[Android] Toast问题深度剖析(一)

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作者：QQ音乐技术团队

题记

Toast 作为 Android 系统中最常用的类之一，由于其方便的api设计和简洁的交互体验，被我们所广泛采用。但是，伴随着我们开发的深入，Toast 的问题也逐渐暴露出来。本文章就将解释 Toast 这些问题产生的具体原因。 本系列文章将分成两篇:

• 第一篇，我们将分析 Toast 所带来的问题
• 第二篇，将提供解决 Toast 问题的解决方案

(注:本文源码基于Android 7.0)

1. 异常和偶尔不显示的问题

当你在程序中调用了 Toast 的 API，你可能会在后台看到类似这样的 Toast 执行异常:

android.view.WindowManager$BadTokenException
    Unable to add window -- token android.os.BinderProxy@7f652b2 is not valid; is your activity running?
    android.view.ViewRootImpl.setView(ViewRootImpl.java:826)
    android.view.WindowManagerGlobal.addView(WindowManagerGlobal.java:369)
    android.view.WindowManagerImpl.addView(WindowManagerImpl.java:94)
    android.widget.Toast$TN.handleShow(Toast.java:459)

另外，在某些系统上，你没有看到什么异常，却会出现 Toast 无法正常展示的问题。为了解释上面这些问题产生的原因，我们需要先读一遍 Toast 的源码。

2. Toast 的显示和隐藏

首先，所有 Android 进程的视图显示都需要依赖于一个窗口。而这个窗口对象，被记录在了我们的 WindowManagerService（后面简称 WMS） 核心服务中。WMS 是专门用来管理应用窗口的核心服务。当 Android 进程需要构建一个窗口的时候，必须指定这个窗口的类型。 Toast 的显示也同样要依赖于一个窗口， 而它被指定的类型是:

public static final int TYPE_TOAST = FIRST_SYSTEM_WINDOW+5;//系统窗口

可以看出， Toast 是一个系统窗口，这就保证了 Toast 可以在 Activity 所在的窗口之上显示，并可以在其他的应用上层显示。那么，这就有一个疑问:

“如果是系统窗口，那么，普通的应用进程为什么会有权限去生成这么一个窗口呢?”

实际上，Android 系统在这里使了一次 “偷天换日” 小计谋。我们先来看下 Toast 从显示到隐藏的整个流程:

// code Toast.java
public void show() {
        if (mNextView == null) {
            throw new RuntimeException("setView must have been called");
        }

        INotificationManager service = getService();//调用系统的notification服务
        String pkg = mContext.getOpPackageName();
        TN tn = mTN;//本地binder
        tn.mNextView = mNextView;
        try {
            service.enqueueToast(pkg， tn， mDuration);
        } catch (RemoteException e) {
            // Empty
        }
    }

我们通过代码可以看出，当 Toast 在 show 的时候，将这个请求放在 NotificationManager 所管理的队列中，并且为了保证 NotificationManager 能跟进程交互， 会传递一个 TN 类型的 Binder 对象给 NotificationManager 系统服务。而在 NotificationManager 系统服务中:

//code NotificationManagerService
public void enqueueToast(...) {
    ....
    synchronized (mToastQueue) {
                    ...
                    {
                        // Limit the number of toasts that any given package except the android
                        // package can enqueue.  Prevents DOS attacks and deals with leaks.
                        if (!isSystemToast) {
                            int count = ;
                            final int N = mToastQueue.size();
                            for (int i=; i<N; i++) {
                                 final ToastRecord r = mToastQueue.get(i);
                                 if (r.pkg.equals(pkg)) {
                                     count++;
                                     if (count >= MAX_PACKAGE_NOTIFICATIONS) {
                                         //上限判断
                                         return;
                                     }
                                 }
                            }
                        }

                        Binder token = new Binder();
                        mWindowManagerInternal.addWindowToken(token，
                                WindowManager.LayoutParams.TYPE_TOAST);//生成一个Toast窗口
                        record = new ToastRecord(callingPid， pkg， callback， duration， token);
                        mToastQueue.add(record);
                        index = mToastQueue.size() - ;
                        keepProcessAliveIfNeededLocked(callingPid);
                    }
                    ....
                     if (index == ) {
                        showNextToastLocked();//如果当前没有toast，显示当前toast
                    }
                } finally {
                    Binder.restoreCallingIdentity(callingId);
                }
            }
}

(不去深究其他代码的细节，有兴趣可以自行研究，挑出我们所关心的Toast显示相关的部分)

我们会得到以下的流程(在 NotificationManager系统服务所在的进程中):

• 判断当前的进程所弹出的 Toast 数量是否已经超过上限 MAX_PACKAGE_NOTIFICATIONS ，如果超过，直接返回
• 生成一个 TOAST 类型的系统窗口，并且添加到 WMS 管理
• 将该 Toast 请求记录成为一个 ToastRecord 对象

代码到这里，我们已经看出 Toast 是如何偷天换日的。实际上，这个所需要的这个系统窗口 token ，是由我们的 NotificationManager 系统服务所生成，由于系统服务具有高权限，当然不会有权限问题。不过，我们又会有第二个问题:

既然已经生成了这个窗口的 Token 对象，又是如何传递给 Android进程并通知进程显示界面的呢？

我们知道， Toast 不仅有窗口，也有时序。有了时序，我们就可以让 Toast 按照我们调用的次序显示出来。而这个时序的控制，自然而然也是落在我们的 NotificationManager 服务身上。我们通过上面的代码可以看出，当系统并没有 Toast 的时候，将通过调用 showNextToastLocked(); 函数来显示下一个 Toast。

void showNextToastLocked() {
        ToastRecord record = mToastQueue.get();
        while (record != null) {
            ...
            try {
                record.callback.show(record.token);//通知进程显示
                scheduleTimeoutLocked(record);//超时监听消息
                return;
            } catch (RemoteException e) {
                ...
            }
        }
    }

这里，showNextToastLocked 函数将调用 ToastRecord的 callback 成员的 show 方法通知进程显示，那么 callback 是什么呢？

final ITransientNotification callback;//TN的Binder代理对象

我们看到 callback 的声明，可以知道它是一个 ITransientNotification 类型的对象，而这个对象实际上就是我们刚才所说的 TN 类型对象的代理对象:

private static class TN extends ITransientNotification.Stub {
    ...
}

那么 callback对象的show方法中需要传递的参数 record.token呢？实际上就是我们刚才所说的NotificationManager服务所生成的窗口的 token。 相信大家已经对 Android 的 Binder 机制已经熟门熟路了，当我们调用 TN 代理对象的 show 方法的时候，相当于 RPC 调用了 TN 的 show 方法。来看下 TN 的代码:

// code TN.java
final Handler mHandler = new Handler() {
            @Override
            public void handleMessage(Message msg) {
                IBinder token = (IBinder) msg.obj;
                handleShow(token);//处理界面显示
            }
        };
@Override
        public void show(IBinder windowToken) {
            if (localLOGV) Log.v(TAG， "SHOW: " + this);
            mHandler.obtainMessage(， windowToken).sendToTarget();
        }

这时候 TN 收到了 show 方法通知，将通过 mHandler 对象去 post 出一条命令为 0 的消息。实际上，就是一条显示窗口的消息。最终，将会调用 handleShow(Binder) 方法:

public void handleShow(IBinder windowToken) {
            if (localLOGV) Log.v(TAG， "HANDLE SHOW: " + this + " mView=" + mView
                    + " mNextView=" + mNextView);
            if (mView != mNextView) {
                ...
                mWM = (WindowManager)context.getSystemService(Context.WINDOW_SERVICE);
                ....
                mParams.token = windowToken;
                ...
                mWM.addView(mView， mParams);
                ...
            }
        }

而这个显示窗口的方法非常简单，就是将所传递过来的窗口 token 赋值给窗口属性对象 mParams， 然后通过调用 WindowManager.addView 方法，将 Toast 中的 mView 对象纳入 WMS 的管理。

上面我们解释了 NotificationManager 服务是如何将窗口 token 传递给 Android 进程，并且 Android 进程是如何显示的。我们刚才也说到， NotificationManager 不仅掌管着 Toast 的生成，也管理着 Toast 的时序控制。因此，我们需要穿梭一下时空，回到 NotificationManager 的 showNextToastLocked() 方法。大家可以看到:在调用 callback.show 方法之后又调用了个 scheduleTimeoutLocked 方法:

record.callback.show(record.token);//通知进程显示
scheduleTimeoutLocked(record);//超时监听消息

而这个方法就是用于管理 Toast 时序:

private void scheduleTimeoutLocked(ToastRecord r)
    {
        mHandler.removeCallbacksAndMessages(r);
        Message m = Message.obtain(mHandler， MESSAGE_TIMEOUT， r);
        long delay = r.duration == Toast.LENGTH_LONG ? LONG_DELAY : SHORT_DELAY;
        mHandler.sendMessageDelayed(m， delay);
    }

scheduleTimeoutLocked 内部通过调用 Handler 的 sendMessageDelayed 函数来实现定时调用，而这个 mHandler 对象的实现类，是一个叫做 WorkerHandler 的内部类:

private final class WorkerHandler extends Handler
    {
        @Override
        public void handleMessage(Message msg)
        {
            switch (msg.what)
            {
                case MESSAGE_TIMEOUT:
                    handleTimeout((ToastRecord)msg.obj);
                    break;
                ....
            }
    }
    private void handleTimeout(ToastRecord record)
    {
        synchronized (mToastQueue) {
            int index = indexOfToastLocked(record.pkg， record.callback);
            if (index >= ) {
                cancelToastLocked(index);
            }
        }
    }

WorkerHandler 处理 MESSAGE_TIMEOUT 消息会调用 handleTimeout(ToastRecord) 函数，而 handleTimeout(ToastRecord) 函数经过搜索后，将调用 cancelToastLocked 函数取消掉 Toast 的显示:

void cancelToastLocked(int index) {
        ToastRecord record = mToastQueue.get(index);
            ....
            record.callback.hide();//远程调用hide，通知客户端隐藏窗口
            ....

        ToastRecord lastToast = mToastQueue.remove(index);
        mWindowManagerInternal.removeWindowToken(lastToast.token， true);
        //将给 Toast 生成的窗口 Token 从 WMS 服务中删除
        ...

cancelToastLocked 函数将做以下两件事:

1. 远程调用 ITransientNotification.hide 方法，通知客户端隐藏窗口
2. 将给 Toast 生成的窗口 Token 从 WMS 服务中删除

上面我们就从源码的角度分析了一个Toast的显示和隐藏，我们不妨再来捋一下思路，Toast 的显示和隐藏大致分成以下核心步骤:

1. Toast 调用 show 方法的时候 ，实际上是将自己纳入到 NotificationManager 的 Toast 管理中去，期间传递了一个本地的 TN 类型或者是 ITransientNotification.Stub 的 Binder 对象
2. NotificationManager 收到 Toast 的显示请求后，将生成一个 Binder 对象，将它作为一个窗口的 token 添加到 WMS 对象，并且类型是 TOAST
3. NotificationManager 将这个窗口 token 通过 ITransientNotification 的 show 方法传递给远程的 TN 对象，并且抛出一个超时监听消息 scheduleTimeoutLocked
4. TN 对象收到消息以后将往 Handler 对象中 post 显示消息，然后调用显示处理函数将 Toast 中的 View 添加到了 WMS 管理中， Toast 窗口显示
5. NotificationManager 的 WorkerHandler 收到 MESSAGE_TIMEOUT 消息， NotificationManager 远程调用进程隐藏 Toast 窗口，然后将窗口 token 从 WMS 中删除

3. 异常产生的原因

上面我们分析了 Toast 的显示和隐藏的源码流程，那么为什么会出现显示异常呢？我们先来看下这个异常是什么呢？

Unable to add window -- token android.os.BinderProxy@7f652b2 is not valid; is your activity running?
    android.view.ViewRootImpl.setView(ViewRootImpl.java:)
    android.view.WindowManagerGlobal.addView(WindowManagerGlobal.java:)

首先，这个异常发生在 Toast 显示的时候，原因是因为 token 失效。那么 token 为什么会失效呢？我们来看下下面的图:

通常情况下，按照正常的流程，是不会出现这种异常。但是由于在某些情况下， Android 进程某个 UI 线程的某个消息阻塞。导致 TN 的 show 方法 post 出来 0 (显示) 消息位于该消息之后，迟迟没有执行。这时候，NotificationManager 的超时检测结束，删除了 WMS 服务中的 token 记录。也就是如图所示，删除 token 发生在 Android 进程 show 方法之前。这就导致了我们上面的异常。我们来写一段代码测试一下:

public void click(View view) {
        Toast.makeText(this，"test"，Toast.LENGTH_SHORT).show();
        try {
            Thread.sleep();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
}

我们先调用 Toast.show 方法，然后在该 ui 线程消息中 sleep 10秒。当进程异常退出后我们截取他们的日志可以得到:

- ::30.086   E AndroidRuntime: android.view.WindowManager$BadTokenException: Unable to add window -- token android.os.BinderProxy@2e5da2c is not valid; is your activity running?
- ::30.086   E AndroidRuntime:     at android.view.ViewRootImpl.setView(ViewRootImpl.java:)
- ::30.086   E AndroidRuntime:     at android.view.WindowManagerGlobal.addView(WindowManagerGlobal.java:)
- ::30.086   E AndroidRuntime:     at android.view.WindowManagerImpl.addView(WindowManagerImpl.java:)
- ::30.086   E AndroidRuntime:     at android.widget.Toast$TN.handleShow(Toast.java:)
- ::30.086   E AndroidRuntime:     at android.widget.Toast$TN$.handleMessage(Toast.java:)

果然如我们所料，我们复现了这个问题的堆栈。那么或许你会有下面几个疑问:

在 Toast.show 方法外增加 try-catch 有用么？

当然没用，按照我们的源码分析，异常是发生在我们的下一个 UI 线程消息中，因此我们在上一个 ui 线程消息中加入 try-catch 是没有意义的

为什么有些系统中没有这个异常，但是有时候 toast不显示?

我们上面分析的是7.0的代码，而在8.0的代码中，Toast 中的 handleShow发生了变化:

//code handleShow() android 8.0
                try {
                    mWM.addView(mView， mParams);
                    trySendAccessibilityEvent();
                } catch (WindowManager.BadTokenException e) {
                    /* ignore */
                }

在 8.0 的代码中，对 mWM.addView 进行了 try-catch 包装，因此并不会抛出异常，但由于执行失败，因此不会显示 Toast

有哪些原因引起的这个问题?

1. 引起这个问题的也不一定是卡顿，当你的 TN 抛出消息的时候，前面有大量的 UI 线程消息等待执行，而每个 UI 线程消息虽然并不卡顿，但是总和如果超过了 NotificationManager 的超时时间，还是会出现问题
2. UI 线程执行了一条非常耗时的操作，比如加载图片，大量浮点运算等等，比如我们上面用 sleep 模拟的就是这种情况
3. 在某些情况下，进程退后台或者息屏了，系统为了减少电量或者某种原因，分配给进程的 cpu 时间减少,导致进程内的指令并不能被及时执行，这样一样会导致进程看起来”卡顿”的现象

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