Android 按键流程（InputManagerService 以及 JNI phoneWindowManger 应用）(and5.1)

最新推荐文章于 2023-09-22 17:47:09 发布

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一、初识Android输入系统

第4章通过分析WMS详细讨论了Android的窗口管理、布局及动画的工作机制。窗口不仅是内容绘制的载体，同时也是用户输入事件的目标。本章将详细讨论Android输入系统的工作原理，包括输入设备的管理、输入事件的加工方式以及派发流程。因此本章的探讨对象有两个：输入设备、输入事件。

触摸屏与键盘是Android最普遍也是最标准的输入设备。其实Android所支持的输入设备的种类不止这两个，鼠标、游戏手柄均在内建的支持之列。当输入设备可用时，Linux内核会在/dev/input/下创建对应的名为event0~n或其他名称的设备节点。而当输入设备不可用时，则会将对应的节点删除。在用户空间可以通过ioctl的方式从这些设备节点中获取其对应的输入设备的类型、厂商、描述等信息。

当用户操作输入设备时，Linux内核接收到相应的硬件中断，然后将中断加工成原始的输入事件数据并写入其对应的设备节点中，在用户空间可以通过read()函数将事件数据读出。

Android输入系统的工作原理概括来说，就是监控/dev/input/下的所有设备节点，当某个节点有数据可读时，将数据读出并进行一系列的翻译加工，然后在所有的窗口中寻找合适的事件接收者，并派发给它。

以Nexus4为例，其/dev/input/下有evnet0~5六个输入设备的节点。它们都是什么输入设备呢？用户的一次输入操作会产生什么样的事件数据呢？获取答案的最简单的办法就是是用getevent与sendevent工具。

getevent与sendevent工具

Android系统提供了getevent与sendevent两个工具供开发者从设备节点中直接读取输入事件或写入输入事件。

getevent监听输入设备节点的内容，当输入事件被写入到节点中时，getevent会将其读出并打印在屏幕上。由于getevent不会对事件数据做任何加工，因此其输出的内容是由内核提供的最原始的事件。其用法如下：

adb shell getevent [-选项] [device_path]

其中device_path是可选参数，用以指明需要监听的设备节点路径。如果省略此参数，则监听所有设备节点的事件。

打开模拟器，执行adb shell getevent –t（-t参数表示打印事件的时间戳），并按一下电源键（不要松手），可以得到以下一条输出，输出的部分数值会因机型的不同而有所差异，但格式一致：

[ 1262.443489] /dev/input/event0: 0001 0074 00000001

松开电源键时，又会产生以下一条输出：

[ 1262.557130] /dev/input/event0: 0001 0074 00000000

这两条输出便是按下和抬起电源键时由内核生成的原始事件。注意其输出是十六进制的。每条数据有五项信息：产生事件时的时间戳（[ 1262.443489]），产生事件的设备节点（/dev/input/event0），事件类型（0001），事件代码（0074）以及事件的值（00000001）。其中时间戳、类型、代码、值便是原始事件的四项基本元素。除时间戳外，其他三项元素的实际意义依照设备类型及厂商的不同而有所区别。在本例中，类型0x01表示此事件为一条按键事件，代码0x74表示电源键的扫描码，值0x01表示按下，0x00则表示抬起。这两条原始数据被输入系统包装成两个KeyEvent对象，作为两个按键事件派发给Framework中感兴趣的模块或应用程序。

注意一条原始事件所包含的信息量是比较有限的。而在Android API中所使用的某些输入事件，如触摸屏点击/滑动，包含了很多的信息，如XY坐标，触摸点索引等，其实是输入系统整合了多个原始事件后的结果。这个过程将在5.2.4节中详细探讨。

为了对原始事件有一个感性的认识，读者可以在运行getevent的过程中尝试一下其他的输入操作，观察一下每种输入所对应的设备节点及四项元素的取值。

输入设备的节点不仅在用户空间可读，而且是可写的，因此可以将将原始事件写入到节点中，从而实现模拟用户输入的功能。sendevent工具的作用正是如此。其用法如下：

sendevent <节点路径> <类型><代码> <值>

可以看出，sendevent的输入参数与getevent的输出是对应的，只不过sendevent的参数为十进制。电源键的代码0x74的十进制为116，因此可以通过快速执行如下两条命令实现点击电源键的效果：

adb shell sendevent /dev/input/event0 1 116 1 #按下电源键

adb shell sendevent /dev/input/event0 1 116 0 #抬起电源键

执行完这两条命令后，可以看到设备进入了休眠或被唤醒，与按下实际的电源键的效果一模一样。另外，执行这两条命令的时间间隔便是用户按住电源键所保持的时间，所以如果执行第一条命令后迟迟不执行第二条，则会产生长按电源键的效果——关机对话框出现了。很有趣不是么？输入设备节点在用户空间可读可写的特性为自动化测试提供了一条高效的途径。[1]

现在，读者对输入设备节点以及原始事件有了直观的认识，接下来看一下Android输入系统的基本原理。

Android输入系统简介

上一节讲述了输入事件的源头是位于/dev/input/下的设备节点，而输入系统的终点是由WMS管理的某个窗口。最初的输入事件为内核生成的原始事件，而最终交付给窗口的则是KeyEvent或MotionEvent对象。因此Android输入系统的主要工作是读取设备节点中的原始事件，将其加工封装，然后派发给一个特定的窗口以及窗口中的控件。这个过程由InputManagerService（以下简称IMS）系统服务为核心的多个参与者共同完成。

输入系统的总体流程和参与者如图5-1所示。

图 5-1 输入系统的总体流程与参与者

图5-1描述了输入事件的处理流程以及输入系统中最基本的参与者。它们是：

· Linux内核，接受输入设备的中断，并将原始事件的数据写入到设备节点中。

· 设备节点，作为内核与IMS的桥梁，它将原始事件的数据暴露给用户空间，以便IMS可以从中读取事件。

· InputManagerService，一个Android系统服务，它分为Java层和Native层两部分。Java层负责与WMS的通信。而Native层则是InputReader和InputDispatcher两个输入系统关键组件的运行容器。

· EventHub，直接访问所有的设备节点。并且正如其名字所描述的，它通过一个名为getEvents()的函数将所有输入系统相关的待处理的底层事件返回给使用者。这些事件包括原始输入事件、设备节点的增删等。

· InputReader，I是IMS中的关键组件之一。它运行于一个独立的线程中，负责管理输入设备的列表与配置，以及进行输入事件的加工处理。它通过其线程循环不断地通过getEvents()函数从EventHub中将事件取出并进行处理。对于设备节点的增删事件，它会更新输入设备列表于配置。对于原始输入事件，InputReader对其进行翻译、组装、封装为包含了更多信息、更具可读性的输入事件，然后交给InputDispatcher进行派发。

· InputReaderPolicy，它为InputReader的事件加工处理提供一些策略配置，例如键盘布局信息等。

· InputDispatcher，是IMS中的另一个关键组件。它也运行于一个独立的线程中。InputDispatcher中保管了来自WMS的所有窗口的信息，其收到来自InputReader的输入事件后，会在其保管的窗口中寻找合适的窗口，并将事件派发给此窗口。

· InputDispatcherPolicy，它为InputDispatcher的派发过程提供策略控制。例如截取某些特定的输入事件用作特殊用途，或者阻止将某些事件派发给目标窗口。一个典型的例子就是HOME键被InputDispatcherPolicy截取到PhoneWindowManager中进行处理，并阻止窗口收到HOME键按下的事件。

· WMS，虽说不是输入系统中的一员，但是它却对InputDispatcher的正常工作起到了至关重要的作用。当新建窗口时，WMS为新窗口和IMS创建了事件传递所用的通道。另外，WMS还将所有窗口的信息，包括窗口的可点击区域，焦点窗口等信息，实时地更新到IMS的InputDispatcher中，使得InputDispatcher可以正确地将事件派发到指定的窗口。

· ViewRootImpl，对于某些窗口，如壁纸窗口、SurfaceView的窗口来说，窗口即是输入事件派发的终点。而对于其他的如Activity、对话框等使用了Android控件系统的窗口来说，输入事件的终点是控件（View）。ViewRootImpl将窗口所接收到的输入事件沿着控件树将事件派发给感兴趣的控件。

简单来说，内核将原始事件写入到设备节点中，InputReader不断地通过EventHub将原始事件取出来并翻译加工成Android输入事件，然后交给InputDispatcher。InputDispatcher根据WMS提供的窗口信息将事件交给合适的窗口。窗口的ViewRootImpl对象再沿着控件树将事件派发给感兴趣的控件。控件对其收到的事件作出响应，更新自己的画面、执行特定的动作。所有这些参与者以IMS为核心，构建了Android庞大而复杂的输入体系。

Linux内核对硬件中断的处理超出了本书的讨论范围，因此本章将以IMS为重点，详细讨论除Linux内核以外的其他参与者的工作原理。

二、代码讲解

2.1 输入系统的初始化，启动流程

先从java层的InputManagerService的创建开始，它是在SystemServer中创建：

            inputManager = new InputManagerService(context);

            Slog.i(TAG, "Window Manager");
            wm = WindowManagerService.main(context, inputManager,
                    mFactoryTestMode != FactoryTest.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL,
                    !mFirstBoot, mOnlyCore);
            ServiceManager.addService(Context.WINDOW_SERVICE, wm);
            ServiceManager.addService(Context.INPUT_SERVICE, inputManager);

            mActivityManagerService.setWindowManager(wm);

            inputManager.setWindowManagerCallbacks(wm.getInputMonitor());
            inputManager.start();

创建后，将自己传给windowManagerService, 然后调用了start函数。再来看看InputManagerService的构造函数：

    public InputManagerService(Context context) {
        this.mContext = context;
        this.mHandler = new InputManagerHandler(DisplayThread.get().getLooper());

        mUseDevInputEventForAudioJack =
                context.getResources().getBoolean(R.bool.config_useDevInputEventForAudioJack);
        Slog.i(TAG, "Initializing input manager, mUseDevInputEventForAudioJack="
                + mUseDevInputEventForAudioJack);
        mPtr = nativeInit(this, mContext, mHandler.getLooper().getQueue());//注意这个mPtr是NativeInputManager对象指针

        LocalServices.addService(InputManagerInternal.class, new LocalService());
    }

构造函数里面还是主要看下nativeInit这个JNI接口。这个接口在com_android_server_input_InputManagerService.cpp文件中：

static jlong nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz,
        jobject serviceObj, jobject contextObj, jobject messageQueueObj) {
    sp<MessageQueue> messageQueue = android_os_MessageQueue_getMessageQueue(env, messageQueueObj);
    if (messageQueue == NULL) {
        jniThrowRuntimeException(env, "MessageQueue is not initialized.");
        return 0;
    }

    NativeInputManager* im = new NativeInputManager(contextObj, serviceObj,//注意传下来的serviceObj对象
            messageQueue->getLooper());
    im->incStrong(0);
    return reinterpret_cast<jlong>(im);
}

nativeInit中主要是new了一个NativeInputManager对象，而NativeInputManager对象中的serviceObj是java层的InputManagerService对象。

而NativeInputManager对象的构造函数如下：

NativeInputManager::NativeInputManager(jobject contextObj,
        jobject serviceObj, const sp<Looper>& looper) :
        mLooper(looper), mInteractive(true) {
    JNIEnv* env = jniEnv();

    mContextObj = env->NewGlobalRef(contextObj);
    mServiceObj = env->NewGlobalRef(serviceObj);

    {
        AutoMutex _l(mLock);
        mLocked.systemUiVisibility = ASYSTEM_UI_VISIBILITY_STATUS_BAR_VISIBLE;
        mLocked.pointerSpeed = 0;
        mLocked.pointerGesturesEnabled = true;
        mLocked.showTouches = false;
    }

    sp<EventHub> eventHub = new EventHub();
    mInputManager = new InputManager(eventHub, this, this);
}

创建了一个InputManager对象，并把自己传给了它。再来看看InputManager对象的构造函数：

InputManager::InputManager(
        const sp<EventHubInterface>& eventHub,
        const sp<InputReaderPolicyInterface>& readerPolicy,
        const sp<InputDispatcherPolicyInterface>& dispatcherPolicy) {
    mDispatcher = new InputDispatcher(dispatcherPolicy);//前面把NativeInputManager的对象传了进来，就是dispatcherPolicy和readerPolicy
    mReader = new InputReader(eventHub, readerPolicy, mDispatcher);
    initialize();
}

InputManager对象的构造函数中，创建了两个JNI层最重要的对象InputDispatcher，InputReader这两个对象有什么作用上面一节已经说过了。

initialize函数把reader和dispatch对象传进去了，建了两个线程。

void InputManager::initialize() {
    mReaderThread = new InputReaderThread(mReader);
    mDispatcherThread = new InputDispatcherThread(mDispatcher);
}

2.2 InputReader InputDispatcher线程的run函数

初始化后就是start，java层的start比较简单。我们主要看下JNI的nativeStart

static void nativeStart(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong ptr) {
    NativeInputManager* im = reinterpret_cast<NativeInputManager*>(ptr);

    status_t result = im->getInputManager()->start();
    if (result) {
        jniThrowRuntimeException(env, "Input manager could not be started.");
    }
}

ptr就是java层InputManagerService保存的mPtr，这就到InputManager的start函数了。

status_t InputManager::start() {
    status_t result = mDispatcherThread->run("InputDispatcher", PRIORITY_URGENT_DISPLAY);
    if (result) {
        ALOGE("Could not start InputDispatcher thread due to error %d.", result);
        return result;
    }

    result = mReaderThread->run("InputReader", PRIORITY_URGENT_DISPLAY);
    if (result) {
        ALOGE("Could not start InputReader thread due to error %d.", result);

        mDispatcherThread->requestExit();
        return result;
    }

    return OK;
}

InputManager的start函数没啥别的就是启动了两个线程。我们再来看看这两个线程：

bool InputReaderThread::threadLoop() {
    mReader->loopOnce();
    return true;
}

这种写法是ndk中的thread的写法，return true，就是继续循环。调用了InputReader的loopOnce函数：

void InputReader::loopOnce() {
............

    size_t count = mEventHub->getEvents(timeoutMillis, mEventBuffer, EVENT_BUFFER_SIZE);

    { // acquire lock
        AutoMutex _l(mLock);
        mReaderIsAliveCondition.broadcast();

        if (count) {
            processEventsLocked(mEventBuffer, count);
        }

        if (mNextTimeout != LLONG_MAX) {
            nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
            if (now >= mNextTimeout) {
                mNextTimeout = LLONG_MAX;
                timeoutExpiredLocked(now);
            }
        }

        if (oldGeneration