Android Input Framework(一)

http://blog.sina.com.cn/s/blog_89f592f50101394l.html

1 Input Framework概述

Android输入系统在整个图形系统框架中扮演了很重要的角色，主要负责用户消息的管理，具体职责包括以下几个方面：

 

1、  从底层驱动中获取各种原始的用户消息，包括按键、触摸屏、鼠标、滚迹球等用户事件消息。

2、  最原始消息进行预处理，包括两个方面：一方面，将消息转化成系统可以处理的消息事件；另一方面，处理一些特殊的事件，比如HOME、MENU、POWER键等处理。

3、  将处理后的消息事件分发到各个应用进程，这个需要使用IPC机制，Android系统使用管道来进行消息的传递。

 

Android系统使用InputManager类来管理消息，而具体的功能则是通过InputReaderThread和InputDispatcherThread两个线程来实现。其中InputReaderThread线程负责消息的读取，而

InputDispatcherThread则负责消息的预处理和分发到各个应用进程中。输入系统的整体框架如下图所示：

从框图中可以看出，Android输入系统通过EventHub收集输入设备的原始数据，InputReader调用接口读取EventHub中获取的数据，然后通知InputDispatcher数据已经准备好，InputDispatcher获得数据回调InputManager的接口间接回调WMS 中的InputMonitor对输入消息进行处理，如果WMS没有消耗掉该消息，则InputDispatcher会将该消息通过管道的方式，直接发送到应用进程中，当前焦点应用的ViewrootImpl会收到该消息，并对消息进行分发处理，最终将其发送到对应的View对象中进行界面响应。

 

1 Native InputManager初始化

在WindowManagerService构造函数中，经过JNI调用完成了Native层InputManager的初始化，初始化工作有如下几点。

1.1 调用时序图

1.2 类图对象关系

1.3在Native层注册java层的CallBacks回调接口

在InputManagerService类中定义了一个Callback接口：

  public interface Callbacks {

        public void notifyConfigurationChanged();

        public void notifyLidSwitchChanged(long whenNanos, boolean lidOpen);

        public void notifyInputChannelBroken(InputWindowHandle inputWindowHandle);

        public long notifyANR(InputApplicationHandle inputApplicationHandle,

                InputWindowHandle inputWindowHandle);

        public int interceptKeyBeforeQueueing(KeyEvent event, int policyFlags, boolean isScreenOn);

        public int interceptMotionBeforeQueueingWhenScreenOff(int policyFlags);

        public long interceptKeyBeforeDispatching(InputWindowHandle focus,

                KeyEvent event, int policyFlags);

        public KeyEvent dispatchUnhandledKey(InputWindowHandle focus,

                KeyEvent event, int policyFlags);

        public int getPointerLayer();

    }

InputMonitor实现了InputManagerService.Callbacks接口，在WindowManagerService的构造函数中创建了InputMonitor对象，并以mInputMonitor作为参数创建InputManagerService的对象，在InputManagerService构造函数中，将mInputMonitor作为参数调用了JNI函数nativeInit(),将回调接口传到JNI层，在需要的时候，JNI在回调mInputMonitor中的函数，实现数据才传递。

class InputMonitor implements InputManagerService.Callbacks{

    ……

}

private WindowManagerService(Context context, PowerManagerService pm,

            boolean haveInputMethods, boolean showBootMsgs, boolean onlyCore) {

final InputMonitor mInputMonitor = new InputMonitor(this);

mInputManager = new InputManagerService(context, mInputMonitor);

}

 

1.4 创建InputDispatcher和InputReader线程

在InputManagerService的构造函数中，调用了

Frameworks/base/services/jni/com_android_server_input_InputManagerService.cpp中的nativeInit()方法。

首先在JNI方法中创建了一个NativeInputManager对象，该对象内部构造函数中又创建了一个InputManager对象。注意这里的InputManager是native的。关键在于InputManager的构造函数中，创建了两个非常重要的对象，InputDispatcher和InputReader，前者是作为消息派发者，后者是input消息的读取者。然后在initialize()方法中，将前面创建的两对象作为参数，创建了对应的两个线程，分别是InputReaderThead和InputDispatchThread。

 

2  消息传送

2.1 创建InputChannel

      前面也简单说过，InputDispatch和客户端之间是通过Pipe传递消息的，Pipe是linux系统调用的一部分，我们需要关注的是Pipe所包含的读写描述符，而为了程序设计的便利，Android增加了一个InputChannel类，有两个作用，一个是保存消息端口对应的Pipe的读写描述符，另一个是通过使用InputChannel所提供的函数创建底层的Pipe对象，。Pipe为管道的意思。

2.1.1 时序图(创建和在wms中注册)

2.1.2 创建InputChannel流程

     在上面时序图看出，创建InputChannel是从添加窗口开始的，当客户需要添加窗口的时候，会创建ViewRootImpl对象，并调用它的setView()方法，通过IPC通信调用Session的addWindow()方法，其中就包含了一个InputChannel对象，里面没有数据的空壳，然后调用到WMS的addWindow()方法，希望Wms创建真正的InputChannel。

Wms的addWindow()：

   public int addWindow(Session session, IWindow client, int seq,

            WindowManager.LayoutParams attrs, int viewVisibility,

            Rect outContentInsets, InputChannel outInputChannel) {

            ……

if (outInputChannel != null && (attrs.inputFeatures

                    & WindowManager.LayoutParams.INPUT_FEATURE_NO_INPUT_CHANNEL) == 0) {

                String name = win.makeInputChannelName();

                InputChannel[] inputChannels = InputChannel.openInputChannelPair(name);

                win.setInputChannel(inputChannels[0]);

                inputChannels[1].transferTo(outInputChannel);

               

                mInputManager.registerInputChannel(win.mInputChannel,win.mInputWindowHandle);

            }

           ……

}

addWindow()内调用了InputChannel.openInputChannelPaire()方法开始创建InputChannel，过程如下图：

1)        在InputChannel.java的静态方法openInputChannelPai()中，调用了JNI 

frameworks/base/coar/jni/android_Inputview_Channel.cpp的

 android_view_InputChannel_nativeOpenInputChannelPair()方法

static jobjectArray android_view_InputChannel_nativeOpenInputChannelPair(JNIEnv* env,

        jclass clazz, jstring nameObj) {

    ……

    sp<InputChannel> serverChannel;

    sp<InputChannel> clientChannel;

    status_t result = InputChannel::openInputChannelPair(name, serverChannel, clientChannel);

    ……

    jobjectArray channelPair = env->NewObjectArray(2, gInputChannelClassInfo.clazz, NULL);

    if (env->ExceptionCheck()) {

        return NULL;

    }

 

    jobject serverChannelObj = android_view_InputChannel_createInputChannel(env,

            new NativeInputChannel(serverChannel));

    if (env->ExceptionCheck()) {

        return NULL;

    }

 

    jobject clientChannelObj = android_view_InputChannel_createInputChannel(env,

            new NativeInputChannel(clientChannel));

    if (env->ExceptionCheck()) {

        return NULL;

    }

 

    env->SetObjectArrayElement(channelPair, 0, serverChannelObj);

    env->SetObjectArrayElement(channelPair, 1, clientChannelObj);

    return channelPair;

}

在上面代码中，新建了Native层两个通道变量，分别是serverChannel和clientChannel，然后将两个空壳传入InputChannel::openInputChannelPair()中。

2)        Native的InputChannel类是定义在InputTrasport.cpp文件中，openInputChannelPair()方法才是真正的创建管道，然后赋值给两个空壳。

   

status_t InputChannel::openInputChannelPair(const String8& name,

        sp<InputChannel>& outServerChannel, sp<InputChannel>& outClientChannel) {

    int sockets[2];

    if (socketpair(AF_UNIX, SOCK_SEQPACKET, 0, sockets)) {

        status_t result = -errno;

        ALOGE("channel '%s' ~ Could not create socket pair.  errno=%d",

                name.string(), errno);

        outServerChannel.clear();

        outClientChannel.clear();

        return result;

    }

 

    int bufferSize = SOCKET_BUFFER_SIZE;

    setsockopt(sockets[0], SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &bufferSize, sizeof(bufferSize));

    setsockopt(sockets[0], SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &bufferSize, sizeof(bufferSize));

    setsockopt(sockets[1], SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &bufferSize, sizeof(bufferSize));

    setsockopt(sockets[1], SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &bufferSize, sizeof(bufferSize));

 

    String8 serverChannelName = name;

    serverChannelName.append(" (server)");

    outServerChannel = new InputChannel(serverChannelName, sockets[0]);

 

    String8 clientChannelName = name;

    clientChannelName.append(" (client)");

    outClientChannel = new InputChannel(clientChannelName, sockets[1]);

    return OK;

}

调用Linux的socketpair()方法建立一对匿名的已经连接的套接字，然后调用setsockopt()方法为其分配内存，然后用其做为参数，创建native环境中的InputChannel对象，分别赋值给outServerChannel、和outClientChannel指针，

3)        创建好两个native层的InputChannel对象后，存在channelPair数组中，然后通过JNI返回到JAVA环境中。

JNI：

env->SetObjectArrayElement(channelPair, 0, serverChannelObj);

    env->SetObjectArrayElement(channelPair, 1, clientChannelObj);

    return channelPair;

 

JAVA：

InputChannel[] inputChannels = InputChannel.openInputChannelPair(name);

 

2.2 WMS中注册InputChannel

在上面一节介绍了创建InputChannel的过程，其实的创建了两个InputChannel对象，一个作为服务端，需要Wms对其进行注册，另一个作为客户端，需要客户进程对其进行注册。这一节我们看Wms中注册InputChannel。在2.1.1的时序图中我们可以看到，在Wms的addWindow()方法中，调用InputChannel.openInputChannelPair(name);返回一对InputChannel对象，里面包含了管道的描述符等信息，然后调用InputManagerService.registerInputChannel进行注册，即时序图中第八步开始，。流程图如下：

通过上面可以看到，经过InputManagerService的调用，最终到达JNInativeRegisterInputChannel方法中，首先通过参数获取到Native层的InputChannel对象，还记得在Native InputManager初始化中，在JNI创建了一个NativeInputManager对象。这里就获取到该对象，然后调用NativeInputManager:: registerInputChannel()开始注册：

status_t NativeInputManager::registerInputChannel(JNIEnv* env,

        const sp<InputChannel>& inputChannel,

        const sp<InputWindowHandle>& inputWindowHandle, bool monitor) {

    return mInputManager->getDispatcher()->registerInputChannel(

            inputChannel, inputWindowHandle, monitor);

}

NativeInputManager对象中有一个InputManager对象引用，InputManager对象中又有一个InputDispatcher对象的引用，所以将调用到InputDispatcher::registerInputChannel()进行注册：

status_t InputDispatcher::registerInputChannel(const sp<InputChannel>& inputChannel,

        const sp<InputWindowHandle>& inputWindowHandle, bool monitor) {

        ……

        sp<Connection> connection = new Connection(inputChannel, inputWindowHandle, monitor);

        int fd = inputChannel->getFd();

        mConnectionsByFd.add(fd, connection);

        if (monitor) {

            mMonitoringChannels.push(inputChannel);

        }

        ……

        mLooper->addFd(fd, 0, ALOOPER_EVENT_INPUT, handleReceiveCallback, this);

    } // release lock

    return OK;

}

首先需要创建一个Connection对象，即客户端与服务端连接的接口，然后将该对象加入到InputDispatcher的mConnectionsByFd列表中，当需要通过管道发送消息的时候，从该列表中取出Connection对象，该对象与客户端是向对应的，之后调用mLooper->addFd()方法，把InputChannel对应的描述符添加到mLooper内部的描述符列表中。这里完成了wms的InputChannel的注册，即serverChannel。

2.3客户进程注册InputChannel

Wms中创建了一对InputChannel，其中serverChannel被注册到了InputDispatcher线程中，另一个clientChannel则需要注册到客户进程中，从而使得客户进程可以直接接收到InputDispatcher发送的用户消息。

客户端注册InputChannel和在InputManager中注册InputChannel的本质是相同的，即告诉所在进程的native looper对象，让它监控指定的文件描述符即可。客户端的InputChannel来源于调用Wms的addWindow()时，最后一个参数是一个InputChannel类型的输出参数。下面看调用的时序图

2.3.1 时序图

2.3.2 注册流程

    在2.3.1时序图中，我们看到setView()方法，该方法是在客户创建新的窗口时候调用，前面我们也看到了，在这个方法中通过IPC通信调用了Wms.addWindow(),创建了一对管道InputChannel，并在Wms中注册了serverChannel，完成了这两步之后，那么就需要对客户进程注册clientChannel了。

1)        客户进程是创建的新的进程，那么为改进程创建一个用于接收消息的WindowInputEventReceiver对象，它继承于InputEventReceiver类。在InputEventReceive构造函数中，调用了JNI方法nativeInit()

static jint nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz, jobject receiverObj,

        jobject inputChannelObj, jobject messageQueueObj) {

    sp<InputChannel> inputChannel = android_view_InputChannel_getInputChannel(env,

            inputChannelObj);

    ……

    sp<NativeInputEventReceiver> receiver = new NativeInputEventReceiver(env,

            receiverObj, inputChannel, messageQueue);

    status_t status = receiver->initialize();

……

 return reinterpret_cast<jint>(receiver.get());

}

 

2)        调用android_view_InputChannel_getInputChannel获取native层的InputChannel对象，参数创建一个NativeInputEventReceiver对象，把InputChannel作为该对象的内部参数。

3)        在initialize()方法中，把文件描述符添加到内部的接收描述符列表中，使得客户进程窗口可以接收到发往该文件描述符的消息

status_t NativeInputEventReceiver::initialize() {

    int receiveFd = mInputConsumer.getChannel()->getFd();

    mMessageQueue->getLooper()->addFd(receiveFd, 0, ALOOPER_EVENT_INPUT, this, NULL);

    return OK;

}

2.4 Wms中获取Input消息

用户消息可以分为两类，一个是Key消息，另一个是Motion消息。对于Motion消息，InputDispatcher是通过pipe直接把消息发往客户窗口的，Wms不能对这些消息进行任何的前置处理，而对于Key消息，则会先回调Wms中的Key消息处理函数，在Wms中不处理的消息，才会把消息发往客户端。一般情况下，wms中仅仅处理一些系统的Key消息，比如”Home”键、音量键等。

2.4.1 时序图(Wms获取Key消息)

2.4.2 流程分析

    在InputDispatcher中，收到InputReader发送过来的Event消息，最终调用到InputDispatcher::dispatchKeyLocked()方法，开始派发按键消息，接着消息传到NativeInputManager中。在第一节 Native InputManager初始化中，我们向JNI注册了java层的一些回调接口，这时候就用到了的。

nsecs_t NativeInputManager::interceptKeyBeforeDispatching(

        const sp<InputWindowHandle>& inputWindowHandle,

        const KeyEvent* keyEvent, uint32_t policyFlags) {

        ……

        if (keyEventObj) {

            jlong delayMillis = env->CallLongMethod(mServiceObj,

                    gServiceClassInfo.interceptKeyBeforeDispatching,

                    inputWindowHandleObj, keyEventObj, policyFlags);

        ……

    return result;

}

调用JNI的env->CallLongMethod()方法，回调JAVA层方法，mServiceObj对应的是java层的InputManagerService类的实例，gServiceClassInfo.interceptKeyBeforeDispatching指的是InputManagerService的interceptKeyBeforeDispatching()函数，于是消息就从JNI传递到了JAVA层。最终消息就传到了PhoneWindowManager中。

2.5客户窗口获取Input消息

2.5.1时序图(以Key消息分析)

  

2.5.2 流程分析

无论是Key消息还是Motion消息，都是通过Pipe管道传递到客户进程窗口的。所有的客户进程都有一个主线程，即ActivityThread类，该类每次开始的时候就会进入一个Looper循环中，然后就不断的从MessageQueue中读取消息，如果没有消息，则进入wait状态，直到下一个消息。

在InputDispatcher中，获取了InputReader的Key消息,经过一步步处理，调用到startDispatchCycleLocked()方法：

void InputDispatcher::startDispatchCycleLocked(nsecs_t currentTime,

        const sp<Connection>& connection) {

       ……

       case EventEntry::TYPE_KEY: {

            KeyEntry* keyEntry = static_cast<KeyEntry*>(eventEntry);

 

            // Publish the key event.

            status = connection->inputPublisher.publishKeyEvent(……);

            break;

        }

        ……

}

注意到这里的connection，这是Wms注册InputChannel的时候创建的Connection对象，然后将KeyEvent消息写入管道中。

status_t InputPublisher::publishKeyEvent(

    ….

    return mChannel->sendMessage(&msg);

}

 

status_t InputChannel::sendMessage(const InputMessage* msg) {

    size_t msgLength = msg->size();

    ssize_t nWrite;

    do {

        nWrite = ::send(mFd, msg, msgLength, MSG_DONTWAIT | MSG_NOSIGNAL);

} while (nWrite == -1 && errno == EINTR);

…….

    return OK;

}

 

消息写入管道后，经过MessageQueue通知到客户进程，然后在ViewRootImpl中，调用doConsumeBatchedInput()开始读取keyEvent消息。看看receiveMessage():

status_t InputChannel::receiveMessage(InputMessage* msg) {

    ssize_t nRead;

    do {

        nRead = ::recv(mFd, msg, sizeof(InputMessage), MSG_DONTWAIT);

    } while (nRead == -1 && errno == EINTR);

    ……

    return OK;

}