WindowManagerService (WMS)

intro

在 Android 系統中，WindowManagerService (WMS) 是 Framework 最核心的服務之一，與 ActivityManagerService (AMS)、PackageManagerService (PMS) 並列為三大重量級系統服務。
它的主要職責可以歸納為：

• 視窗管理 (Window Management)
  • 為應用 Activity、Dialog、System UI 提供視窗容器
  • 與 SurfaceFlinger 協作進行畫面合成
• 輸入事件分發 (Input Dispatch)
  • 協助 InputManagerService 將觸控/鍵盤事件分派到正確的視窗
• Z-Order 與堆疊管理
  • 維護不同應用與視窗之間的前後順序
  • 確保使用者看到的畫面符合邏輯
    WMS 的複雜性，在於它不僅要處理 UI 呈現，還要與 系統安全、輸入控制、多視窗模式 緊密配合。可以說，若 AMS 是 Android 的「大腦」，那麼 WMS 就是 Android 的「眼睛與手」，決定了用戶看到什麼、能點擊什麼。

WMS 的架構與角色

1. 運行位置

• WMS 運行在 system_server 進程，屬於系統服務。
• 它透過 Binder IPC 與應用 (App) 溝通，並與 SurfaceFlinger、IMS 等模組協作。

2. 架構大概如下:

 ┌──────────────────────┐
 │      Applications    │
 │  (Activity/Dialog/UI)│
 └──────────┬───────────┘
            │ Binder IPC
 ┌──────────▼───────────┐
 │  WindowManagerService│
 │   (system_server)    │
 ├──────────┬───────────┤
 │ 與 AMS協作│與 IMS 協作 │
 └─────┬────┴─────┬─────┘
       │          │
 [SurfaceFlinger] [InputManagerService]
 (畫面合成)        (輸入分發)

視窗管理 (Window Management)

WMS 的最核心職責是為 Activity、Dialog、SystemUI 提供視窗容器，並控制其顯示與隱藏。

1. Window 與 Surface
   在 Android 中，每個視窗 (Window) 對應一個 Surface，Surface 是由 SurfaceFlinger 進行合成的圖層。
   WMS 本身不負責畫面渲染，而是：

• 負責分配 Surface
• 管理 Window 屬性 (大小、位置、透明度)
• 將配置通知應用

2. Window 分類
   WMS 會將不同來源的 Window 分類，常見的有：

• 應用視窗 (Application Window)：Activity、Dialog
• 子視窗 (Sub Window)：如 PopupWindow、Menu
• 系統視窗 (System Window)：狀態列、導航列、Toast、鍵盤
• 不同類型的視窗會被放置在不同層級的 Z-Order 中，決定顯示順序。

輸入事件分發 (Input Dispatch)

1. IMS 與 WMS 的協作

• InputManagerService (IMS) 負責從硬體層 (如觸控屏、按鍵) 收集事件。
• WMS 負責告訴 IMS：哪個視窗在前台、哪個視窗擁有焦點。
• IMS 再將事件投遞給對應的 App 進程。

2. 焦點管理

• 焦點 (Focus)：只有獲得焦點的視窗，才能接收輸入事件。
• AMS 與 WMS 協作，決定哪個 Activity 在前台 → WMS 再將焦點設置給該視窗。

3. 輸入事件分發流程

 [觸控事件]  
     ↓
 [InputReader] (IMS 讀取事件)  
     ↓
 [InputDispatcher] (IMS 分發事件)  
     ↓
 [WMS 提供焦點資訊]  
     ↓
 [App 進程] → ViewRootImpl → DecorView → 對應的 View  

Z-Order 與堆疊管理

1. Z-Order 的定義
   Z-Order 是視窗在螢幕上的前後順序。
   例如：

• 前景：對話框、鍵盤、狀態列
• 背景：應用 Activity

2. 視窗層級
   Android 定義了多個 Window 層級，部分如下：

• APPLICATION_LAYER → 一般 Activity
• SYSTEM_ALERT_LAYER → 系統對話框 (如螢幕截圖提示)
• STATUS_BAR_LAYER → 狀態列
• NAVIGATION_BAR_LAYER → 導航列

WMS 在維護這些層級時，會確保 系統視窗 > 應用視窗，避免應用遮蓋系統 UI。

3. 多任務與多視窗

• Android 7.0 以後引入 多視窗 (Multi-Window) 模式
• WMS 要同時管理多個 Activity 視窗的大小、位置、Z-Order
• Android 10 引入 多顯示器 (Multi-Display)，使 WMS 能在不同螢幕上維護不同的視窗堆疊

WMS 的啟動與運作流程

1. 啟動過程

• SystemServer 啟動 → 建立 WMS 實例
• WMS 初始化 → 註冊到 ServiceManager
• AMS 啟動 Activity → 請求 WMS 新增視窗
• WMS 分配 Surface → 通知 SurfaceFlinger
• App 透過 ViewRootImpl 與 WMS 溝通

2. App 視窗建立流程
   以 Activity.setContentView() 為例：

• ActivityThread 建立 ViewRootImpl
• ViewRootImpl 呼叫 WMS.addWindow()
• WMS 建立 WindowState，分配 Surface
• SurfaceFlinger 接管畫面合成
• WMS 更新 Z-Order，確保正確顯示

視窗建立流程大致如下：

 [Activity] → setContentView()
     ↓
 [ViewRootImpl] → addWindow()
     ↓
 [WMS] 建立 WindowState
     ↓
 [SurfaceFlinger] 分配與合成 Surface
     ↓
 [畫面顯示在螢幕上]

WMS 與其他系統服務的協作

• AMS (ActivityManagerService)
  • AMS 管理 Activity 邏輯
  • WMS 負責 Activity 視窗的顯示
  • SurfaceFlinger
  • WMS 管理 Surface
  • SurfaceFlinger 將各 Surface 合成到螢幕
• IMS (InputManagerService)
  • WMS 告訴 IMS 哪個視窗擁有焦點
  • IMS 再將事件分發到正確的 App
• PMS (PackageManagerService)
  • WMS 可能需要查詢應用資訊，例如視窗權限 (如 SYSTEM_ALERT_WINDOW)

WMS 的挑戰與優化

• 性能挑戰
  • 螢幕更新頻率 (60Hz → 120Hz)
  • WMS 需要與 SurfaceFlinger 高效協作，減少掉幀
• 安全挑戰
  • 防止惡意 App 使用 SYSTEM_ALERT_WINDOW 偽造 UI
  • WMS 嚴格限制視窗層級與權限
• 多螢幕支援
  • Android Q 後，WMS 支援外接顯示器
  • 每個 Display 對應獨立的 Window Stack

summary

WindowManagerService (WMS) 是 Android Framework 中控制視覺與輸入的核心：

• 視窗管理：負責應用與系統視窗的建立、顯示與屬性管理
• 輸入事件分發：協助 IMS，將觸控/鍵盤事件派發到正確的視窗
• Z-Order 管理：維護視窗前後關係，確保 UI 行為正確
• 多視窗/多顯示支援：提升 Android 的多工體驗