车载Android应用开发与分析 – SystemUI 「功能」与「源码结构」分析

在前面的视频、文章中我们介绍完了整个车载Android应用开发所需要的基础知识：

1. 【视频文稿】车载Android应用开发与分析 – 走进车载操作系统 – 掘金
2. 【视频文稿】车载Android应用开发与分析 – AOSP的下载与编译 – 掘金
3. 【视频文稿】车载Android应用开发与分析 – 开发系统应用 – 掘金
4. 【视频文稿】车载Android应用开发与分析 – AIDL实践与封装(上) – 掘金
5. 【视频文稿】车载Android应用开发与分析 – AIDL实践与封装(下) – 掘金

本期内容开始，我们将介绍原生Android Automotive中车载应用的实现方式和它的原理。首先要介绍的就是车载应用开发中非常重要的一个系统应用，Android系统的UI – SystemUI。

由于原生Android系统的SystemUI代码量很大、内容也非常庞杂，这里我会挑选出对车载SystemUI开发具有参考意义的模块进行介绍，大约会有4-5期的内容，主要分为以下几个模块：

1. SystemUI「功能」和「源代码结构」
2. SystemUI 「导航栏」与「状态栏」的实现原理，
3. SystemUI「通知栏」与「快捷控制」的实现原理
4. SystemUI「近期任务」的实现原理

那么本期内容，我们先来分析 SystemUI「功能」与「源代码结构」。阅读本期内容你可以得到以下的收获：

1. 了解什么是SystemUI
2. 了解SystemUI中主要实现了哪些功能
3. 了解SystemUI源码的结构
4. 了解SystemUI是如何被系统启动的，以及它的初始化时序。

SystemUI 简介

在Android系统中SystemUI是一个系统级的APP，它提供了系统的用户界面，由system_server进程启动。

SystemUI本身不属于system_server进程，它是一个独立的进程。它的HMI包括了状态栏、导航栏、通知栏、锁屏、近期任务等等。

SystemServer是一个由Zogyte进程启动的程序，它负责启动和管理Android系统中的各种核心服务。 例如：ActivityManagerService和PackageManagerService，这些服务也都运行在system_server进程中，为Android系统提供各种功能和接口，供应用程序和其他服务调用。我们常说的Android Framework其实就是由这些Service组成的。

SystemUI 功能介绍

这部分将主要介绍那些对我们定制自己的SystemUI时有参考价值的模块。

• 状态栏

StatusBar，负责显示时间，电量，信号，通知等状态信息。

• 导航栏

NavigationBar，显示返回，主页，最近任务等按钮。在车载Android中，我们多数时候会称为Dock栏（DockBar）。一般负责显示车控、主页、蓝牙电话等常用功能的快捷控制和入口。

• 通知栏

NotificationPanel，显示、控制通知的界面。实际的车载项目中通知栏往往会和【消息中心】合并成一个独立的APP。

• 快捷控制

QuickSettings，这个面板可以让用户快速地调整一些常用的设置，例如亮度、飞行模式、蓝牙等。QS面板有多种状态，包括初级展开面板（Quick Quick Settings，QQS）和完整QS面板（Quick Settings，QS）。用户可以通过下拉通知栏来打开或关闭QS面板。

• 其他功能

一些系统级的对话框、弹窗、动画、屏保等，这些内容相对比较简单，不再介绍了。而锁屏、媒体控制等一些功能，车载SystemUI开发时涉及的不多，也同样不再介绍。

SystemUI 源码结构

SystemUI的源码位置取决于你使用的Android版本和设备类型，本视频基于Android 13的源码进行分析。

SystemUI 源码位置与结构

Android 13的SystemUI的源码位于frameworks/base/packages/SystemUI目录下。

SystemUI的源码主要由Java和XML文件组成，其中Java文件实现了SystemUI的各种功能和逻辑，XML文件定义了SystemUI的界面和资源。SystemUI的源码还包含了一些测试，工具，文档等辅助文件。SystemUI的源码结构如下：

• animation: 包含了一些动画相关的类和资源。
• checks: 包含了一些代码检查和格式化的工具。
• compose: 包含了一些使用Jetpack Compose编写的界面组件。
• customization: 包含了一些用于定制SystemUI的类和资源。
• docs: 包含了一些文档和说明文件。
• monet: 包含了一些用于实现Material主题的类和资源。
• plugin: 包含了一些用于实现插件化功能的类和接口。
• plugin_core: 包含了一些用于支持插件化功能的基础类和接口。
• res: 包含了一些通用的资源文件，例如布局，图片，字符串等。
• res-keyguard: 包含了一些用于锁屏界面的资源文件。
• res-product: 包含了一些用于特定产品或设备的资源文件。
• screenshot: 包含了一些用于截屏功能的类和资源。
• scripts: 包含了一些用于编译或运行SystemUI的脚本文件。
• shared: 包含了一些用于共享给其他应用或模块的类和接口。
• src: 包含了SystemUI的主要源码文件，按照功能或模块进行分类，例如statusbar, navigationbar, notification, keyguard, recents等。
• src-debug: 包含了一些用于调试或测试SystemUI的源码文件。
• src-release: 包含了一些用于发布或优化SystemUI的源码文件。
• tests: 包含了一些用于测试或验证SystemUI的源码文件。
• tools: 包含了一些用于开发或分析SystemUI的工具文件。
• unfold: 包含了一些用于支持折叠屏设备的类和资源。

CarSystemUI 源码结构

车载SystemUI的源码位于 /packages/apps/Car/SystemUI目录下，CarSystemUI是对SystemUI的重用和扩展。CarSystemUI的源码结构如下：

• res: 包含了一些通用的资源文件，例如布局，图片，字符串等。
• res-keyguard: 包含了一些用于锁屏界面的资源文件。
• samples：包含CarSystemUI的换肤资源，主要是利用了Android的RRO机制。
• src: 包含了CarSystemUI的主要源码文件，按照功能或模块进行分类，例如statusbar, navigationbar, notification, keyguard, recents等。这些文件中有一些是对SystemUI中同名文件的修改或扩展，有一些是新增的文件，用于实现车载设备特有的功能或逻辑。
  • car: 包含了一些用于支持车载设备特有的功能或逻辑的类和资源，例如CarSystemUIFactory, CarNavigationBarController, CarStatusBarController等。
  • wm: 包含了一些用于管理窗口模式和布局的类和资源，例如SplitScreenController, PipController, TaskStackListenerImpl等。
  • wmshell: 包含了一些用于提供窗口外壳功能的类和资源，例如WmShellImpl, WmShellModule, WmShellStartableModule等。
  • 其他子目录和文件：除了以上三个子目录外，其他子目录和文件基本上与SystemUI中的相同或类似，只是有一些针对车载设备的修改或扩展。例如，StatusBar类在车载设备上不显示电池图标，而是显示汽油图标。
• tests: 包含了一些用于测试或验证CarSystemUI的源码文件

修改、编译 SystemUI

在Android源码的根目录下执行mm SystemUI，这会编译SystemUI模块及其依赖项。如果你修改了其他模块，例如frameworks/base，也可以执行mm framework-minus-apex来编译framework模块。

编译完成后，可以使用adb命令将新的SystemUI.apk推送到设备中，并重启SystemUI进程。具体的命令如下：

adb root
adb remount
adb push out/target/product/emulator_x86/system_ext/priv-app/CarSystemUI/CarSystemUI.apk /system_ext/priv-app/CarSystemUI/
adb shell ps -lef | grep systemui
adb shell kill <pid>

如果执行remount指令模拟器出现read only的提示，需要先关闭模拟器，使用下面的指令启动模拟器。

emulator -writable-system -netdelay none -netspeed full
adb root
adb remount
adb reboot // 重启模拟器

SystemUI 的启动时序

SystemUI的启动时序是指SystemUI作为一个系统应用在Android系统启动过程中的加载、初始化流程。

SystemUI 启动流程

当Android系统启动完成后，system_server进程会通过ActivityManagerService启动一个名为com.android.systemui.SystemUIService的服务，这个服务是SystemUI的入口类，它继承了Service类。

SystemServer的源码位置：/frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

  mActivityManagerService.systemReady(() -> {
            Slog.i(TAG, "Making services ready");
            //...
            t.traceBegin("StartSystemUI");
            try {
                startSystemUi(context, windowManagerF);
            } catch (Throwable e) {
                reportWtf("starting System UI", e);
            }
            t.traceEnd();
        }, t);

从这里我们可以看出，SystemUI本质就是一个Service，通过Pm获取到的Component是com.android.systemui/.SystemUIService。startSystemUi代码细节如下：

private static void startSystemUi(Context context, WindowManagerService windowManager) {
        PackageManagerInternal pm = LocalServices.getService(PackageManagerInternal.class);
        Intent intent = new Intent();
        intent.setComponent(pm.getSystemUiServiceComponent());
        intent.addFlags(Intent.FLAG_DEBUG_TRIAGED_MISSING);
        //Slog.d(TAG, "Starting service: " + intent);
        context.startServiceAsUser(intent, UserHandle.SYSTEM);
        windowManager.onSystemUiStarted();
}

以上就是SystemUI的启动流程，接下来我们继续看SystemUI是如何初始化的。

SystemUI 初始化流程

SystemUI的初始化流程分为以下几步：

1. Application初始化

SystemUIApplication源码位置：/frameworks/base/packages/SystemUI/src/com/android/systemui/SystemUIApplication.java

在SystemUI启动后，首先会调用Application的onCreate方法，并在onCreate方法中对SystemUI进行初始化。这里我把它分为四个部分的内容。

• 第一部分

@Override
public void onCreate() {
    super.onCreate();
    Log.v(TAG, "SystemUIApplication created.");
    // TimingsTraceLog　是一个用于跟踪代码执行时间的工具类，它可以在traceview中看到。
    TimingsTraceLog log = new TimingsTraceLog("SystemUIBootTiming",Trace.TRACE_TAG_APP);
    log.traceBegin("DependencyInjection");
    // 此行用于设置Dagger的依赖注入，并应保持在onrecate方法的顶部。
    mInitializer = mContextAvailableCallback.onContextAvailable(this);
    mSysUIComponent = mInitializer.getSysUIComponent();
    // BootCompleteCacheImpl 是一个用于缓存 BOOT_COMPLETED 广播的实现类。
    mBootCompleteCache = mSysUIComponent.provideBootCacheImpl();
    log.traceEnd();

    // 设置主线程Looper的traceTag，这样就可以在traceview中看到主线程的消息处理情况了。
    Looper.getMainLooper().setTraceTag(Trace.TRACE_TAG_APP);
    // 设置所有服务继承的应用程序主题。请注意，仅在清单中设置应用程序主题仅适用于活动。请将其与在那里设置的主题同步。
    setTheme(R.style.Theme_SystemUI);
    ...见第二部分
}

第一部分内容不多，主要是通过Dagger拿到SystemUI中的一些创建好的组件，同时设定一些调试工具。

• 第二部分

首先判断当前进程是否属于系统用户。然后根据SF GPU上下文优先级设置设定SystemUI的渲染器的上下文优先级，最后开启SystemServer的binder调用trace跟踪。

@Override
public void onCreate() {
    super.onCreate();
    ...见第一部分
    // 判断当前进程是否是系统进程。如果是系统进程，那么就注册 BOOT_COMPLETED 广播接收器。
    if (Process.myUserHandle().equals(UserHandle.SYSTEM)) {
        // 创建 BOOT_COMPLETED 广播接收器的意图过滤器。
        IntentFilter bootCompletedFilter = new IntentFilter(Intent.ACTION_BOOT_COMPLETED);
        bootCompletedFilter.setPriority(IntentFilter.SYSTEM_HIGH_PRIORITY);

        // 如果SF GPU上下文优先级设置为实时，则SysUI应以高优先级运行。优先级默认为中等。
        int sfPriority = SurfaceControl.getGPUContextPriority();
        Log.i(TAG, "Found SurfaceFlinger's GPU Priority: " + sfPriority);
        if (sfPriority == ThreadedRenderer.EGL_CONTEXT_PRIORITY_REALTIME_NV) {
            Log.i(TAG, "Setting SysUI's GPU Context priority to: "+ ThreadedRenderer.EGL_CONTEXT_PRIORITY_HIGH_IMG);
            // 设置SysUI的GPU上下文优先级为高。
            ThreadedRenderer.setContextPriority(ThreadedRenderer.EGL_CONTEXT_PRIORITY_HIGH_IMG);
            // ThreadedRenderer可以简单理解为一个渲染器，它可以在后台线程中渲染视图层次结构。优先级越高，渲染速度越快。
        }
        // 在system_server上为源自SysUI的调用启用trace跟踪
        try {
            ActivityManager.getService().enableBinderTracing();
        } catch (RemoteException e) {
            Log.e(TAG, "Unable to enable binder tracing", e);
        }
        ...见第三部分
    } else {
        ...见第四部分
    }
}

ThreadedRenderer可以简单理解为一个渲染器，它可以在后台线程中渲染视图层次结构。优先级越高，渲染速度越快。关于它具体作用可以参考： 理解Android硬件加速的小白文 – 掘金

Process.myUserHandle()可以获取当前进程的用户类型。如果是从事移动端APP开发，很少会涉及Android系统的多用户机制。但是由于汽车是一种具有共享属性的工具，会存在多个家庭成员使用一辆车的情况，所以Android多用户在车载Android开发中较为常见。

当我们在系统设置中的「系统」「多用户」添加一个新用户并切换到这个新用户时，实际上会再启动一个SystemUI进程，新的SystemUI进程的用户ID会从U1X开始，原始的SystemUI的用户ID则始终是U0。

有关Android的多用户，可以参考官方资料：支持多用户 – Android，之后我也会单独写篇博客阐述Android系统的多用户机制。

• 第三部分

注册监听开机广播，并在SystemUIService启动后，再通知SystemUI中的其它组件「系统启动完成」。

        // 注册 BOOT_COMPLETED 广播接收器。
        registerReceiver(new BroadcastReceiver() {
            @Override
            public void onReceive(Context context, Intent intent) {
                if (mBootCompleteCache.isBootComplete()) return;
                if (DEBUG) Log.v(TAG, "BOOT_COMPLETED received");
                unregisterReceiver(this);
                mBootCompleteCache.setBootComplete();
                // 判断SystemUIService是否启动
                if (mServicesStarted) {
                    final int N = mServices.length;
                    for (int i = 0; i < N; i++) {
                    // 通知SystemUI中各个组件，系统启动完成。
                        mServices[i].onBootCompleted();
                    }
                }
            }
        }, bootCompletedFilter);

        // Intent.ACTION_LOCALE_CHANGED 是系统语言发生变化时发送的广播。
        IntentFilter localeChangedFilter = new IntentFilter(Intent.ACTION_LOCALE_CHANGED);
        registerReceiver(new BroadcastReceiver() {
            @Override
            public void onReceive(Context context, Intent intent) {
                if (Intent.ACTION_LOCALE_CHANGED.equals(intent.getAction())) {
                    if (!mBootCompleteCache.isBootComplete()) return;
                    // 更新SystemUi通知通道的名称
                    NotificationChannels.createAll(context);
                }
            }
        }, localeChangedFilter);

• 第四部分

如果当前用户非系统用户那么调用startSecondaryUserServicesIfNeeded方法。

    } else {
        // 我们不需要为正在执行某些任务的子进程初始化组件。例如：截图进程等
        String processName = ActivityThread.currentProcessName();
        ApplicationInfo info = getApplicationInfo();
        if (processName != null && processName.startsWith(info.processName + ":")) {
            return;
        }
        // 对于第二个用户，boot-completed永远不会被调用，因为它已经在启动时为主SystemUI进程广播了
        // 对于需要每个用户初始化SystemUI组件的组件，我们现在为当前非系统用户启动这些组件。
        startSecondaryUserServicesIfNeeded();
    }

startSecondaryUserServicesIfNeeded方法也是通过startServicesIfNeeded方法来初始化SystemUI中的功能组件。具体是如何初始化，我们之后再来分析。

void startSecondaryUserServicesIfNeeded() {
    // 对startables进行排序，以便我们获得确定的顺序。
    Map<Class<?>, Provider<CoreStartable>> sortedStartables = new TreeMap<>(Comparator.comparing(Class::getName));
    sortedStartables.putAll(mSysUIComponent.getPerUserStartables());
    startServicesIfNeeded(sortedStartables, "StartSecondaryServices", null);
}

到这里，我们简单总结一下SystemUIApplication中其实最主要的工作，其实只有两个：

① 在系统用户空间中监听开机广播，并通知 SystemUI 的功能组件。

② 在非系统用户空间中，直接初始化 SystemUI 的功能组件。

1. 启动 SystemUIService

当Application完成初始化之后，紧接着，SystemUIService就会被启动。

SystemUIService源码位置：/frameworks/base/packages/SystemUI/src/com/android/systemui/SystemUIService.java

SystemUIService在onCreate()方法中会调用((SystemUIApplication) getApplication()).startServicesIfNeeded()方法

@Override
public void onCreate() {
    super.onCreate();
    // Start all of SystemUI
    ((SystemUIApplication) getApplication()).startServicesIfNeeded();
    ...
}

这里可能有个疑问：为什么不把startServicesIfNeeded的相关逻辑写在Service中，非要写到Application中？

是因为，当前用户不是系统用户时，startSecondaryUserServicesIfNeeded也需要去调用startServicesIfNeeded方法进行组件初始化，所以干脆把所有的初始化逻辑都写到Application中了。

public void startServicesIfNeeded() {
    // vendorComponent 是一个字符串，它的值是：com.android.systemui.VendorServices
    // com.android.systemui.VendorServices 是一个空类，它的作用是在SysUI启动时，启动一些第三方服务。
    final String vendorComponent = mInitializer.getVendorComponent(getResources());

    // 对startables进行排序，以便我们获得确定的顺序
    // TODO: make #start idempotent and require users of CoreStartable to call it.
    Map<Class<?>, Provider<CoreStartable>> sortedStartables = new TreeMap<>(
            Comparator.comparing(Class::getName));
    sortedStartables.putAll(mSysUIComponent.getStartables());
    sortedStartables.putAll(mSysUIComponent.getPerUserStartables());
    startServicesIfNeeded(sortedStartables, "StartServices", vendorComponent);
}

• Android 13以前

这个方法会根据配置文件config_systemUIServiceComponents或config_systemUIServiceComponentsPerUser中的定义使用反射来创建、启动一系列SystemUI的服务，例如StatusBar, NavigationBar, NotificationPanel, Keyguard等。这些服务每一个都扩展自一个名为SystemUI的接口。

SystemUI会为他们提供了一个Context，并为他们提供onConfigurationChanged和onBootCompleted的回调。这些服务是SystemUI的主要组件，负责提供各种功能和界面。

• Android 13以后

增加了一个新的vendorComponent，vendorComponent 是一个字符串，它的值是：com.android.systemui.VendorServices。VendorServices继承自CoreStartable但是内部没有任何实现，google的设计目的是，在SysUI启动时，可以用来启动一些第三方服务。

Android 13以前每个SystemUI服务还会依赖于Dependency类提供的自定义依赖注入，来获取一些跨越SystemUI生命周期的对象。但是Android 13之后，SystemUI功能组件的创建和依赖注入都是Dagger自动完成。

private void startServicesIfNeeded(Map<Class<?>, Provider<CoreStartable>> startables,String metricsPrefix,String vendorComponent) {
    if (mServicesStarted) {
        return;
    }
    mServices = new CoreStartable[startables.size() + (vendorComponent == null ? 0 : 1)];

    if (!mBootCompleteCache.isBootComplete()) {
        // 检查BOOT_COMPLETED是否已经发送。如果是这样，我们不需要等待它。
        // see ActivityManagerService.finishBooting()
        if ("1".equals(SystemProperties.get("sys.boot_completed"))) {
            mBootCompleteCache.setBootComplete();
            if (DEBUG) {
                Log.v(TAG, "BOOT_COMPLETED was already sent");
            }
        }
    }

    mDumpManager = mSysUIComponent.createDumpManager();

    Log.v(TAG, "Starting SystemUI services for user " + Process.myUserHandle().getIdentifier() + ".");
    TimingsTraceLog log = new TimingsTraceLog("SystemUIBootTiming",Trace.TRACE_TAG_APP);
    log.traceBegin(metricsPrefix);

    int i = 0;
    for (Map.Entry<Class<?>, Provider<CoreStartable>> entry : startables.entrySet()) {
        String clsName = entry.getKey().getName();
        int j = i;  // Copied to make lambda happy.
        // timeInitialization 记录初始化的时间
        timeInitialization(clsName,
                () -> mServices[j] = startStartable(clsName, entry.getValue()),
                log,
                metricsPrefix);
        i++;
    }

    if (vendorComponent != null) {
        timeInitialization(
                vendorComponent,
                () -> mServices[mServices.length - 1] =
                        startAdditionalStartable(vendorComponent),
                log,
                metricsPrefix);
    }

    for (i = 0; i < mServices.length; i++) {
        if (mBootCompleteCache.isBootComplete()) {
            mServices[i].onBootCompleted();
        }

        mDumpManager.registerDumpable(mServices[i].getClass().getName(), mServices[i]);
    }
    mSysUIComponent.getInitController().executePostInitTasks();
    log.traceEnd();

    mServicesStarted = true;
}

有关Android13 的SystemUI中Dagger是如何使用的。可以阅读官方文档：frameworks/base/packages/SystemUI/docs/dagger.md

我们再来小结一下SystemUIService的初始化流程，可以归纳为以下四步：

①调用SystemUIApplication中的startServicesIfNeeded方法

②startServicesIfNeeded方法通过Dagger获取到创建好的SystemUI的功能组件，并依据包名、类名进行排序。

③依次调用SystemUI功能组件的start()方法，并记录耗时。

④当接收到BOOT_COMPLETED广播或检查SystemProperty中已经完成开机，则依次调用 SystemUI 功能组件的onBootCompleted()完成 SystemUI 的初始化。

总结

本期内容我们简单介绍了Android系统中SystemUI的功能、源码结构以及启动时序。

最近无论是视频还是博客更新的都很慢，原因其实我在B站发了动态说明，因为裁员，接下来相当一段时间不得不多花点时间在工作上了。

好，感谢你的阅读，希望对你有所帮助，我们下期内容再见。