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WPF 不要给 Window 类设置变换矩阵（分析篇）：System.InvalidOperationException: 转换不可逆。

时间：2021-03-30 13:02:10

最近总是收到一个异常 “System.InvalidOperationException: 转换不可逆。”，然而看其堆栈，一点点自己写的代码都没有。到底哪里除了问题呢？

虽然异常堆栈信息里面没有自己编写的代码，但是我们还是找到了问题的原因和解决方法。

本文内容

异常堆栈分析过程源代码`PointUtil.TryApplyVisualTransform``PointUtil.TryClientToRoot` 求逆的矩阵矩阵求逆异常代码行列式缩放矩阵旋转矩阵WPF 2D 变换矩阵求逆小结寻找问题代码原因和解决方案原因解决方案

异常堆栈

这就是抓到的此问题的异常堆栈：

System.InvalidOperationException: 转换不可逆。在 System.Windows.Media.Matrix.Invert()在 MS.Internal.PointUtil.TryApplyVisualTransform(Point point, Visual v, Boolean inverse, Boolean throwOnError, Boolean& success)在 MS.Internal.PointUtil.TryClientToRoot(Point point, PresentationSource presentationSource, Boolean throwOnError, Boolean& success)在 System.Windows.Input.MouseDevice.LocalHitTest(Boolean clientUnits, Point pt, PresentationSource inputSource, IInputElement& enabledHit, IInputElement& originalHit)在 System.Windows.Input.MouseDevice.GlobalHitTest(Boolean clientUnits, Point pt, PresentationSource inputSource, IInputElement& enabledHit, IInputElement& originalHit)在 System.Windows.Input.StylusWisp.WispStylusDevice.FindTarget(PresentationSource inputSource, Point position)在 System.Windows.Input.StylusWisp.WispLogic.PreNotifyInput(Object sender, NotifyInputEventArgs e)在 System.Windows.Input.InputManager.ProcessStagingArea()在 System.Windows.Input.InputManager.ProcessInput(InputEventArgs input)在 System.Windows.Input.StylusWisp.WispLogic.InputManagerProcessInput(Object oInput)在 System.Windows.Threading.ExceptionWrapper.InternalRealCall(Delegate callback, Object args, Int32 numArgs)在 System.Windows.Threading.ExceptionWrapper.TryCatchWhen(Object source, Delegate callback, Object args, Int32 numArgs, Delegate catchHandler)

可以看到，我们的堆栈结束点是ExceptionWrapper.TryCatchWhen可以得知此异常是通过Dispatcher.UnhandledException来捕获的。也就是说，此异常直接通过 Windows 消息被我们间接触发，而不是直接通过我们编写的代码触发。而最顶端是对矩阵求逆，而此异常是试图对一个不可逆的矩阵求逆。

分析过程

如果你不想看分析过程，可以直接移步至本文的最后一节看原因和解决方案。

源代码

因为 .NET Framework 版本的 WPF 是开源的，.NET Core 版本的 WPF 目前还处于按揭开源的状态，所以我们看 .NET Framework 版本的代码来分析原因。

我按照调用堆栈从顶到底的顺序，将前面三帧的代码贴到下面。

`PointUtil.TryApplyVisualTransform`

public static Point TryApplyVisualTransform(Point point, Visual v, bool inverse, bool throwOnError, out bool success){success = true;if(v != null){Matrix m = GetVisualTransform(v);if (inverse){if(throwOnError || m.HasInverse){m.Invert();}else{success = false;return new Point(0,0);}}point = m.Transform(point);}return point;}

`PointUtil.TryClientToRoot`

[SecurityCritical,SecurityTreatAsSafe]public static Point TryClientToRoot(Point point, PresentationSource presentationSource, bool throwOnError, out bool success){if (throwOnError || (presentationSource != null && positionTarget != null && !positionTarget.IsDisposed)){point = positionTarget.TransformFromDevice.Transform(point);point = TryApplyVisualTransform(point, presentationSource.RootVisual, true, throwOnError, out success);}else{success = false;return new Point(0,0);}return point;}

你可能会说，在调用堆栈上面看不到PointUtil.ClientToRoot方法。但其实如果我们看一看MouseDevice.LocalHitTest的代码，会发现其实调用的是PointUtil.ClientToRoot方法。在调用堆栈上面看不到它是因为方法足够简单，被内联了。

[SecurityCritical,SecurityTreatAsSafe]public static Point ClientToRoot(Point point, PresentationSource presentationSource){bool success = true;return TryClientToRoot(point, presentationSource, true, out success);}

求逆的矩阵

下面我们一步一步分析异常的原因。

我们先看看是什么代码在做矩阵求逆。下面截图中的方法是反编译的，就是上面我们在源代码中列出的TryApplyVisualTransform方法。

先获取了传入Visual对象的变换矩阵，然后根据参数inverse来对其求逆。如果矩阵可以求逆，即HasInverse属性返回true，那么代码可以继续执行下去而不会出现异常。但如果HasInverse返回false，则根据throwOnError来决定是否抛出异常，在需要抛出异常的情况下会真实求逆，也就是上面截图中我们看到的异常发生处的代码。

那么接下来我们需要验证三点：

这个Visual是哪里来的；这个Visual的变换矩阵什么情况下不可求逆；throwOnError确定传入的是true吗。

于是我们继续往上层调用代码中查看。

可以很快验证上面需要验证的两个点：

throwOnError传入的是true；Visual是PresentationSource的RootVisual。

而PresentationSource的RootVisual是什么呢？PresentationSource是承载 WPF 可视化树的一个对象，对于窗口Window，是通过HwndSource（PresentationSource的子类）承载的；对于跨线程 WPF UI，可以通过自定义的PresentationSource子类来完成。这部分可以参考我之前的一些博客：

WPF 同一窗口内的多线程 UI（VisualTarget）WPF 同一窗口内的多线程/多进程 UI（使用 SetParent 嵌入另一个窗口）WPF 多线程 UI：设计一个异步加载 UI 的容器WPF 获取元素（Visual）相对于屏幕设备的缩放比例，可用于清晰显示图片

不管怎么说，这个指的就是 WPF 可视化树的根：

如果你使用Window来显示 WPF 窗口，那么根就是Window类；如果你是用Popup来承载一个弹出框，那么根就是PopupRoot类；如果你使用了一些跨线程/跨进程 UI 的技术，那么根就是自己写的可视化树根元素。

对于绝大多数 WPF 开发者来说，只会碰到前面第一种情况，也就是仅仅有Window作为可视化树的根的情况。一般人很难直接给PopupRoot设置变换矩阵，一般 WPF 程序的代码也很少做跨线程或跨进程 UI。

于是我们几乎可以肯定，是有某处的代码让Window的变换矩阵不可逆了。

矩阵求逆

什么样的矩阵是不可逆的？

异常代码

发生异常的代码是 WPF 中Matrix.Invert方法，其发生异常的代码如下：

首先判断矩阵的行列式Determinant是否为0，如果为0则抛出矩阵不可逆的异常。

行列式

WPF 的 2D 变换矩阵 M M M 是一个 3 × 3 3\times{3} 3×3 的矩阵：

[ M 11 M 12 0 M 21 M 22 0 O f f s e t X O f f s e t Y 1 ] \begin{bmatrix} M11 & M12 & 0 \\ M21 & M22 & 0 \\ OffsetX & OffsetY & 1 \end{bmatrix} ⎣⎡M11M21OffsetXM12M22OffsetY001⎦⎤

其行列式 d e t ( M ) det(M) det(M) 是一个标量：

∣ A ∣ = ∣ M 11 M 12 0 M 21 M 22 0 O f f s e t X O f f s e t Y 1 ∣ = M 11 × M 22 − M 12 × M 21 \left | A \right | = \begin{vmatrix} M11 & M12 & 0 \\ M21 & M22 & 0 \\ OffsetX & OffsetY & 1 \end{vmatrix} = M11 \times M22 - M12 \times M21 ∣A∣=∣∣∣∣∣∣M11M21OffsetXM12M22OffsetY001∣∣∣∣∣∣=M11×M22−M12×M21

因为矩阵求逆的时候，行列式的值会作为分母，于是会无法计算，所以行列式的值为 0 时，矩阵不可逆。

前面我们计算 WPF 的 2D 变换矩阵的行列式的值为 M 11 × M 22 − M 12 × M 21 M11 \times M22 - M12 \times M21 M11×M22−M12×M21，因此，只要使这个式子的值为 0 即可。

那么 WPF 的 2D 变换的时候，如何使此值为 0 呢？

平移？平移只会修改 O f f s e t X OffsetX OffsetX 和 O f f s e t Y OffsetY OffsetY，因此对结果没有影响缩放？缩放会将原矩阵点乘缩放矩阵旋转？旋转会将旋转矩阵点乘原矩阵

其中，原矩阵在我们的场景下就是恒等的矩阵，即Matrix.Identity：

[ 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ] \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} ⎣⎡100010001⎦⎤

接下来缩放和旋转我们都不考虑变换中心的问题，因为变换中心的问题都可以等价为先进行缩放和旋转后，再单纯进行平移。由于平移对行列式的值没有影响，于是我们忽略。

缩放矩阵

缩放矩阵。如果水平和垂直分量分别缩放 S c a l e X ScaleX ScaleX 和 S c a l e Y ScaleY ScaleY 倍，则缩放矩阵为：

[ S c a l e X 0 0 0 S c a l e Y 0 0 0 1 ] \begin{bmatrix} ScaleX & 0 & 0 \\ 0 & ScaleY & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} ⎣⎡ScaleX000ScaleY0001⎦⎤

原矩阵点乘缩放矩阵结果为：

[ 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ] ⋅ [ S c a l e X 0 0 0 S c a l e Y 0 0 0 1 ] = [ S c a l e X 0 0 0 S c a l e Y 0 0 0 1 ] \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} ScaleX & 0 & 0 \\ 0 & ScaleY & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} ScaleX & 0 & 0 \\ 0 & ScaleY & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} ⎣⎡100010001⎦⎤⋅⎣⎡ScaleX000ScaleY0001⎦⎤=⎣⎡ScaleX000ScaleY0001⎦⎤

于是，只要 S c a l e X ScaleX ScaleX 和 S c a l e Y ScaleY ScaleY 任何一个为 0 就可以导致新矩阵的行列式必定为 0。

旋转矩阵

旋转矩阵。假设用户设置的旋转角度为angle，那么换算成弧度为angle * (Math.PI/180.0)，我们将弧度记为 α \alpha α，那么旋转矩阵为：

[ cos ⁡ α sin ⁡ α 0 − sin ⁡ α cos ⁡ α 0 0 0 1 ] \begin{bmatrix} \cos{\alpha} & \sin{\alpha} & 0 \\ -\sin{\alpha} & \cos{\alpha} & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} ⎣⎡cosα−sinα0sinαcosα0001⎦⎤

旋转矩阵点乘原矩阵的结果为：

[ cos ⁡ α sin ⁡ α 0 − sin ⁡ α cos ⁡ α 0 0 0 1 ] ⋅ [ 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ] = [ cos ⁡ α sin ⁡ α 0 − sin ⁡ α cos ⁡ α 0 0 0 1 ] \begin{bmatrix} \cos{\alpha} & \sin{\alpha} & 0 \\ -\sin{\alpha} & \cos{\alpha} & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \cos{\alpha} & \sin{\alpha} & 0 \\ -\sin{\alpha} & \cos{\alpha} & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} ⎣⎡cosα−sinα0sinαcosα0001⎦⎤⋅⎣⎡100010001⎦⎤=⎣⎡cosα−sinα0sinαcosα0001⎦⎤

对此矩阵的行列式求值：

cos ⁡ 2 α + sin ⁡ 2 α = 1 \cos^{2}{\alpha} + \sin^{2}{\alpha} = 1 cos2α+sin2α=1

也就是说其行列式的值恒等于 1，因此其矩阵必然可求逆。