WPF源代码分析系列一：剖析WPF模板机制的内部实现（一）

众所周知，在WPF框架中，Visual类是可以提供渲染（render）支持的最顶层的类，所有可视化元素（包括UIElement、FrameworkElment、Control等）都直接或间接继承自Visual类。一个WPF应用的用户界面上的所有可视化元素一起组成了一个可视化树（visual tree），任何一个显示在用户界面上的元素都在且必须在这个树中。通常一个可视化元素都是由众多可视化元素组合而成，一个控件的所有可视化元素一起又组成了一个局部的visual tree，当然这个局部的visual tree也是整体visual tree的一部分。一个可视化元素可能是由应用直接创建（要么通过Xaml，要么通过背后的代码），也可能是从模板间接生成。前者比较容易理解，这里我们主要讨论后者，即WPF的模板机制，方法是通过简单分析WPF的源代码。由于内容较多，为了便于阅读，将分成一系列共5篇文章来叙述。本文是这一系列的第一篇，主要讨论FrameworkTemplate类和FrameworkElement的模板应用框架。

一、从FrameworkTemplate到visual tree

我们知道尽管WPF中模板众多，但是它们的类型无外乎四个，这四个类的继承关系如下图所示：

可见开发中常用的三个模板类都以FrameworkTemplate为基类。问题是，除了继承关系，这些模板类的子类与基类还有什么关系？三个子类之间有什么关系？这些模板类在WPF模板机制中的各自角色是什么？WPF究竟是如何从模板生成visual tree的？

要回答这些问题，最佳途径是从分析模板基类FrameworkTemplate着手。

FrameworkTemplate是抽象类，其定义代码比较多，为了简明，这里就不贴完整代码了，我们只看比较关键的地方。首先，注意到这个类的注释只有一句话：A generic class that allow instantiation of a  tree of Framework[Content]Elements，意思是这个类是允许实例化一个Framework元素树（也即visual tree）的基类，其重要性不言而喻。浏览其代码会发现一个引人注意的方法ApplyTemplateContent()：

  //****************FrameworkTemplate******************
        //
        //  This method
        //  Creates the VisualTree
        //
        internal bool ApplyTemplateContent(
            UncommonField<HybridDictionary[]> templateDataField,
            FrameworkElement container)
        {
            ValidateTemplatedParent(container);

            bool visualsCreated = StyleHelper.ApplyTemplateContent(templateDataField, container,
                _templateRoot, _lastChildIndex,
                ChildIndexFromChildName, this);

            return visualsCreated;
        }

这是删除了打印调试信息后的代码，虽然简单到只有三个语句，但是这个方法的注释提示我们这里是从FrameworkTemplate生成VisualTree的总入口。

其中最重要的是第二句，它把具体应用模板内容的工作交给了辅助类StyleHelper.ApplyTemplateContent()方法。由于这个方法的代码较多，这里为了简洁就不贴了。简而言之，这个方法的流程有三个分支：1）如果一个FrameworkTemplate的_templateRoot字段（FrameworkElementFactory类型）不为空，则调用其_templateRoot.InstantiateTree()方法来生成visual tree；2）否则，如果这个FrameworkTemplate的HasXamlNodeContent属性为真，则调用其LoadContent()方法生成visual tree；3）如果二者均不满足，则最终调用其BuildVisualTree()来生成visual tree。这些方法都比较复杂，它们的主要工作是实例化给定模板以生成visual tree。因为我们只关心模板框架和模板应用的流程，所以不妨忽略这些细节。

由于FrameworkTemplate.ApplyTemplateContent()不是虚方面，因此其子类无法覆写。用代码工具我们可以看到，这个方法只在FrameworkElement.ApplyTemplate()里被调用了一次，这意味着这个方法是WPF可视化元素实现模板应用的唯一入口，其重要性无论如何强调都不为过，以后我们还会多次提到这个方法。其代码如下：

//***************FrameworkElement********************
        /// <summary>
        /// ApplyTemplate is called on every Measure
/// </summary>
        /// <remarks>
        /// Used by subclassers as a notification to delay fault-in their Visuals
        /// Used by application authors ensure an Elements Visual tree is completely built
        /// </remarks>
        /// <returns>Whether Visuals were added to the tree</returns>
        public bool ApplyTemplate()
        {
            // Notify the ContentPresenter/ItemsPresenter that we are about to generate the
            // template tree and allow them to choose the right template to be applied.
            OnPreApplyTemplate();

            bool visualsCreated = false;

            UncommonField<HybridDictionary[]>  dataField = StyleHelper.TemplateDataField;
            FrameworkTemplate template = TemplateInternal;

            // The Template may change in OnApplyTemplate so we'll retry in this case.
            // We dont want to get stuck in a loop doing this, so limit the number of
            // template changes before we bail out.
            int retryCount = 2;
            for (int i = 0; template != null && i < retryCount; i++)
            {
                // VisualTree application never clears existing trees. Trees
                // will be conditionally cleared on Template invalidation
                if (!HasTemplateGeneratedSubTree)
                {

                    // Create a VisualTree using the given template
                    visualsCreated = template.ApplyTemplateContent(dataField, this);
                    if (visualsCreated)
                    {
                        // This VisualTree was created via a Template
                        HasTemplateGeneratedSubTree =  true;

                        // We may have had trigger actions that had to wait until the
                        //  template subtree has been created.  Invoke them now.
                        StyleHelper.InvokeDeferredActions(this, template);

                        // Notify sub-classes when the template tree has been created
                        OnApplyTemplate();
                    }

                    if (template != TemplateInternal)
                    {
                        template = TemplateInternal;
                        continue;
                    }
                }

                break;
            }

            OnPostApplyTemplate();

            return visualsCreated;
        }

方法的注释表明FrameworkElement和其子类在每次measure时都会调用这个方法，而我们知道measure和arrange是UIElement进行布局的两个重要步骤。这个方法的代码并不复杂，它先是调用虚方法OnPreApplyTemplate()；然后如果TemplateInternal非空，则调用其ApplyTemplateContent()方法生成相应的visual tree，并调用虚方法OnApplyTemplate()（这个虚方法在开发自定义控件时经常需要重写，此时visual tree已经生成并可以访问了）；最后调用虚方法OnPostApplyTemplate()。

注意上面代码有一个语句：

　　FrameworkTemplate template = TemplateInternal;

这说明FrameworkElement实际是根据其属性TemplateInternal的值来生成visual tree的。那么这个TemplateInternal又是从哪里来的呢？事实上，这个属性与另一个属性TemplateCache是有密切关系的，二者都是FrameworkTemplate类型，它们的定义如下：

//***************FrameworkElement********************

        // Internal helper so the FrameworkElement could see the
        // ControlTemplate/DataTemplate set on the
        // Control/Page/PageFunction/ContentPresenter
        internal virtual FrameworkTemplate TemplateInternal
        {
            get { return null; }
        }

        // Internal helper so the FrameworkElement could see the
        // ControlTemplate/DataTemplate set on the
        // Control/Page/PageFunction/ContentPresenter
        internal virtual FrameworkTemplate TemplateCache
        {
            get { return null; }
            set {}
        }

可以看到二者的注释几乎都完全相同，也都是虚属性，FrameworkElement的子类可以通过覆写它们来实现多态性，提供自定义的模板。另外，利用工具我们可以看到只有4个子类重写了TemplateInternal属性：Control、ContentPresenter、ItemsPresenter、Page，这意味着只有这4个类及其子类调用ApplyTemplate()才有意义。

现在问题是：FrameworkElement的子类具体是如何通过覆写虚属性TemplateInternal来自定义模板的？FrameworkTemplate的三个子类的变量有哪些？它们在这个过程中的角色又有何不同？

为了便于理解，下面我们将按照三个模板子类，分成四篇文章来讨论（由于DataTemplate的内容较多，被分成了两篇文章）。

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