Android字體工作原理

本文簡單介紹了上層如何使用特定字體，android字體工作原理提出要求瀏覽器使用單獨的字體，並且不影響系統默認字體的使用。圖形小組在該需求的基礎上，又提出瞭如果一個ttf文件包含多個字庫，skia是否支持，如果不支持，實現難度多大。本文主要在這兩個方面展開。
1 問題分析
針對以上需求，主要從以下兩個方面展開：
(1).android是否提供設置特定字體的標準API供應用使用
(2).android字體工作原理
經過調研發現，android本身是支持應用程序設置特定字體，並且不影響其他應用程序的顯示。所以問題主要落在android字體工作原理上面，該問題由於android4.0之後工程不再附帶skia的源碼，使得的問題又多了一層，以下將詳細介紹。
2 Android設置特定字體API
設置特定字體，一般有如下步驟：
(1).創建字體
(2).設置字體
android.graphics.Typeface提供了3個API供應用程序創建特定字體：
  (1).Typeface createFromAsset(AssetManager mgr, String path);
  (2).Typeface createFromFile(File path);
  (3).Typeface createFromFile(String path);
  以及如下3個API來創建系統字體：
  (1).Typeface create(String familyName, int style);
  (2).Typeface create(Typeface family, int style);
  (3).Typeface defaultFromStyle(int style);
  系統字體放在/system/fonts目錄下，可以通過查看/system/etc/system_fonts.xml來了解系統當前支持的字體文件及其名字對應關係。

system_fonts.xml部分內容：

<familyset>
    <family>
        <nameset>
            <name>sans-serif</name>
            <name>arial</name>
            <name>helvetica</name>
            <name>tahoma</name>
            <name>verdana</name>
        </nameset>
        <fileset>
            <file>Roboto-Regular.ttf</file>
            <file>Roboto-Bold.ttf</file>
            <file>Roboto-Italic.ttf</file>
            <file>Roboto-BoldItalic.ttf</file>
        </fileset>
    </family>

    <family>
        <nameset>
            <name>sans-serif-light</name>
        </nameset>
        <fileset>
            <file>Roboto-Light.ttf</file>
            <file>Roboto-LightItalic.ttf</file>
        </fileset>
    </family>

    <family>
        <nameset>
            <name>sans-serif-thin</name>
        </nameset>
        <fileset>
            <file>Roboto-Thin.ttf</file>
            <file>Roboto-ThinItalic.ttf</file>
        </fileset>
    </family>
</familyset>

nameset代表該font family可以有的名字，fileset表示該font family所對應的ttf文件，由上至下分別代表正常、粗體、斜體、粗斜體所對應的ttf文件， android skia會根據這些來初始化相應的變量。

  創建完字體之後，則可以通過android.graphics.Paint的TypefacesetTypeface(Typeface typeface)；來設置。
  代碼示例：
  typeface =Typeface.createFromFile("/system/fonts/XXX.ttf");
  paint.setTypeface(typeface);

3 Android字體工作原理
3.1 Android skia源碼下載
  android 4.0上不再有skia源碼，可以前往如下地址下載源碼：http://code.google.com/p/skia/
  同時如下網址講解了如何在android上下載skia源碼並編譯，在此不再贅述。
  https://sites.google.com/site/skiadocs/user-documentation/quick-start-guides/android
3.2 Android系統字庫加載
  android字體由android2D圖形引擎skia實現，並在Zygote的Preloading classes中對系統字體進行load。
  相關涉及到：
  android的啓動過程
  frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java中的preloadClasses方法，對/framework/base/preloaded-classes文件裏面的類一一加載Class.forName("android.graphics.Typeface");Class.forName()會加載類到DVM（JVM），同時加載static代碼塊。

java中class.forName和classLoader都可用來對類進行加載。前者除了將類的.class文件加載到jvm中之外，還會對類進行解釋，執行類中的static塊。而classLoader只幹一件事情，就是將.class文件加載到jvm中，不會執行static中的內容,只有在newInstance纔會去執行static塊。Class.forName(name, initialize, loader)帶參函數也可控制是否加載static塊。並且只有調用了newInstance()方法採用調用構造函數，創建類的對象。

android.graphics.Typeface Static代碼：

static { 
    DEFAULT = create((String)null,0); 
    DEFAULT_BOLD = create((String)null, Typeface.BOLD); 
    SANS_SERIF = create("sans-serif", 0); 
    SERIF =create("serif", 0); 
    MONOSPACE = create("monospace", 0); 
    sDefaults = newTypeface[] { 
    DEFAULT, 
    DEFAULT_BOLD, 
    create((String)null, Typeface.ITALIC), 
    create((String)null, Typeface.BOLD_ITALIC), 
}; 
public static Typeface create(String familyName, int style) { 
    return newTypeface(nativeCreate(familyName, style)); 
}

nativeCreate()是jni方法，其實現在Typeface.cpp和skFontHost_android.cpp，其中後者是skia針對android平臺字體實現的port。以下是Typeface.cpp native方法的註冊。
由此可以知道，在JAVA層默認會創建sans-serif，serif，monospace三種字體，並且通過create第一個參數爲null，來創建默認字體的四種style：normal，bold，italic，bolditalic。
Typeface_create又進一步調用face = SkTypeface::CreateFromName(str.c_str(),style);來完成。

SkTypeface*SkTypeface::CreateFromName(const char name[], Style style) {
    return SkFontHost::CreateTypeface(NULL,name, style);
}

最終會調用到SkFontHost_android.cpp中的createTypeface。該函數做了兩件事：
(1),首先調用load_system_fonts()加載系統字庫，該函數會首先判斷相關的系統字庫變量沒有被初始化，沒有則加載，否則什麼都不做，load_system_fonts()加載的字庫是由/system/etc/system_fonts.xml來進行配置的。

(2),在當前的系統字庫裏面查找與所要求最接近的字體，並返回。

由此JAVA層與C層聯繫起來，而創建系統字庫，對與JAVA層來說也只是返回C層的一個ref。可以用圖2來表示android系統字庫加載過程：

Zygote preloadClasses() -> Class.forName("android.graphics.Typeface")–> 執行Typeface.javastatic塊 -> create創建默認字體 -> Typeface.cpp Typeface_create– >SkTypeface.cpp CreateFromName() -> SkFontHost.cpp load_system_fonts()加載系統字體。
3.3 SkFontHost_android.cpp重要結構體及方法
重要結構體介紹：

struct FontFamily {
    SkTDArray<constchar*>  fNames;
    SkTDArray<const char*> fFileNames;
    int order;
};

解析system_fonts.xml得到的結構體，fNames保存文件名稱信息，fFileNames保存相應的文件名。

struct FontInitRec {
    constchar*         fFileName;
    const char*const*  fNames;     // null-terminated list
};

FontFamily轉換後的結構體，同一個fontfamily第一個ttf文件保存所有的名稱，其餘的fNames爲NULL。

struct FamilyRec {
    FamilyRec*  fNext;
    SkTypeface* fFaces[4];
    FamilyRec()
    {
        fNext = gFamilyHead;
        memset(fFaces, 0,sizeof(fFaces));
        gFamilyHead = this;
    }
};

保存同一個font family的節點，每個font family分配了四個face，分別對應爲normal，bold，italic，bolditalic。

struct NameFamilyPair {
    const char* fName;      // we own this
    FamilyRec*  fFamily;   // we don't own this, we just reference it
    void construct(const charname[], FamilyRec* family) {
        fName = strdup(name);
        fFamily = family;   // we don't own this, so just record thereferene
    }
    void destruct() {
        free((char*)fName);
        // we don't own family, sojust ignore our reference
    }
};

  記錄name跟font family的對應關係。
  重要方法流程：
  SkFontHost::CreateTypeface(constSkTypeface* familyFace, constchar familyName[], SkTypeface::Style style)流程：
  (1) 調用init_system_fonts初始化系統字體
  (2)在當前全局列表中查找最接近的typeface並返回
  init_system_fonts流程：
  (1)調用load_font_info初始化相關變量
  (2)調用get_name_and_style獲取字體的屬性，name style
  (3)通過這些屬性創建FileTypeface，並把這些字體信息保存到全局列表中
  (4)將family 及 name信息添加進NameFamilyPairList中
  其中步驟2 3 4是循環執行，直到所有的信息都加入進去。
  load_font_info流程：
  (1)調用getFontFamilies(fontFamilies);解析/system/etc/system_fonts.xml、/system/etc/fallback_fonts.xml、/vendor/etc/fallback_fonts.xml文件，並把相應信息保存在fontFamilies。fallback_fonts.xml是當相應的字庫找不到時，會繼續找的字體，vendor一般爲第三方廠商提供。fontFamilies保存了ttf文件的文件名字及名稱。
  (2)將fontFamily結構轉換成FontInitRec結構，主要作用是：同一個fontfamily第一個出現的字體保存所有的名稱，後續字體的名稱均設置爲NULL，以標緻是同一個font family。
  (3)將轉換後的結果保存在gSystemFonts，並用gNumSystemFonts記錄當前系統字體個數。
  由此可知，通過名稱或者familyface來創建Typeface的API，一般用於系統字體的創建，因爲系統字體是一定會在列表中的，自定義字體則不一定會在列表中，主要看該字體之前是否被打開過，且沒有被刪除，而如果沒有在列表中，則會選一個跟所需要的字體比較接近的字體來返回。
  SkFontHost::CreateTypefaceFromFile(const char path[])流程：
  (1)調用SkMMAPStream函數將指定文件映射到內存空間，以進程共享讀的方式
  (2)調用SkFontHost::CreateTypefaceFromStream(stream);創建字體
  SkFontHost::CreateTypefaceFromStream(SkStream* stream)流程：
  (1)調用find_name_and_attributes獲取字體style
  (2)調用init_system_fonts初始化系統字體
  (3)調用StreamTypeface構造函數創建Typeface，並把信息保存到相應的鏈表中。
  這裏有一個疑問，本身SkMMAPStream是以進程共享的方式映射的，爲什麼在將相應信息保存到鏈表中的時候，不去查詢鏈表中是否已經存在該typeface，如果多次打開同一個文件，則會導致鏈表中同一typeface具有多個節點。
3.4同一個ttf包含多個fontfamily是否支持
  skia目前只提供了2.3.2中的5個API供應用程序調用，到skia的so庫中就統一成三個API，也就是上一節介紹的CreateTypeface、CreateTypefaceFromStream、CreateTypefaceFromFile，不管是哪個方法都首先會調用find_name_and_attributes獲取字體style及相關信息，之後再在這些信息的基礎上構建typeface相關變量，而find_name_and_attributes是通過FT_Open_Face(library, &args,0, &face)來構建font face，從而獲取font face的信息，注意第三個參數font_index是寫死爲0的，這也意味着skia在android上目前是不支持ttc文件及ttf文件裏包含多個style的用法的。這一點也可以在SkFontHost::GetFileName註釋中得到佐證（該API是通過fontId來獲取ttf文件名及該font在ttf裏面的Index）：如果要支持該功能，則需擴展相應的結構體，獲取ttf內部的總的face num，並保存相應的偏移信息。

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