环遍历耗时，会直接调用onDescendantInvalidated方法，代码如下：

java 复制代码 
@Override
public final void invalidateChild(View child, final Rect dirty) {
    final AttachInfo attachInfo = mAttachInfo;
    if (attachInfo != null && attachInfo.mHardwareAccelerated) {
        // HW accelerated fast path
        onDescendantInvalidated(child, child);
        return;
    }

    ...
}

在ViewGroup的onDescendantInvalidated方法中，会通过递归调用的方式，最终调用ViewRootImpl的onDescendantInvalidated方法，如下图所示：

在ViewRootImpl的onDescendantInvalidated方法中，会直接调用invalidate方法，跳过线程检查，代码如下：

java 复制代码 
private static boolean sToolkitEnableInvalidateCheckThreadFlagValue =
    Flags.enableInvalidateCheckThread();

@Override
public void onDescendantInvalidated(@NonNull View child, @NonNull View descendant) {
    // Android Tool Kit为debug留的开关，默认为false
    if (sToolkitEnableInvalidateCheckThreadFlagValue) {
        checkThread();
    }
    if ((descendant.mPrivateFlags & PFLAG_DRAW_ANIMATION) != 0) {
        mIsAnimating = true;
    }
    invalidate();
}

@UnsupportedAppUsage
void invalidate() {
    mDirty.set(0, 0, mWidth, mHeight);
    if (!mWillDrawSoon) {
        // 启动绘制流程
        scheduleTraversals();
    }
}

Android系统默认的渲染模式为硬件渲染，这里在AndroidManifest中再手动声明一下，代码如下：

xml 复制代码 
<manifest xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"
    xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    package="com.test.ui">
    
    ...

    <!-- 启动应用级别的硬件渲染模式 -->
    <application android:hardwareAccelerated="true">
        
        ...
        
    </application>
    
</manifest>

在代码使用上，硬件渲染与软件渲染基本没有差别。当开启硬件渲染模式后，在子线程直接或间接调用View的invalidate方法不会产生崩溃，代码如下：

kotlin 复制代码 
class TestActivity : AppCompatActivity() {
    // 创建调度器为IO线程的协程作用域
    private val scope = CoroutineScope(Dispatchers.IO)
    // 文字大小
    private var size = 30f

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.layout_activity_test)
    }

    override fun onResume() {
        super.onResume()
        // 每次onResume时，启动一个运行在IO线程的协程
        scope.launch {
            // 更新文字大小
            size += 10f
            // 获取TextView，设置文字大小
            findViewById<TextView>(R.id.text_view)?.textSize = size
        }
    }
}

5）子线程中创建ViewRootImpl

实际上，Android系统并未要求View的更新必须在UI线程中进行。

通过分析CalledFromWrongThreadException异常抛出时的提示可以知道：View的更新必须在original thread中。而original thread就是ViewRootImpl中mThread字段保存的线程。

java 复制代码 
void checkThread() {
    Thread current = Thread.currentThread();
    if (mThread != current) {
        throw new CalledFromWrongThreadException(
                "Only the original thread that created a view hierarchy can touch its views."
                        + " Expected: " + mThread.getName()
                        + " Calling: " + current.getName());
    }
}

在ViewRootImpl的构造方法中，会对mThread进行初始化，代码如下：

java 复制代码 
public ViewRootImpl(
        @UiContext Context context,
        Display display,
        IWindowSession session,
        WindowLayout windowLayout) {
    ...
    // 获取当前的线程并保存
    mThread = Thread.currentThread();
    ...
}

因此，Android系统要求View更新必须在UI线程执行，本质上是因为ViewRootImpl在UI线程被创建，并在构造方法中保存当前线程引用(mThread)，并在每次操作时通过checkThread方法验证调用线程是否与mThread一致。

由于Activity的启动需要系统调度，系统会将Activity的启动安排在UI线程中进行，这也就导致无法在子线程中启动Activity，进而无法在子线程中创建ViewRootImpl。

但是在Android系统中，不仅Activity拥有ViewRootImpl，Dialog和PopupWindow等组件也各自拥有独立的ViewRootImpl。

如果在子线程中创建了Dialog或PopupWindow，那么后续对Dialog或PopupWindow中View的更新也必须在该子线程中进行，代码如下：

kotlin 复制代码 
class TestActivity : AppCompatActivity() {
    // 创建HandlerThread，并启动子线程update
    private val handleThread = HandlerThread("update").apply { start() }

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.layout_activity_test)
        // 创建子线程Handler，并向子线程update中提交一个任务
        Handler(handleThread.looper).post {
            // 获取容器View
            val parent = findViewById<ViewGroup>(R.id.container)
            // 通过加载XML的方式，创建一个子View
            val view = LayoutInflater.from(this)
                .inflate(R.layout.layout_test_popup_window, parent, false)
            // 创建PopupWindow，并将子View添加进去
            val popupWindow = PopupWindow(
                view,
                ViewGroup.LayoutParams.MATCH_PARENT,
                ViewGroup.LayoutParams.MATCH_PARENT
            )
            // 从子View中获取TextView
            val textView = popupWindow.contentView.findViewById<TextView>(R.id.pop_text)
            // 监听TextView的点击事件
            textView.setOnClickListener {
                // 更新TextView的文字内容，
                // 这里注意点击事件的回调线程变成了子线程update
                textView.text = "${Thread.currentThread()}"
                
                // 这里会产生CalledFromWrongThreadException异常
                // 因为没有在子线程update中更新
                window.decorView.post { textView.text = "${Thread.currentThread()}" }
            }
            // 这里先将任务提交到UI线程执行
            // 因为在onCreate方法中，容器View对应的Window还未创建好
            // 获取不到Window的Token，会产生异常
            window.decorView.post {
                // 切换到子线程，创建子线程Handler，并向子线程update中提交一个任务
                Handler(handleThread.looper).post {
                    // 子线程中展示popupWindow，会触发ViewRootImpl在子线程update中创建
                    popupWindow.showAtLocation(parent, Gravity.CENTER, 0, 0)
                }
            }
        }
    }
}

三.总结

1.View的更新必须在UI线程进行的原因

ViewRootImpl在UI线程中被创建，并在构造方法中保存了当前线程的引用(mThread)。在每次更新View时，通过调用View的invalidate方法或requestLayout方法触发ViewRootImpl的checkThread方法，验证调用线程是否与mThread一致。

2.Activity启动流程中渲染体系的创建

  • 回调onCreate方法时：调用setContentView方法，触发DecorView的创建。
  • 回调onStart方法时：DecorView完成创建，ViewRootImpl未创建。
  • 回调onResume方法时：DecorView完成创建，ViewRootImpl未创建。回调后立刻创建ViewRootImpl，并与DecorView完成绑定。

3.invalidate方法与requestLayout方法的区别

View的invalidate方法和requestLayout方法都会触发ViewRootImpl对View重新进行绘制调度(measure、layout、draw)，但二者的区别在于：

  • invalidate方法：标记当前区域为dirty，表示需要重新绘制，并在下一次绘制调度中触发draw流程，不会触发measure流程和layout流程。
  • requestLayout方法：清除已经测量的数据，并在下一次绘制调度中触发measure流程和layout流程，如果在layout过程中发现View的大小发生变化，则会通过调用setFrame方法，间接触发调用一次invalidate方法，并在下一次绘制调度中触发draw流程。

4.子线程更新View的方法

  • 基于独立渲染体系
    • 使用SurfaceView，直接对Surface进行绘制。
    • 使用TextureView，直接对Surface进行绘制。
    • 接管ViewRootImpl的Surface，直接对Surface进行绘制。
  • 基于ViewRootImpl渲染体系
    • 在ViewRootImpl渲染体系形成前，使用子线程更新View。
    • 在绑定ViewRootImpl渲染体系前，使用子线程更新View。
    • 硬件渲染模式下，子线程直接或间接调用View的invalidate方法。
    • 对于独立拥有ViewRootImpl的组件，在子线程中触发组件创建ViewRootImpl，并在对应的子线程中更新View。
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