Android View的绘制原理详解

Android 中 View 的绘制原理是一个核心机制，它决定了 UI 如何从代码定义最终变成屏幕上可见的像素。整个过程是一个自顶向下递归遍历、测量、布局和绘制 的过程，主要涉及三个核心阶段：测量（Measure） 、布局（Layout） 和 绘制（Draw）。以下是详细描述：

核心参与者

1. ViewRootImpl : 连接 WindowManager 和 DecorView 的纽带。它是整个 View 树绘制的发起者和总协调者。每个窗口（Activity/Dialog）对应一个 ViewRootImpl。
2. DecorView : 是窗口的顶级 View。它通常包含系统 UI（如状态栏背景、ActionBar/Toolbar）和开发者设置的 setContentView(R.layout.xxx) 的布局（作为其子 View，通常是 FrameLayout 或 LinearLayout）。
3. View: 所有 UI 组件的基类。负责自身的测量、布局和绘制。
4. ViewGroup : View 的子类，是容器，可以包含其他 View 或 ViewGroup（子 View）。它负责管理子 View，包括调用子 View 的测量、布局方法，并决定子 View 的位置和尺寸。

核心流程：三部曲

绘制过程由 ViewRootImpl 的 performTraversals() 方法发起。这个方法会根据需要（如 View 请求刷新、窗口首次显示、窗口大小改变等）依次调用三个核心方法：

1. 测量（Measure）：

   • 目的 ：确定每个 View 和 ViewGroup 的尺寸（宽和高）。
   • 发起者 ：ViewRootImpl 调用 DecorView 的 measure() 方法开始整个 View 树的测量。
   • 关键方法 ：
     • View.measure(int widthMeasureSpec, int heightMeasureSpec): 最终会调用 onMeasure(...)。View 的尺寸由其父 ViewGroup 传递下来的约束（MeasureSpec）和自身的需求共同决定。
     • View.onMeasure(int widthMeasureSpec, int heightMeasureSpec): 必须 被每个 View 或 ViewGroup 子类重写。在此方法中，View 根据父 ViewGroup 提供的约束（MeasureSpec）计算自己期望的尺寸。
     • setMeasuredDimension(int measuredWidth, int measuredHeight): 在 onMeasure() 内部必须调用此方法来保存计算出的最终尺寸。
   • MeasureSpec : 一个 32 位 int 值，高 2 位是 Mode，低 30 位是 Size 。它封装了父 ViewGroup 对子 View 尺寸的约束要求。
     • EXACTLY (精确模式) : 父 ViewGroup 已经为子 View 确定了精确的尺寸（size 就是具体值）。子 View 必须使用这个尺寸，通常对应 layout_width/height="具体dp值" 或 match_parent。
     • AT_MOST (最大模式) : 子 View 的尺寸不能超过父 ViewGroup 指定的 size。子 View 应计算出它在这个限制下希望的大小，通常对应 layout_width/height="wrap_content"。
     • UNSPECIFIED (未指定模式) : 父 ViewGroup 对子 View 没有限制。子 View 可以取它想要的任意大小。这种情况相对少见，例如在 ScrollView 内部测量时可能用到。
   • ViewGroup 的职责 ：
     • 遍历所有子 View。
     • 根据自身的布局逻辑（如 LinearLayout 的垂直/水平排列、RelativeLayout 的相对规则）和自身的约束，为每个子 View 计算出合适的 MeasureSpec。
     • 调用每个子 View 的 measure(childWidthMeasureSpec, childHeightMeasureSpec) 方法，将计算好的约束传递下去。
     • 收集所有子 View 测量后的尺寸。
     • 根据子 View 的尺寸和自身布局逻辑，计算并设置自身 (ViewGroup) 的尺寸（调用 setMeasuredDimension()）。
   • 递归性 ：测量过程从 DecorView 开始，递归地向下传递到每一个 View 和 ViewGroup，直到最底层的 View。每个 View 的尺寸确定都依赖于父 ViewGroup 的约束和自身的 onMeasure() 实现。

2. 布局（Layout）：

   • 目的 ：确定每个 View 和 ViewGroup 在其父容器中的位置（左上右下坐标）。
   • 发起者 ：测量完成后，ViewRootImpl 调用 DecorView 的 layout(int l, int t, int r, int b) 方法开始整个 View 树的布局。参数 l,t,r,b 是 DecorView 相对于其父窗口的位置（通常是全屏）。
   • 关键方法 ：
     • View.layout(int l, int t, int r, int b): 设置 View 在其父容器中的位置（left, top, right, bottom）。这个方法通常会调用 onLayout(...)。
     • View.onLayout(boolean changed, int l, int t, int r, int b): View 的默认实现是空的。ViewGroup 必须重写此方法。 在此方法中，ViewGroup 根据其布局逻辑，计算并设置其所有子 View 的具体位置（调用每个子 View 的 layout(childL, childT, childR, childB) 方法）。
   • ViewGroup 的职责 ：
     • 遍历所有子 View。
     • 根据在测量阶段得到的子 View 尺寸、自身的布局规则（如 LinearLayout 的顺序排列、FrameLayout 的叠加、RelativeLayout 的依赖关系）以及自身的尺寸和位置（由父 ViewGroup 在 layout() 中设置），计算每个子 View 应该放置的具体坐标 (left, top, right, bottom)。
     • 调用每个子 View 的 layout(l, t, r, b) 方法，将计算好的位置传递下去。
   • 递归性 ：布局过程也是递归的。DecorView 的位置由 ViewRootImpl 设置后，它负责布局其直接子 View，这些子 View（如果是 ViewGroup）再负责布局它们的子 View，如此递归下去，直到所有叶节点 View 的位置都被确定。

3. 绘制（Draw）：

   • 目的 ：将 View 的内容实际渲染到屏幕上。
   • 发起者 ：布局完成后，ViewRootImpl 调用 DecorView 的 draw(Canvas canvas) 方法开始整个 View 树的绘制。
   • 关键方法 ：
     • View.draw(Canvas canvas): 这是实际绘制的总调度方法。它按顺序执行以下步骤（通常不需要重写）：
       1. 绘制背景 ：调用 drawBackground(Canvas)。
       2. 保存图层（如果需要，用于透明/特效）。
       3. 绘制自身内容 ：调用 onDraw(Canvas canvas)。
       4. 绘制子 View ：如果是 ViewGroup，调用 dispatchDraw(Canvas canvas) 来绘制其子 View。
       5. 绘制装饰 （如滚动条、前景）：调用 onDrawForeground(Canvas)。
       6. 恢复图层（如果之前保存了）。
     • View.onDraw(Canvas canvas): View 的核心绘制方法，必须重写。 开发者在这里使用 Canvas 和 Paint 等 API 绘制 View 的自定义内容（文本、形状、图片等）。ViewGroup 通常不需要重写此方法（除非有特殊背景），因为它本身通常没有可见内容，主要作用是容纳子 View。
     • ViewGroup.dispatchDraw(Canvas canvas): ViewGroup 重写了此方法。 它负责遍历所有子 View 并调用它们的 draw(Canvas) 方法（进而触发子 View 的 onDraw 和它们子 View 的绘制）。递归绘制子 View 的核心逻辑就在这里。
   • Canvas (画布) : 由 SurfaceFlinger（通过 Surface 和 HardwareRenderer / Skia）提供，代表一块可以绘制的区域。所有的绘制操作（drawLine, drawRect, drawText, drawBitmap）最终都作用在这个 Canvas 上。
   • 递归性 ：绘制过程同样是递归的。DecorView.draw() -> onDraw() (可能绘制背景等) -> dispatchDraw() (绘制子 View) -> 子 View 的 draw() -> 子 View 的 onDraw() -> 如果子 View 是 ViewGroup，它的 dispatchDraw() -> ... 直到所有叶节点 View 完成 onDraw()。

硬件加速 vs. 软件绘制

• 软件绘制 (Software Rendering) :
  • 整个绘制过程（onDraw() 中的操作）在 CPU 上完成。
  • 结果绘制到一个 Bitmap (即 Surface 的软件层)。
  • 最终由 SurfaceFlinger 将这个 Bitmap 合成到屏幕上。
  • 效率相对较低，尤其是在复杂 UI 或动画时。
• 硬件加速 (Hardware Acceleration - 默认开启) :
  • 从 Android 3.0 (API 11) 开始引入并逐步成为默认和推荐方式。
  • 将 View 的绘制命令（Canvas 操作）记录 (Record) 到显示列表 (Display List) 中（一个在 GPU 内存中的绘制指令序列）。
  • 在合适的时机（通常是 ViewRootImpl 调度或 Choreographer 触发 VSync 信号后），由 RenderThread 使用 OpenGL ES 或 Vulkan 将这些显示列表渲染 (Render) 到 Surface 对应的 Texture 上。
  • 最终由 SurfaceFlinger 负责将各个窗口的 Surface (包含纹理) 合成 (Compose) 并最终显示 (Display) 到屏幕上。
  • 利用 GPU 并行处理能力，显著提升绘制性能，特别是动画和复杂视图。

触发绘制的时机

• 首次显示 ：当 Activity 从不可见变为可见时，ViewRootImpl 会执行完整的 performTraversals()（包含测量、布局、绘制）。
• View 的状态变化 ：
  • invalidate() : 请求重绘 (Redraw) 。调用此方法的 View 或其父 View 的 onDraw() 方法会在下一个绘制周期被调用。不会触发测量和布局。 适用于仅内容改变但尺寸位置不变的情况（如改变背景色、文本内容）。
  • requestLayout() : 请求重新布局 (Relayout) 。调用此方法的 View 会向上回溯到 ViewRootImpl，触发一次新的 performTraversals()，通常包含测量和布局（可能也会触发绘制）。适用于尺寸或位置可能发生改变的情况（如改变文本大小导致 TextView 尺寸变化、动态添加/移除子 View）。
• 窗口大小改变 ：如屏幕旋转、分屏模式切换，会触发完整的 performTraversals()。
• 动画 ：属性动画或 View 动画会持续调用 invalidate() 来刷新视图。

优化点

• 减少层级深度 ：过度嵌套的 ViewGroup 会增加测量、布局、绘制的递归深度和耗时。使用 ConstraintLayout 或优化布局结构。
• 避免过度绘制 (Overdraw) ：使用开发者选项中的 "显示过度绘制区域" 检查并优化（如移除不必要的背景、使用 clipRect）。
• 高效 onDraw() ：避免在 onDraw() 中创建对象（如 new Paint()）、进行耗时计算或复杂操作。对象应预先初始化并复用。
• 使用 ViewStub 和 Merge: 延迟加载不立即显示的视图，减少初始布局复杂度。
• 理解 MeasureSpec : 正确实现 onMeasure() 和 onLayout()，特别是自定义 ViewGroup 时，确保尺寸计算高效准确，避免不必要的多次测量（measure() 调用可能导致 onMeasure() 被多次调用）。
• 利用硬件加速 ：理解其工作原理，避免在硬件加速下不支持的 Canvas 操作（通常会有日志警告）。

总结流程图

+-------------------------+
|       ViewRootImpl       | <---- (1) 触发：首次显示、invalidate()、requestLayout()、窗口大小改变
|                         |       (2) 发起：performTraversals()
+------------+------------+
             |
             v (measure, layout, draw)
+-------------------------+
|        DecorView        | (顶级ViewGroup)
| (包含系统UI & 用户布局)  |
+------------+------------+
             |
             | 递归遍历
             v
+-------------------------+
|       ViewGroup         |
| (容器: e.g., LinearLayout) |
|                         |
| onMeasure()  -> 测量自身 | <---- 使用 MeasureSpec
|    |                    |       计算并设置自身尺寸 (setMeasuredDimension)
|    | 遍历子View          |       为每个子View计算 MeasureSpec
|    v                    |       调用 child.measure(childSpec)
|  测量子View              |
|                         |
| onLayout()   -> 布局自身 | <---- 根据自身位置和子View尺寸
|    |                    |       计算每个子View的位置 (l, t, r, b)
|    | 遍历子View          |       调用 child.layout(l, t, r, b)
|    v                    |
|  布局子View              |
|                         |
| dispatchDraw() -> 绘制   | <---- 遍历子View
|    |                    |       调用 child.draw(canvas)
|    v                    |
|  绘制子View              |
+------------+------------+
             |
             | 递归遍历
             v
+-------------------------+
|          View           | (叶子节点，如TextView, Button)
|                         |
| onMeasure()  -> 测量自身 | <---- 根据父ViewGroup给的 MeasureSpec
|                         |       计算并设置自身尺寸 (setMeasuredDimension)
|                         |
| onLayout()   -> (空实现) | <---- 通常不需要，位置由父ViewGroup设置
|                         |
| onDraw()     -> 绘制内容 | <---- 使用Canvas, Paint绘制文本/图形/图片等
+-------------------------+

理解 Android View 的绘制原理（Measure -> Layout -> Draw）对于构建高性能、流畅的 UI 至关重要。它解释了 UI 如何从 XML 或代码定义转换为屏幕上的像素，并揭示了常见的性能瓶颈来源和优化方向。硬件加速的引入极大地提升了绘制效率，但开发者仍需遵循最佳实践以避免不必要的开销。