Android Q 深色模式（Dark Mode）源碼解析

1. 簡介

隨着 Android Q 發佈，「黑暗模式」或者說是「夜間模式」終於在此版本中得到了支持，官方介紹見：https://developer.android.com/guide/topics/ui/look-and-feel/darktheme，再看看效果圖：

其實這個功能魅族在兩年前就已支持，不得不說 Android 有點落後了，今天我們就來看看原生是怎麼實現全局夜間模的吧

2. 打開與關閉

從文檔上我們可以可知，打開夜間模式有三個方法：

• 設置 -> 顯示 -> 深色主題背景
• 下拉通知欄中開啓
• Pixel 手機開啓省點模式時會自動激活夜間模式

3. 如何適配

打開後，我們會發現，除原生幾個應用生效外，其他應用依然沒有變成深色主題，那麼應用該如何適配呢？官方提供了下面兩種方法：

3.1. 讓應用主題繼承 DayNight 主題

<style name="AppTheme" parent="Theme.AppCompat.DayNight">

或者繼承自

<style name="AppTheme" parent="Theme.MaterialComponents.DayNight">

繼承後，如果當前開啓了夜間模式，系統會自動從 night-qualified 中加載資源，所以應用的顏色、圖標等資源應儘量避免硬編碼，而是推薦使用新增 attributes 指向不同的資源，如

?android:attr/textColorPrimary
?attr/colorControlNormal

另外，如果應用希望主動切換夜間/日間模式，可以通過 AppCompatDelegate.setDefaultNightMode() 接口主動切換

3.2. 通過 forceDarkAllowed 啓用

如果應用不想自己去適配各種顏色，圖標等，可以通過在主題中添加 android:forceDarkAllowed="true" 標記，這樣系統在夜間模式時，會強制改變應用顏色，自動進行適配（這個功能也是本文主要探討的）。不過如果你的應用本身使用的就是 DayNight 或 Dark Theme，forceDarkAllowed 是不會生效的。

另外，如果你不希望某個 view 被強制夜間模式處理，則可以給 view 添加 android:forceDarkAllowed="false" 或者 view.setForceDarkAllowed(false)，設置之後，即使打開了夜間模式且主題添加了 forceDarkAllowed，該 view 也不會變深色。比較重要的一點是，這個接口只能關閉夜間模式，不能開啓夜間模式，也就是說，如果主題中沒有顯示聲明 forceDarkAllowed，view.setForceDarkAllowed(true) 是沒辦法讓 view 單獨變深色的。如果 view 關閉了夜間模式，那麼它的子 view 也會強制關閉夜間模式

總結如下：

• 主題若添加 forceDarkAllowed=false，無論 view 是否開啓 forceDarkAllowed 都不會打開夜間模式
• 主題若添加 forceDarkAllowed=true，view 可以通過 forceDarkAllowed 關閉夜間模式，一旦關閉，子 view 的夜間模式也會被關閉
• 如果父 view 或主題設置了 forceDarkAllowed=false，子 view 無法通過 forceDarkAllowed=true 單獨打開夜間模式爲
• 若使用的是 DayNight 或 Dark Theme 主題，則所有 forceDarkAllowed 都不生效

4. 實現原理

通過繼承主題適配夜間模式的原理本質是根據 ui mode 加載 night-qualified 下是資源，這個並非 Android Q 新增的東西，我們這裏不再描述。現在主要來看看 forceDarkAllowed 是如何讓系統變深色的。

既然一切的源頭都是 android:forceDarkAllowed 這個屬性，那我們就從它入手吧，首先我們要知道，上面我們說的 android:forceDarkAllowed 其實是分爲兩個用處，它們分別的定義如下：

frameworks/base/core/res/res/values/attrs.xml

<declare-styleable name="View">
        <!-- <p>Whether or not the force dark feature is allowed to be applied to this View.
            <p>Setting this to false will disable the auto-dark feature on this View draws
            including any descendants.
            <p>Setting this to true will allow this view to be automatically made dark, however
            a value of 'true' will not override any 'false' value in its parent chain nor will
            it prevent any 'false' in any of its children. -->
    <attr name="forceDarkAllowed" format="boolean" />
</declare-styleable>

 <declare-styleable name="Theme">
        <!-- <p>Whether or not the force dark feature is allowed to be applied to this theme.
             <p>Setting this to false will disable the auto-dark feature on everything this
             theme is applied to along with anything drawn by any children of views using
             this theme.
             <p>Setting this to true will allow this view to be automatically made dark, however
             a value of 'true' will not override any 'false' value in its parent chain nor will
             it prevent any 'false' in any of its children. -->
        <attr name="forceDarkAllowed" format="boolean" />
    </declare-styleable>

一個是 View 級別的，一個是 Theme 級別的。

4.1. Theme 級別 forceDarkAllowed

從上面的總結來看，Theme 級別的開關優先級是最高的，控制粒度也最大，我們看看源碼裏面使用它的地方

    // frameworks/base/core/java/android/view/ViewRootImpl.java
    private void updateForceDarkMode() {
        // 渲染線程爲空，直接返回
        if (mAttachInfo.mThreadedRenderer == null) return;

        // 系統是否打開了黑暗模式
        boolean useAutoDark = getNightMode() == Configuration.UI_MODE_NIGHT_YES;

        if (useAutoDark) {
            // forceDarkAllowed 默認值，開發者模式是否打開了強制 smart dark 選項
            boolean forceDarkAllowedDefault =
                    SystemProperties.getBoolean(ThreadedRenderer.DEBUG_FORCE_DARK, false);
            TypedArray a = mContext.obtainStyledAttributes(R.styleable.Theme);
            // useAutoDark = 使用淺色主題 && 主題中聲明的 forceDarkAllowed 值
            useAutoDark = a.getBoolean(R.styleable.Theme_isLightTheme, true)
                    && a.getBoolean(R.styleable.Theme_forceDarkAllowed, forceDarkAllowedDefault);
            a.recycle();
        }

        // 關鍵代碼，設置是否強制夜間模式
        if (mAttachInfo.mThreadedRenderer.setForceDark(useAutoDark)) {
            // TODO: Don't require regenerating all display lists to apply this setting
            invalidateWorld(mView);
        }
    }

    // frameworks/base/graphics/java/android/graphics/HardwareRenderer.java
    public boolean setForceDark(boolean enable) {
        if (mForceDark != enable) {
            mForceDark = enable;
            // native 代碼，mNativeProxy 其實是  RenderThread 代理類的指針
            nSetForceDark(mNativeProxy, enable);
            return true;
        }
        return false;
    }

這段代碼還是比較簡單，判斷系統：

• 是否打開了夜間模式
• 是否使用淺色主題
• Theme_forceDarkAllowed 是否爲 true

三者同時爲 true 時纔會設置夜間模式，而 updateForceDarkMode 調用的時機分別是在 ViewRootImpl#setView 和 ViewRootImpl#updateConfiguration，也就是初始化和夜間模式切換的時候都會調用，確保夜間模式能及時啓用和關閉。繼續跟蹤 HardwareRenderer#setForceDark 發現，這是一個 native 方法，所以接下來讓我們進入 native 世界，nSetForceDark 對應的實現位於

// frameworks/base/core/jni/android_view_ThreadedRenderer.cpp
static void android_view_ThreadedRenderer_setForceDark(JNIEnv* env, jobject clazz,
        jlong proxyPtr, jboolean enable) {
    RenderProxy* proxy = reinterpret_cast<RenderProxy*>(proxyPtr);
    proxy->setForceDark(enable);
}

// frameworks/base/libs/hwui/renderthread/RenderProxy.cpp
void RenderProxy::setForceDark(bool enable) {
    mRenderThread.queue().post([this, enable]() { mContext->setForceDark(enable); });
}

// frameworks/base/libs/hwui/renderthread/CanvasContext.h
class CanvasContext : public IFrameCallback {
public:
  
    ...
    
    void setForceDark(bool enable) { mUseForceDark = enable; }

    bool useForceDark() {
        return mUseForceDark;
    }

    ...

private:
   
    ...
    // 默認關閉強制夜間模式
    bool mUseForceDark = false;
   
    ...
};

最終就是設置了一個 CanvasContext 的變量值而已，什麼都還沒有做，那麼這個變量值的作用是什麼，什麼時候生效呢？我們進一步查看使用的地方：

// frameworks/base/libs/hwui/TreeInfo.cpp
TreeInfo::TreeInfo(TraversalMode mode, renderthread::CanvasContext& canvasContext)
        : mode(mode)
        , prepareTextures(mode == MODE_FULL)
        , canvasContext(canvasContext)
        , damageGenerationId(canvasContext.getFrameNumber())
        // 初始化 TreeInfo 的 disableForceDark 變量，注意變量值意義的變化，0 代表打開夜間模式，>0 代表關閉夜間模式
        , disableForceDark(canvasContext.useForceDark() ? 0 : 1)
        , screenSize(canvasContext.getNextFrameSize()) {}

}

進一步看看 disableForceDark 使用的地方

// frameworks/base/libs/hwui/RenderNode.cpp
/**
 * 這個可以說是核心方法了，handleForceDark 方法調用棧如下：
 * - RenderNode#prepareTreeImpl
 * - RenderNode#pushStagingDisplayListChanges
 * - RenderNode#syncDisplayList
 * - RenderNode#handleForceDark
 * 
 * 而 RenderNode#prepareTree 是繪製的必經之路，每一個節點都會走一遍這個流程
 */
void RenderNode::handleForceDark(android::uirenderer::TreeInfo *info) {
    // 若沒打開強制夜間模式，直接退出
    if (CC_LIKELY(!info || info->disableForceDark)) {
        return;
    }

    // 根據是否有文字、是否有子節點、子節點數量等情況，得出當前 Node 屬於 Foreground 還是 Background
    auto usage = usageHint();
    const auto& children = mDisplayList->mChildNodes;
    if (mDisplayList->hasText()) {
        usage = UsageHint::Foreground;
    }
    if (usage == UsageHint::Unknown) {
        if (children.size() > 1) {
            usage = UsageHint::Background;
        } else if (children.size() == 1 &&
                children.front().getRenderNode()->usageHint() !=
                        UsageHint::Background) {
            usage = UsageHint::Background;
        }
    }
    if (children.size() > 1) {
        // Crude overlap check
        SkRect drawn = SkRect::MakeEmpty();
        for (auto iter = children.rbegin(); iter != children.rend(); ++iter) {
            const auto& child = iter->getRenderNode();
            // We use stagingProperties here because we haven't yet sync'd the children
            SkRect bounds = SkRect::MakeXYWH(child->stagingProperties().getX(), child->stagingProperties().getY(),
                    child->stagingProperties().getWidth(), child->stagingProperties().getHeight());
            if (bounds.contains(drawn)) {
                // This contains everything drawn after it, so make it a background
                child->setUsageHint(UsageHint::Background);
            }
            drawn.join(bounds);
        }
    }

    // 根據 UsageHint 設置變色策略：Dark（壓暗）、Light（提亮）
    mDisplayList->mDisplayList.applyColorTransform(
            usage == UsageHint::Background ? ColorTransform::Dark : ColorTransform::Light);
}

// frameworks/base/libs/hwui/RecordingCanvas.cpp
void DisplayListData::applyColorTransform(ColorTransform transform) {
    // transform: Dark 或 Light
    // color_transform_fns 是一個對應所有繪製指令的函數指針數組，主要是對 op 的 paint 變色或對 bitmap 添加 colorfilter
    this->map(color_transform_fns, transform);
}

template <typename Fn, typename... Args>
inline void DisplayListData::map(const Fn fns[], Args... args) const {
    auto end = fBytes.get() + fUsed;
    // 遍歷當前的繪製的 op
    for (const uint8_t* ptr = fBytes.get(); ptr < end;) {
        auto op = (const Op*)ptr;
        auto type = op->type;
        auto skip = op->skip;
        // 根據 type 找到對應的 fn，根據調用關係，我們知道 fns 數組對應 color_transform_fns，這個數組其實是一個函數指針數組，下面看看定義
        if (auto fn = fns[type]) {  // We replace no-op functions with nullptrs
            // 執行 
            fn(op, args...);        // to avoid the overhead of a pointless call.
        }
        ptr += skip;
    }
}

#define X(T) colorTransformForOp<T>(),
static const color_transform_fn color_transform_fns[] = {
        X(Flush)
        X(Save)
        X(Restore)
        X(SaveLayer)
        X(SaveBehind)
        X(Concat)
        X(SetMatrix)
        X(Translate)
        X(ClipPath)
        X(ClipRect)
        X(ClipRRect)
        X(ClipRegion)
        X(DrawPaint)
        X(DrawBehind)
        X(DrawPath)
        X(DrawRect)
        X(DrawRegion)
        X(DrawOval)
        X(DrawArc)
        X(DrawRRect)
        X(DrawDRRect)
        X(DrawAnnotation)
        X(DrawDrawable)
        X(DrawPicture)
        X(DrawImage)
        X(DrawImageNine)
        X(DrawImageRect)
        X(DrawImageLattice)
        X(DrawTextBlob)
        X(DrawPatch)
        X(DrawPoints)
        X(DrawVertices)
        X(DrawAtlas)
        X(DrawShadowRec)
        X(DrawVectorDrawable)
};
#undef X

color_transform_fn 宏定義展開

template <class T>
constexpr color_transform_fn colorTransformForOp() {
    if
        // op 變量中是否同時包含 paint 及 palette 屬性，若同時包含，則是繪製 Image 或者 VectorDrawable 的指令
        // 參考：frameworks/base/libs/hwui/RecordingCanvas.cpp 中各 Op 的定義
        constexpr(has_paint<T> && has_palette<T>) {
        
            return [](const void* opRaw, ColorTransform transform) {
                const T* op = reinterpret_cast<const T*>(opRaw);
                // 關鍵變色方法，根據 palette 疊加 colorfilter
                transformPaint(transform, const_cast<SkPaint*>(&(op->paint)), op->palette);
            };
        }
    else if
        // op 變量中是否包含 paint 屬性，普通繪製指令
        constexpr(has_paint<T>) {
            return [](const void* opRaw, ColorTransform transform) {
                const T* op = reinterpret_cast<const T*>(opRaw);
                // 關鍵變色方法，對 paint 顏色進行變換
                transformPaint(transform, const_cast<SkPaint*>(&(op->paint)));
            };
        }
    else {
        // op 變量不包含 paint 屬性，返回空
        return nullptr;
    }
}

static const color_transform_fn color_transform_fns[] = {
        // 根據 Flush、Save、DrawImage等不同繪製 op，返回不同的函數指針
        colorTransformForOp<Flush>
        ...
};

讓我們再一次看看 map 方法

template <typename Fn, typename... Args>
inline void DisplayListData::map(const Fn fns[], Args... args) const {
    auto end = fBytes.get() + fUsed;
    for (const uint8_t* ptr = fBytes.get(); ptr < end;) {
        auto op = (const Op*)ptr;
        auto type = op->type;
        auto skip = op->skip;
        if (auto fn = fns[type]) {  // We replace no-op functions with nullptrs
            // 對 op 的 paint 進行顏色變換或疊加 colorfilter
            fn(op, args...);        // to avoid the overhead of a pointless call.
        }
        ptr += skip;
    }
}

貼了一大段代碼，雖然代碼中已經包含了註釋，但還是可能比較暈，我們先來整理下：

• CanvasContext.mUseForceDark 只會影響 TreeInfo.disableForceDark 的初始化
• TreeInfo.disableForceDark 若大於 0，RenderNode 在執行 handleForceDark 就會直接退出
• handleForceDark 方法裏會根據 UsageHint 類型，對所有 op 中的 paint 顏色進行變換，如果是繪製圖片，則疊加一個反轉的 colorfilter。變換策略有：Dark、Light

接下來讓我們來看 paint 和 colorfilter 的變色實現

bool transformPaint(ColorTransform transform, SkPaint* paint) {
    applyColorTransform(transform, *paint);
    return true;
}

static void applyColorTransform(ColorTransform transform, SkPaint& paint) {
    if (transform == ColorTransform::None) return;

    // 對畫筆顏色進行顏色變換
    SkColor newColor = transformColor(transform, paint.getColor());
    paint.setColor(newColor);

    if (paint.getShader()) {
        SkShader::GradientInfo info;
        std::array<SkColor, 10> _colorStorage;
        std::array<SkScalar, _colorStorage.size()> _offsetStorage;
        info.fColorCount = _colorStorage.size();
        info.fColors = _colorStorage.data();
        info.fColorOffsets = _offsetStorage.data();
        SkShader::GradientType type = paint.getShader()->asAGradient(&info);

        if (info.fColorCount <= 10) {
            switch (type) {
                case SkShader::kLinear_GradientType:
                    for (int i = 0; i < info.fColorCount; i++) {
                        // 對 shader 中的顏色進行顏色變換
                        info.fColors[i] = transformColor(transform, info.fColors[i]);
                    }
                    paint.setShader(SkGradientShader::MakeLinear(info.fPoint, info.fColors,
                                                                 info.fColorOffsets, info.fColorCount,
                                                                 info.fTileMode, info.fGradientFlags, nullptr));
                    break;
                default:break;
            }

        }
    }

    if (paint.getColorFilter()) {
        SkBlendMode mode;
        SkColor color;
        // TODO: LRU this or something to avoid spamming new color mode filters
        if (paint.getColorFilter()->asColorMode(&color, &mode)) {
            // 對 colorfilter 中的顏色進行顏色變換
            color = transformColor(transform, color);
            paint.setColorFilter(SkColorFilter::MakeModeFilter(color, mode));
        }
    }
}

邏輯很簡單，就是對顏色進行變換，進一步看看變色邏輯：

// 提亮顏色
static SkColor makeLight(SkColor color) {
    // 轉換成 Lab 模式
    Lab lab = sRGBToLab(color);
    // 對明度進行反轉，明度越高，反轉後越低
    float invertedL = std::min(110 - lab.L, 100.0f);
    if (invertedL > lab.L) {
        // 反轉後的明度高於原明度，則使用反轉後的明度
        lab.L = invertedL;
        return LabToSRGB(lab, SkColorGetA(color));
    } else {
        return color;
    }
}

// 壓暗顏色
static SkColor makeDark(SkColor color) {
    // 轉換成 Lab 模式
    Lab lab = sRGBToLab(color);
    // 對明度進行反轉，明度越高，反轉後越低
    float invertedL = std::min(110 - lab.L, 100.0f);
    if (invertedL < lab.L) {
        // 反轉後的明度低於原明度，則使用反轉後的明度
        lab.L = invertedL;
        // 使用 rgb 格式返回
        return LabToSRGB(lab, SkColorGetA(color));
    } else {
        // 直接返回原顏色
        return color;
    }
}

static SkColor transformColor(ColorTransform transform, SkColor color) {
    switch (transform) {
        case ColorTransform::Light:
            return makeLight(color);
        case ColorTransform::Dark:
            return makeDark(color);
        default:
            return color;
    }
}

到此，對 paint 的變換結束，看來無非就是反轉明度。

再來看看對圖片的變換：

bool transformPaint(ColorTransform transform, SkPaint* paint, BitmapPalette palette) {
    // 根據 palette 和 colorfilter 判斷圖片是亮還是暗的
    palette = filterPalette(paint, palette);
    bool shouldInvert = false;
    if (palette == BitmapPalette::Light && transform == ColorTransform::Dark) {
        // 圖片本身是亮的，但是要求變暗，反轉
        shouldInvert = true;
    }
    if (palette == BitmapPalette::Dark && transform == ColorTransform::Light) {
        // 圖片本身是暗的，但是要求變亮，反轉
        shouldInvert = true;
    }
    if (shouldInvert) {
        SkHighContrastConfig config;
        config.fInvertStyle = SkHighContrastConfig::InvertStyle::kInvertLightness;
        // 疊加一個亮度反轉的 colorfilter
        paint->setColorFilter(SkHighContrastFilter::Make(config)->makeComposed(paint->refColorFilter()));
    }
    return shouldInvert;
}

終於，bitmap 的變換也分析完了，呼~

4.2. View 級別 forceDarkAllowed

但是，還沒完呢~~~還記得我們最開始說的，除了 Theme 級別，還有一個 View 級別的 forceDarkAllowed，通過 View 級別 forceDarkAllowed 可以關掉它及它的子 view 的夜間模式開關。依然從 java 層看下去哈

// rameworks/base/core/java/android/view/View.java
public class View implements Drawable.Callback, KeyEvent.Callback,
        AccessibilityEventSource {

    public View(Context context, @Nullable AttributeSet attrs, int defStyleAttr, int defStyleRes) {
        final TypedArray a = context.obtainStyledAttributes(
                attrs, com.android.internal.R.styleable.View, defStyleAttr, defStyleRes);
        final int N = a.getIndexCount();
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            int attr = a.getIndex(i);
            switch (attr) {
                case R.styleable.View_forceDarkAllowed:
                    // 注意，這個默認是 true 的
                    mRenderNode.setForceDarkAllowed(a.getBoolean(attr, true));
                    break;
            }
        }
    }
}

// frameworks/base/graphics/java/android/graphics/RenderNode.java
public final class RenderNode {
    public boolean setForceDarkAllowed(boolean allow) {
        // 又是 native 方法
        return nSetAllowForceDark(mNativeRenderNode, allow);
    }
}

// frameworks/base/core/jni/android_view_RenderNode.cpp
static jboolean android_view_RenderNode_setAllowForceDark(jlong renderNodePtr, jboolean allow) {
    return SET_AND_DIRTY(setAllowForceDark, allow, RenderNode::GENERIC);
}

// frameworks/base/libs/hwui/RenderProperties.h
class ANDROID_API RenderProperties {
public:
    bool setAllowForceDark(bool allow) {
        // 設置到 mPrimitiveFields.mAllowForceDark 變量中
        return RP_SET(mPrimitiveFields.mAllowForceDark, allow);
    }

    bool getAllowForceDark() const {
        return mPrimitiveFields.mAllowForceDark;
    }
}  

和 Theme 級別的一樣，僅僅只是設置到變量中而已，關鍵是要看哪裏使用這個變量，經過查找，我們發現，它的使用同樣在 RenderNode 的 prepareTreeImpl 中：

void RenderNode::prepareTreeImpl(TreeObserver& observer, TreeInfo& info, bool functorsNeedLayer) {

     ...
    // 1. 如果 view 關閉了夜間模式，會在這裏讓 info.disableForceDark 加 1
    // 2. info.disableForceDark 正是 handleForceDark 中關鍵變量，還記得嗎？
    // 3. nfo.disableForceDark 大於 0 會讓此 RenderNode 跳過夜間模式處理
    // 4. 如果 info.disableForceDark 本身已經大於 0 了，view.setForceDarkAllowed(true) 也毫無意義
    if (!mProperties.getAllowForceDark()) {
        info.disableForceDark++;
    }

    prepareLayer(info, animatorDirtyMask);
    if (info.mode == TreeInfo::MODE_FULL) {
        // 這裏面會調用 handleForceDark 方法處理夜間模式
        pushStagingDisplayListChanges(observer, info);
    }

    if (mDisplayList) {
        info.out.hasFunctors |= mDisplayList->hasFunctor();
        // 遞歸調用子 Node 的 prepareTreeImpl 方法
        bool isDirty = mDisplayList->prepareListAndChildren(
                observer, info, childFunctorsNeedLayer,
                [](RenderNode* child, TreeObserver& observer, TreeInfo& info,
                   bool functorsNeedLayer) {
                    child->prepareTreeImpl(observer, info, functorsNeedLayer);
                });
        if (isDirty) {
            damageSelf(info);
        }
    }

    ...
    // 重要，把 info.disableForceDark 恢復回原來的值，不讓它影響 Tree 中同級的其他 RenderNode
    // 但是本 RenderNode 的子節點還是會受影響的，這就是爲什麼父 view 關閉了夜間模式，子 view 也會受影響的原因
    // 因爲還原 info.disableForceDark 操作是在遍歷子節點之後執行的
    if (!mProperties.getAllowForceDark()) {
        info.disableForceDark--;
    }
    ...
}

5. 總結

本文到目前爲止，總算把 Android Q 夜間模式實現原理梳理了一遍，總的來說實現不算複雜，說白了就是把 paint 中的顏色轉換一下或者疊加一個 colorfilter，雖然中間還有關聯知識沒有細說，如 RenderThread、DisplayList、RenderNode 等圖形相關的概念，限於文章大小，請讀者自行了解

另外，由於水平有限，難免文中有錯漏之處，若哪裏寫的不對，請大家及時指出，蟹蟹啦~