Android 多返回栈技术详解

用户通过系统返回按钮导航回去的一组页面，在开发中被称为返回栈 (back stack)。多返回栈即一堆 "返回栈"，对多返回栈的支持是在 Navigation 2.4.0-alpha01 和 Fragment 1.4.0-alpha01 中开始的。本文将为您展开多返回栈的技术详解。

• Navigation 2.4.0-alpha01
  https://developer.android.google.cn/jetpack/androidx/releases/navigation#2.4.0-alpha01

• Fragment 1.4.0-alpha01
  https://developer.android.google.cn/jetpack/androidx/releases/fragment#1.4.0-alpha01

系统返回按钮的乐趣

无论您在使用 Android 全新的手势导航还是传统的导航栏，用户的 "返回" 操作是 Android 用户体验中关键的一环，把握好返回功能的设计可以使应用更加贴近整个生态系统。

在最简单的应用场景中，系统返回按钮仅仅 finish 您的 Activity。在过去您可能需要覆写 Activity 的 onBackPressed() 方法来自定义返回操作，而在 2021 年您无需再这样操作。我们已经在 OnBackPressedDispatcher 中提供了针对自定义返回导航的 API。实际上这与 FragmentManager 和 NavController 中已经添加的 API 相同。

• OnBackPressedDispatcher
  https://developer.android.google.cn/reference/androidx/activity/OnBackPressedDispatcher

• 针对自定义返回导航的 API
  https://developer.android.google.cn/guide/navigation/navigation-custom-back

• FragmentManager
  https://developer.android.google.cn/reference/androidx/fragment/app/FragmentManager

• NavController
  https://developer.android.google.cn/reference/kotlin/androidx/navigation/NavController

这意味着当您使用 Fragments 或 Navigation 时，它们会通过 OnBackPressedDispatcher 来确保您调用了它们返回栈的 API，系统的返回按钮会将您推入返回栈的页面逐层返回。

多返回栈不会改变这个基本逻辑。系统的返回按钮仍然是一个单向指令 —— "返回"。这对多返回栈 API 的实现机制有深远影响。

Fragment 中的多返回栈

在 surface 层级，对于多返回栈的支持貌似很直接，但其实需要额外解释一下 "Fragment 返回栈" 到底是什么。FragmentManager 的返回栈其实包含的不是 Fragment，而是由 Fragment 事务组成的。更准确地说，是由那些调用了 addToBackStack(String name) API 的事务组成的。

• 多返回栈的支持
  https://developer.android.google.cn/guide/fragments/fragmentmanager#multiple-back-stacks
• addToBackStack(String name)
  https://developer.android.google.cn/reference/androidx/fragment/app/FragmentTransaction#addToBackStack(java.lang.String)

这就意味着当您调用 commit() 提交了一个调用过 addToBackStack() 方法的 Fragment 事务时，FragmentManager 会执行所有您在事务中所指定的操作 (比如替换操作)，从而将每个 Fragment 转换为预期的状态。然后 FragmentManager 会将该事务作为它返回栈的一部分。

当您调用 popBackStack() 方法时 (无论是直接调用，还是通过系统返回键以 FragmentManager 内部机制调用)，Fragment 返回栈的最上层事务会从栈中弹出 -- 比如新添加的 Fragment 会被移除，隐藏的 Fragment 会显示。这会使得 FragmentManager 恢复到最初提交 Fragment 事务之前的状态。

作者注: 这里有一个非常重要的事情需要大家注意，在同一个 FragmentManager 中绝对不应该将含有 addToBackStack() 的事务和不含的事务混在一起: 返回栈的事务无法察觉返回栈之外的 Fragment 事务的修改 —— 当您从堆栈弹出一个非常不确定的元素时，这些事务从下层替换出来的时候会撤销之前未添加到返回栈的修改。

也就是说 popBackStack() 变成了销毁操作: 任何已添加的 Fragment 在事务被弹出的时候都会丢失它的状态。换言之，您会失去视图的状态，任何所保存的实例状态 (Saved Instance State)，并且任何绑定到该 Fragment 的 ViewModel 实例都会被清除。这也是该 API 和新的 saveBackStack() 方法之间的主要区别。saveBackStack() 可以实现弹出事务所实现的返回效果，此外它还可以确保视图状态、已保存的实例状态，以及 ViewModel 实例能够在销毁时被保存。这使得 restoreBackStack() API 后续可以通过已保存的状态重建这些事务和它们的 Fragment，并且高效 "重现" 已保存的全部细节。太神奇了！

而实现这个目的必须要解决大量技术上的问题。

排除 Fragment 在技术上的障碍

虽然 Fragment 总是会保存 Fragment 的视图状态，但是 Fragment 的 onSaveInstanceState() 方法只有在 Activity 的 onSaveInstanceState() 被调用时才会被调用。为了能够保证调用 saveBackStack() 时 SavedInstanceState 会被保存，我们还需要在 Fragment 生命周期切换的正确时机注入对 onSaveInstanceState() 的调用。我们不能调用得太早 (您的 Fragment 不应该在 STARTED 状态下保存状态)，也不能调用得太晚 (您需要在 Fragment 被销毁之前保存状态)。

• Fragment 的视图状态
  https://developer.android.google.cn/guide/fragments/saving-state#view
• Fragment 生命周期切换
  https://developer.android.google.cn/guide/fragments/lifecycle#states

这样的前提条件就开启了需要解决 FragmentManager 转换到对应状态的问题，以此来保障有一个地方能够将 Fragment 转换为所需状态，并且处理可重入行为和 Fragment 内部的状态转换。

• 解决 FragmentManager 转换到对应状态的问题
  https://issuetracker.google.com/139536619

在 Fragment 的重构工作进行了 6 个月，进行了 35 次修改时，发现 Postponed Fragment 功能已经严重损坏，这一问题使得被推迟的事务处于一个中间状态 —— 既没有被提交也并不是未被提交。之后的 65 个修改和 5 个月的时间里，我们几乎重写了 FragmentManager 管理状态、延迟状态切换和动画的内部代码，具体请参见我们之前的文章《全新的 Fragment: 使用新的状态管理器》。

• Postponed Fragment 功能已经严重损坏
  https://issuetracker.google.com/147749580

Fragment 中值得期待的地方

随着技术问题的逐步解决，包括更加可靠和更易理解的 FragmentManager，我们新增加了两个 API: saveBackStack() 和 restoreBackStack()。

如果您不使用这些新增 API，则一切照旧: 单个 FragmentManager 返回栈和之前的功能相同。现有的 addToBackStack() 保持不变 —— 您可以将 name 赋值为 null 或者任意 name。然而，当您使用多返回栈时，name 的作用就非常重要了: 在您调用 saveBackStack() 和之后的 restoreBackStack() 方法时，它将作为 Fragment 事务的唯一的 key。

举个例子，会更容易理解。比如您已经添加了一个初始的 Fragment 到 Activity，然后提交了两个事务，每个事务中包含一个单独的 replace 操作: 

// 这是用户看到的初始的 Fragment
fragmentManager.commit {
 setReorderingAllowed(true)
 replace<HomeFragment>(R.id.fragment_container)
}
// 然后，响应用户操作，我们在返回栈中增加了两个事务
fragmentManager.commit {
 setReorderingAllowed(true)
 replace<ProfileFragment>(R.id.fragment_container)
 addToBackStack(“profile”)
}
fragmentManager.commit {
 setReorderingAllowed(true)
 replace<EditProfileFragment>(R.id.fragment_container)
 addToBackStack(“edit_profile”)
}

也就是说我们的 FragmentManager 会变成这样: 

△ 提交三次之后的 FragmentManager 的状态

比如说我们希望将 profile 页换出返回栈，然后切换到通知 Fragment。这就需要调用 saveBackStack() 并且紧跟一个新的事务: 

fragmentManager.saveBackStack("profile")
fragmentManager.commit {
 setReorderingAllowed(true)
 replace<NotificationsFragment>(R.id.fragment_container)
 addToBackStack("notifications")
}

现在我们添加 ProfileFragment 的事务和添加 EditProfileFragment 的事务都保存在 "profile" 关键字下。这些 Fragment 已经完全将状态保存，并且 FragmentManager 会随同事务状态一起保持它们的状态。很重要的一点: 这些 Fragment 的实例并不在内存中或者在 FragmentManager 中 —— 存在的仅仅只有状态 (以及任何以 ViewModel 实例形式存在的非配置状态)。

△ 我们保存 profile 返回栈并且添加一个新的 commit 后的 FragmentManager 状态

替换回来非常简单: 我们可以在 "notifications" 事务中同样调用 saveBackStack() 操作，然后调用 restoreBackStack(): 

fragmentManager.saveBackStack(“notifications”)
fragmentManager.restoreBackStack(“profile”)

这两个堆栈项高效地交换了位置: 

△ 交换堆栈项后的 FragmentManager 状态

维持一个单独且活跃的返回栈并且将事务在其中交换，这保证了当返回按钮被点击时，FragmentManager 和系统的其他部分可以保持一致的响应。实际上，整个逻辑并未改变，同之前一样，仍然弹出 Fragment 返回栈的最后一个事务。

这些 API 都特意按照最小化设计，尽管它们会产生潜在的影响。这使得开发者可以基于这些接口设计自己的结构，而无需通过任何非常规的方式保存 Fragment 的视图状态、已保存的实例状态、非配置的状态。

当然了，如果您不希望在这些 API 之上构建您的框架，那么可以使用我们所提供的框架进行开发。

使用 Navigation 将多返回栈适配到任意屏幕类型

Navigation Component 最初是作为通用运行时组件进行开发的，其中不涉及 View、Fragment、Composable 或者其他屏幕显示相关类型及您可能会在 Activity 中实现的 "目的地界面"。然而，NavHost 接口的实现中需要考虑这些内容，通过它添加一个或者多个 Navigator 实例时，这些实例确实清楚如何与特定类型的目的地进行交互。

• Navigation Component
  https://developer.android.google.cn/guide/navigation/

• NavHost 接口
  https://developer.android.google.cn/reference/kotlin/androidx/navigation/NavHost

• Navigator
  https://developer.android.google.cn/reference/kotlin/androidx/navigation/Navigator

这也就意味着与 Fragment 的交互逻辑全部封装在了 navigation-fragment 开发库和它其中的 FragmentNavigator 与 DialogFragmentNavigator 中。类似的，与 Composable 的交互逻辑被封装在完全独立的 navigation-compose 开发库和它的 ComposeNavigator 中。这里的抽象设计意味着如果您希望仅仅通过 Composable 构建您的应用，那么当您使用 Navigation Compose 时无需任何涉及到 Fragment 的依赖。

该级别的分离意味着 Navigation 中有两个层次来实现多返回栈: 

• 保存独立的 NavBackStackEntry 实例状态，这些实例组成了 NavController 返回栈。这是属于 NavController 的职责。

• 保存 Navigator 针对每个 NavBackStackEntry 的特定状态 (比如与 FragmentNavigator 目的地相关联的 Fragment)。这是属于 Navigator 的职责。

• NavBackStackEntry
  https://developer.android.google.cn/reference/kotlin/androidx/navigation/NavBackStackEntry

仍需特别注意那些尚未更新的 Navigator，它们无法支持保存自身状态。底层的 Navigator API 已经整体重写来支持状态保存 (您需要覆写新增的 navigate() 和 popBackStack() API 的重载方法，而不是覆写之前的版本)，即使 Navigator 并未更新，NavController 仍会保存 NavBackStackEntry 的状态 (在 Jetpack 世界中向后兼容是非常重要的)。

备注: 通过绑定 TestNavigatorState 使其成为一个 mini-NavController 可以实现在新的 Navigator API 上更轻松、独立地测试您自定义的 Navigator。

• TestNavigatorState
  https://developer.android.google.cn/reference/kotlin/androidx/navigation/testing/TestNavigatorState

如果您仅仅在应用中使用 Navigation，那么 Navigator 这个层面更多的是实现细节，而不是您需要直接与之交互的内容。可以这么说，我们已经完成了将 FragmentNavigator 和 ComposeNavigator 迁移到新的 Navigator API 的工作，使其能够正确地保存和恢复它们的状态，在这个层面上您无需再做任何额外工作。

在 Navigation 中启用多返回栈

如果您正在使用 NavigationUI，它是用于连接您的 NavController 到 Material 视图组件的一系列专用助手，您会发现对于菜单项、BottomNavigationView (现在叫 NavigationRailView) 和 NavigationView，多返回栈是默认启用的。这就意味着结合 navigation-fragment 和 navigation-ui 使用就可以。

• NavigationUI
  https://developer.android.google.cn/guide/navigation/navigation-ui

NavigationUI API 是基于 Navigation 的其他公共 API 构建的，确保您可以准确地为自定义组件构建您自己的版本。保证您可以构建所需的自定义组件。启用保存和恢复返回栈的 API 也不例外，在 Navigation XML 中通过 NavOptions 上的新 API，也就是 navOptions Kotlin DSL，以及 popBackStack() 的重载方法可以帮助您指定 pop 操作保存状态或者指定 navigate 操作来恢复之前已保存的状态。

比如，在 Compose 中，任何全局的导航模式 (无论是底部导航栏、导航边栏、抽屉式导航栏或者任何您能想到的形式) 都可以使用我们在与底部导航栏集成所介绍的相同的技术，并且结合 saveState 和 restoreState 属性一起调用 navigate(): 

onClick = {
 navController.navigate(screen.route) {
   // 当用户选择子项时在返回栈中弹出到导航图中的起始目的地
   // 来避免太过臃肿的目的地堆栈
   popUpTo(navController.graph.findStartDestination().id) {
     saveState = true
   }

   // 当重复选择相同项时避免相同目的地的多重拷贝
   launchSingleTop = true
   // 当重复选择之前已经选择的项时恢复状态
   restoreState = true
 }
}

• 与底部导航栏集成
  https://developer.android.google.cn/jetpack/compose/navigation#bottom-nav

保存状态，锁定用户

对用户来说，最令人沮丧的事情之一便是丢失之前的状态。这也是为什么 Fragment 用一整页来讲解保存与 Fragment 相关的状态，而且也是我非常乐于更新每个层级来支持多返回栈的原因之一: 

• Fragments (比如完全不使用 Navigation Component): 通过使用新的 FragmentManager API，也就是 saveBackStack 和 restoreBackStack。
• 核心的 Navigation 运行时: 添加可选的新的 NavOptions 方法用于 restoreState (恢复状态) 和 saveState (保存状态) 以及新的 popBackStack() 的重载方法，它同样可以传入一个布尔型的 saveState 参数 (默认是 false)。
• 通过 Fragment 实现 Navigation: FragmentNavigator 现在利用新的 Navigator API，通过使用 Navigation 运行时 API 将 Navigation 运行时 API 转换为 Fragment API。
• NavigationUI: 每当它们弹出返回栈时，onNavDestinationSelected()、NavigationBarView.setupWithNavController() 和 NavigationView.setupWithNavController() 现在默认使用 restoreState 和 saveState 这两个新的 NavOption。也就意味着当升级到 Navigation 2.4.0-alpha01 或者更高版本后，任何使用 NavigationUI API 的应用无需修改代码即可实现多返回栈。

• 保存与 Fragment 相关的状态
  https://developer.android.google.cn/guide/fragments/saving-state

如果您希望了解更多使用该 API 的示例，请参考 NavigationAdvancedSample (它是最新更新的，且不包含任何用于支持多返回栈的 NavigationExtensions 代码): 

https://github.com/android/architecture-components-samples/tree/master/NavigationAdvancedSample

对于 Navigation Compose 的示例，请参考 Tivi: 

https://github.com/chrisbanes/tivi

如果您遇到任何问题，请使用官方的问题追踪页面提交关于 Fragment 或者 Navigation 的 bug，我们会尽快处理。

• Fragment
  https://issuetracker.google.com/issues/new?component=460964

• Navigation
  https://issuetracker.google.com/issues/new?component=409828

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