详解Android壁纸服务的启动过程
壁纸基础
android中的壁纸分为动态壁纸和静态壁纸两种，两种类型的壁纸都以Service的类型运行在系统后台。
- 静态壁纸：仅以图片的形式进行展示对于静态壁纸，可以使用WallpaperManager中的getDrawable()等接口获取到当前的bitmap图像。
- 动态壁纸：显示的内容为动态的内容，同时可以对用户的操作做出响应对于动态壁纸的实时图像，是没办法通过android中原生的接口获取到，需要获取到动态壁纸的图像得自己修改源码。
壁纸实现时涉及的几个主要的类：
- WallpaperService及其内部类Engine：壁纸在WallpaperService这个服务中运行，当需要实现自己的壁纸时，继承和实现这个类，是首先需要做的。Engine是WallpaperService中的一个内部类，实现了壁纸服务窗口的创建以及Surface的维护，同时Engine内部类还提供了onVisibilityChanged()，onCommand()等回调方法，用于可见状态变化和用户触摸事件等。Engine类因此也是壁纸实现的核心类，实现和重写其接口在开发中也相当重要。
- WallpaperManagerService和WallpaperManager：WallpaperManagerService用于管理壁纸的运行与切换，并通过WallpaperManager对外界提供操作壁纸的接口。
- WindowMangerService：该类用于计算壁纸窗口的Z序，可见性以及为壁纸窗口应用动画。
壁纸服务的两种启动场景
非首次重启壁纸服务启动流程
SystemService进程启动时，会启动各种系统服务。在该类的startOtherServices(）方法中会首先拉起
WallpaperManagerService，通过该类，WallpaperService后面才得以启动。
if (context.getResources().getBoolean(R.bool.config_enableWallpaperService)) {
t.traceBegin("StartWallpaperManagerService");
mSystemServiceManager.startService(WALLPAPER_SERVICE_CLASS);
t.traceEnd();
} else {
Slog.i(TAG, "Wallpaper service disabled by config");
}
WallpaperManagerService启动之后systemReady()方法中会通过loadSettingsLocked()方法加载用户设置过的壁纸信息，然后监听用户切换用户switchUser()，切换用户时，switchWallpaper()会调用bindWallpaperComponentLocked()方法拉起对应的壁纸服务。
手动切换时壁纸服务的启动流程
手动切换壁纸服务时需要通过WallpaperManager.getIWallpaperManager().setWallpaperComponent()方法完成，我们在这个接口中传入壁纸服务对应的ComponentName，getIWallpaperManager返回的是WallpaperManagerService的Bp(binder proxy binder代理)端，在WallpaperManagerService端，我们可以查看到setWallpaperComponent的具体实现，
private void setWallpaperComponent(ComponentName name, int userId) {
...
/* 首先调用该方法的时候回去校验权限，该权限定义在frameworks/base/core/res/AndroidManifest.xml，
<permission android:name="android.permission.SET_WALLPAPER_COMPONENT"
android:protectionLevel="signature|privileged" />
查看protectionLevel，只有是特权应用或者系统签名的应用才能获取到这个系统权限，所以普通的应用是没有办法进行壁纸设置的
*/
checkPermission(android.Manifest.permission.SET_WALLPAPER_COMPONENT);
int which = FLAG_SYSTEM;
boolean shouldNotifyColors = false;
WallpaperData wallpaper;
synchronized (mLock) {
Slog.v(TAG, "setWallpaperComponent name=" + name);
/*
此处会先通过当前的用户ID获取到与该用户相关的壁纸信息，WallpaperManagerService支持多用户机制，用户的信息在mWallpaperMap中存储，每一个用户对应一个WallpaperData，WallpaperData存储壁纸相关信息
*/
wallpaper = mWallpaperMap.get(userId);
if (wallpaper == null) {
throw new IllegalStateException("Wallpaper not yet initialized for user " + userId);
}
...
// 在这里真正会去拉起对应的WallPaperService
if (bindWallpaperComponentLocked(name, false, true, wallpaper, null)) {
...
}
setWallpaperComponent最终也是通过bindWallpaperComponentLocked拉起壁纸服务
壁纸服务启动过程
1.校验是否是壁纸服务
bindWallpaperComponentLocked()方法将会启动该ComponentName所指定的WallpaperService，在启动的时候首先会进行校验，以确定待拉起的服务是一个壁纸服务，
private boolean bindWallpaperComponentLocked(ComponentName componentName, boolean force,
boolean fromUser, WallpaperData wallpaper, IRemoteCallback reply) {
...
int serviceUserId = wallpaper.userId;
ServiceInfo si = mIPackageManager.getServiceInfo(componentName,
PackageManager.GET_META_DATA | PackageManager.GET_PERMISSIONS, serviceUserId);
if (si == null) {
// The wallpaper component we're trying to use doesn't exist
Slog.w(TAG, "Attempted wallpaper " + componentName + " is unavailable");
return false;
}
/*
第一个校验：
启动的时候首先会校验这个壁纸服务是否声明权限为BIND_WALLPAPER权限，
该权限的定义同样也在fwk/base/core/res/manifest.xml
<permission android:name="android.permission.BIND_WALLPAPER"
android:protectionLevel="signature|privileged" />
该权限也是系统级别的，防止三方应用切换壁纸，
*/
if (!android.Manifest.permission.BIND_WALLPAPER.equals(si.permission)) {
String msg = "Selected service does not have "
+ android.Manifest.permission.BIND_WALLPAPER
+ ": " + componentName;
if (fromUser) {
throw new SecurityException(msg);
}
Slog.w(TAG, msg);
return false;
}
WallpaperInfo wi = null;
Intent intent = new Intent(WallpaperService.SERVICE_INTERFACE);
if (componentName != null && !componentName.equals(mImageWallpaper)) {
// Make sure the selected service is actually a wallpaper service.
/*
第二个校验：
这个检查来校验服务是否声明了android.service.wallpaper.WallpaperService这个action。如果这个服务没有声明这个action的话那么，ris中就不会含有这个component信息，
*/
List<ResolveInfo> ris =
mIPackageManager.queryIntentServices(intent,
intent.resolveTypeIfNeeded(mContext.getContentResolver()),
PackageManager.GET_META_DATA, serviceUserId).getList();
for (int i=0; i<ris.size(); i++) {
ServiceInfo rsi = ris.get(i).serviceInfo;
if (rsi.name.equals(si.name) &&
rsi.packageName.equals(si.packageName)) {
try {
/*
第三个检查：
获取名为android.service.wallpaper中的meta-data信息，该meta-data信息中提供了缩略图，开发者，简单的描述等。会将这些信息转换成WallpaperInfo
*/
wi = new WallpaperInfo(mContext, ris.get(i));
} catch (XmlPullParserException e) {
if (fromUser) {
throw new IllegalArgumentException(e);
}
Slog.w(TAG, e);
return false;
} catch (IOException e) {
if (fromUser) {
throw new IllegalArgumentException(e);
}
Slog.w(TAG, e);
return false;
}
break;
}
}
if (wi == null) {
String msg = "Selected service is not a wallpaper: "
+ componentName;
if (fromUser) {
throw new SecurityException(msg);
}
Slog.w(TAG, msg);
return false;
}
}
// 当壁纸服务支持在ambient模式下进行绘制的时候，需要检查是否有AMBIENT_WALLPAPER权限，
if (wi != null && wi.supportsAmbientMode()) {
final int hasPrivilege = mIPackageManager.checkPermission(
android.Manifest.permission.AMBIENT_WALLPAPER, wi.getPackageName(),
serviceUserId);
if (hasPrivilege != PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
String msg = "Selected service does not have "
+ android.Manifest.permission.AMBIENT_WALLPAPER
+ ": " + componentName;
if (fromUser) {
throw new SecurityException(msg);
}
Slog.w(TAG, msg);
return false;
}
}
// 检验完毕，这里才会开始bind 壁纸服务，如果校验失败的话，会返回false
...
}
上面的校验可以看出一共校验了三个条件：
- 启动的时候首先会校验这个壁纸服务是否声明权限为BIND_WALLPAPER权限， 该权限的定义在fwk/base/core/res/manifest.xml中，< permission android:name=“android.permission.BIND_WALLPAPER”
android:protectionLevel=“signature|privileged” />
该权限也是系统级别的，防止三方应用切换壁纸。 - 这个检查来校验服务是否声明了android.service.wallpaper.WallpaperService这个action。如果这个服务没有声明这个action的话那么，ris中就不会含有这个component信息。
- 获取名为android.service.wallpaper中的meta-data信息，该meta-data信息中提供了缩略图，开发者，简单的描述等。会将这些信息转换成WallpaperInfo。
2.绑定壁纸服务
壁纸服务的校验满足后，开始启动和绑定目标服务：
private boolean bindWallpaperComponentLocked(ComponentName componentName, boolean force,
boolean fromUser, WallpaperData wallpaper, IRemoteCallback reply) {
// 校验服务是否符合要求结束后，开始着手启动服务
...
//1. 创建一个WallpaperConnection，该对象可以监听和WallpaperService之间的连接状态，同时归对象继承了IWallpaperConnection.Stub，这样该对象有拥有了跨进程通信的能力，当服务绑定成功后，onServiceConnected()方法调用中，WallpaperConnection实力会被发送到WallpaperService,该实例可以用于WallpaperService想WallpaperManagerService进行通信的桥梁。
intent.setComponent(componentName);
intent.putExtra(Intent.EXTRA_CLIENT_LABEL,
com.android.internal.R.string.wallpaper_binding_label);
...
/* 2. 这里启动指定的壁纸服务，服务启动后，壁纸还没有办法进行显示，还需要WallpaperConnection.onServiceConnected中进行相应的处理*/
if (!mContext.bindServiceAsUser(intent, newConn,Context.BIND_AUTO_CREATE | Context.BIND_SHOWING_UI| Context.BIND_FOREGROUND_SERVICE_WHILE_AWAKE |
Context.BIND_INCLUDE_CAPABILITIES,new UserHandle(serviceUserId))) {
}
/*3. 新的壁纸服务启动之后，就开始销毁旧服务*/
if (wallpaper.userId == mCurrentUserId && mLastWallpaper != null && !wallpaper.equals(mFallbackWallpaper)) {
detachWallpaperLocked(mLastWallpaper);
}
/* 4.将新的壁纸服务信息进行保存*/
wallpaper.wallpaperComponent = componentName;
wallpaper.connection = newConn;
...
bindWallpaperComponentLocked函数在拉起壁纸服务的时候主要做了下面几件事情：
- 创建了WallpaperConnection对象，由于实现了ServiceConnection接口，所以WallpaperConnection可以用来监听和壁纸服务的连接状态，另外由于继承了IWallpoaperConnection.Stub接口，所以WallpaperConnection具有了跨进程通信的能力。
- 启动壁纸服务：这里仅仅是拉起服务，和拉起普通服务的方式基本一致，拉起方式上则使用了bindServiceAsUser，查看官方注解，该接口增加了校验该用户是否能拉起该服务，其余的行为和bindService相同。
- 保存当前WallpaperConnection实例，ConponentName，到WallpaperData中
bindWallpaperComponentLocked()函数将壁纸服务拉了起来，但是仅仅将壁纸服务拉起来是没有办法显示图像的，因为启动的服务并没有窗口令牌，这样就没办法添加窗口。剩下的这部分显示的工作在WallpaperConnection的onServiceConnected()方法中进行，在该回调中同样也能拿到壁纸服务端服务端提供的Binder对象。
WallpaperService在被bind的时候返回了一个IWallpaperServiceWrapper对象，从代码中可以看到，该对象中保存了WallpaperService实例，看了代码后再去理解这个对象的命名（包装WallpaperService），果然名副其实。
class IWallpaperServiceWrapper extends IWallpaperService.Stub {
private final WallpaperService mTarget;
private IWallpaperEngineWrapper mEngineWrapper;
public IWallpaperServiceWrapper(WallpaperService context) {
mTarget = context;
}
@Override
public void attach(IWallpaperConnection conn, IBinder windowToken,
int windowType, boolean isPreview, int reqWidth, int reqHeight, Rect padding,int displayId) {
...
}
@Override
public void detach() {
...
}
}
该接口中一共有两个接口，attach和detach，attach接口在创建的时候可以将相关信息传递到壁纸服务中，对应的，detach接口在服务销毁的时候调用。
3.引擎的创建和初始化
引擎的创建准备工作开始于onServiceConnected()回调处，该回调会传递壁纸服务需要的窗口令牌和ServiceConnection对象等。
WallpaperManagerService.java
@Override
public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
synchronized (mLock) {
if (mWallpaper.connection == this) {
mService = IWallpaperService.Stub.asInterface(service);
attachServiceLocked(this, mWallpaper);
// XXX should probably do saveSettingsLocked() later
// when we have an engine, but I'm not sure about
// locking there and anyway we always need to be able to
// recover if there is something wrong.
if (!mWallpaper.equals(mFallbackWallpaper)) {
// 保存当前的壁纸信息到文件系统中，这样重启的时候就可以加载之前用户设置过的壁纸
saveSettingsLocked(mWallpaper.userId);
}
FgThread.getHandler().removeCallbacks(mResetRunnable);
mContext.getMainThreadHandler().removeCallbacks(mTryToRebindRunnable);
}
}
}
onServiceConnected()函数中，首先将返回的binder对象进行了保存，然后在attachServiceLocked()方法中会调用connectLocked()方法，connectLocked()接口中调用了attach方法传递了壁纸服务所需要的信息。
void connectLocked(WallpaperConnection connection, WallpaperData wallpaper) {
...
mWindowManagerInternal.addWindowToken(mToken, TYPE_WALLPAPER, mDisplayId);
final DisplayData wpdData = getDisplayDataOrCreate(mDisplayId);
try {
connection.mService.attach(connection, mToken, TYPE_WALLPAPER, false,
wpdData.mWidth, wpdData.mHeight,
wpdData.mPadding, mDisplayId);
}
...
}
attach接口回传了许多信息，其中
- connection为WallpaperConnection的实例。WallpaperConnection之所以具有跨进程通信的能力是因为继承了IWallpaperConnection.Stub类，该Stub对象中比较重要的一个接口就是attachEngine()，因为Engine实现才是动态壁纸的核心，WallpaperService会将创建好的Engine引用通过attachEngine()回传给WallpaperManagerService进行管理。
- mToken是向WMS注册过的窗口令牌，只有拥有了这个令牌，WallpaperService才有权添加壁纸窗口。
传递了WallpaperService需要的信息之后，WallPaperService开始进行引擎的创建。查看WallpaperService中attach()方法的实现，
class IWallpaperServiceWrapper extends IWallpaperService.Stub {
...
@Override
public void attach(IWallpaperConnection conn, IBinder windowToken,
int windowType, boolean isPreview, int reqWidth, int reqHeight, Rect padding,
int displayId) {
mEngineWrapper = new IWallpaperEngineWrapper(mTarget, conn, windowToken,
windowType, isPreview, reqWidth, reqHeight, padding, displayId);
}
...
}
attach方法创建了一个IWallpaperEngineWrapper，顾名思义，该对象有壁纸服务创建的引擎的引用，在创建IWallpaperEngineWrapper对象的时候，会发送DO_ATTACH消息，该消息用于壁纸服务引擎的创建，
IWallpaperEngineWrapper.java
IWallpaperEngineWrapper(WallpaperService context,
IWallpaperConnection conn, IBinder windowToken,
int windowType, boolean isPreview, int reqWidth, int reqHeight, Rect padding,
int displayId) {
mCaller = new HandlerCaller(context, context.getMainLooper(), this, true);
...
Message msg = mCaller.obtainMessage(DO_ATTACH);
mCaller.sendMessage(msg);
}
...
@Override
public void executeMessage(Message message) {
switch (message.what) {
case DO_ATTACH: {
try {
// 将IWallpaperEngineWapper对象传递给WallpaperConnection进行保存，通过这个引用，WallpaperManagerService也可以通过它与engine进行通信
mConnection.attachEngine(this, mDisplayId);
} catch (RemoteException e) {
Log.w(TAG, "Wallpaper host disappeared", e);
return;
}
// 创建一个引擎，该方法为抽象方法，需要子类根据自身实现具体的引擎
Engine engine = onCreateEngine();
mEngine = engine;
mActiveEngines.add(engine);
// 该方法中会完成窗口的创建，surface创建等工作。
engine.attach(this);
return;
}
由于mConnection.attachEngine()方法将IWallpaperEngineWrapper传递给了WallpaperManagerService，因此WallpaperManagerService可以转发相关的请求和设置到Engine对象中，实现WallpaperManagerService到壁纸的通信。
onCreateEngine方法执行后，引擎创建完成，之后通过engine.attach()方法进行引擎相关的初始化：
void attach(IWallpaperEngineWrapper wrapper) {
...
mIWallpaperEngine = wrapper;
mCaller = wrapper.mCaller;
mConnection = wrapper.mConnection;
mWindowToken = wrapper.mWindowToken;
mSurfaceHolder.setSizeFromLayout();
mInitializing = true;
// 这个session用于和WMS进行通信
mSession = WindowManagerGlobal.getWindowSession();
// mWindow是一个IWindow对象，用于接收从WMS发送过来的消息
mWindow.setSession(mSession);
mLayout.packageName = getPackageName();
mIWallpaperEngine.mDisplayManager.registerDisplayListener(mDisplayListener,
mCaller.getHandler());
mDisplay = mIWallpaperEngine.mDisplay;
mDisplayContext = createDisplayContext(mDisplay);
mDisplayState = mDisplay.getState();
if (DEBUG) Log.v(TAG, "onCreate(): " + this);
// 子类可以重写该接口，在该接口中可以修改mSurfaceHolder相关的属性，这个时候
// 窗口尚未创建。设置的相关属性将在updateSurface中创建窗口时使用
onCreate(mSurfaceHolder);
mInitializing = false;
mReportedVisible = false;
// updateSurface会进行窗口以及Surface的创建。
updateSurface(false, false, false);
}
attach方法执行的完成，标志着壁纸启动的完成，之后可以调用壁纸的surface显示图像。
壁纸服务的启动流程总结
壁纸服务的启动相比于普通服务的启动较为复杂，接下来用下面的示意图对整体的流程进行梳理：
壁纸服务在启动的时候，大体可以分为两个阶段，首先就要是拉起对应的服务，拉起服务后然后将WindowToken等参数传递给引擎进行窗口的创建，surface的创建。在WallpaperManagerService和WallpaperService交互的过程中，主要有下面三个跨进程通信的Binder对象：
- WallpaperConnection：实现在WallpaperManagerService中，并通过IWallpaperService.attach回调传递给了IWallpaperEngineWrapper，通过WallpaperConnection.attachEngine()方法，WallpaperService将IWallpaperEngineWrapper回传给了WallpaperManagerService，实现了双向的通信。
- IWallpaperService：实现在WallpaperService中，该对象提供了attach方法，用于从WallpaperManagerService获取引擎创建时需要的WindowToken等信息。
- IWallpaperEngineWrapper：实现在壁纸服务进程中，同时引用交给了WallpaperManagerService，该对象封装了Engine类，WallpaperManagerService对引擎相关的控制需要通过该对象提供的接口实现。
自己最近因为需要定位一个开机壁纸服务启动慢的问题，所以熟悉了下壁纸服务的启动过程，在此记录启动流程。定位该问题梳理从bind到onServiceConnected和引擎相关初始化，对比每一个阶段的时间，最终确定问题的原因。
参考：
- 《深入理解Android卷3》第八章：深入理解android壁纸服务
- framework-base源码
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