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[操作系统]android Gui系统之SurfaceFlinger


GUI 是任何系统都很重要的一块。

android GUI大体分为4大块。

1)SurfaceFlinger

2)WMS

3)View机制

4)InputMethod

这块内容非常之多,但是理解后,可以触类旁通,其实现在主流的系统,包括andorid,ios在构架上,都是有很多相识之处。

我们先来讲SurfaceFlinger

 

1.OpenGL & OpenGL ES

OPenGL ES 是android系统绘画的基础。关于OpenGL部分,可以百度了解下。

先来看一个OpenGL & SurfaceFlinger之间的框架图:


从底层往上看:
1)linux内核提供统一的设备驱动,/dev/graphics/fb*
2) Android HAL 提供2个接口 Gralloc & fb
fb 负责打开framebuffer,提供接口操作。gralloc负责管理帧缓冲区的分配和释放。
composer是HAL中另一个重要的功能,它主要是给厂商定制UI合成。SurfaceFlinger中负责HWComposer会用到这个功能。
而且关键是HWComposer还负责产生VSync信号,这是本期SurfaceFlinger的重点。
3)由于OpenGL是一套通用的库(大部分就是接口),所以它需要一个本地的实现。andorid平台OpenGL有2个本地窗口,FrameBufferNativeWindow & Surface。
4)OpenGL可以有软件 或者依托于硬件实现,具体的运行状态,就是由EGL来配置。
5)SurfaceFlinger持有一个成员数组mDisplays来支持各种显示设备。DisplayDevices在初始化的时候调用EGL来搭建OpenGL的环境。
 

2.Android的硬件接口HAL

HAL需要满足android系统和厂商的要求

2.1硬件接口的抽象

从面向对象角度来讲,接口的概念就是由C++非常容易实现,但是HAL很多代码是C语言描述的。
这就需要一种技巧来实现面向对象。
定义一种结构,子类的成员变量第一个类型是父类的结构就可以了。抽象方法可以用函数指针来实现。
其实这个就是C++多态实现的基本原理,具体可参考《深入理解C++对象模型》

2.2接口的稳定性

Android已经把各个硬件都接口都统一定义在:

libhardware/include/hardware/ 具体代码可以参考:https://github.com/CyanogenMod/android_hardware_libhardware/tree/cm-12.0/include/hardware

 

3.Android显示设备:Gralloc &  FrameBuffer

FrameBuffer是linux环境下显示设备的统一接口。从而让用户设备不需要做太多的操作,就可以适配多种显示设备。
FramwBuffer本质上就是一套接口。android系统不会直接操作显示驱动,而通过HAL层来封装。而HAL中操作驱动的模块就是
gralloc。

3.1Gralloc模块的加载

gralloc通过FrameBufferNativeWindow 来加载的:
FramebufferNativeWindow::FramebufferNativeWindow()   : BASE(), fbDev(0), grDev(0), mUpdateOnDemand(false){  hw_module_t const* module;  if (hw_get_module(GRALLOC_HARDWARE_MODULE_ID, &module) == 0) {    int stride;    int err;    int i;    err = framebuffer_open(module, &fbDev);    ALOGE_IF(err, "couldn't open framebuffer HAL (%s)", strerror(-err));        err = gralloc_open(module, &grDev);    ALOGE_IF(err, "couldn't open gralloc HAL (%s)", strerror(-err));    // bail out if we can't initialize the modules    if (!fbDev || !grDev)      return;        mUpdateOnDemand = (fbDev->setUpdateRect != 0);        // initialize the buffer FIFO    if(fbDev->numFramebuffers >= MIN_NUM_FRAME_BUFFERS &&      fbDev->numFramebuffers <= MAX_NUM_FRAME_BUFFERS){      mNumBuffers = fbDev->numFramebuffers;    } else {      mNumBuffers = MIN_NUM_FRAME_BUFFERS;    }    mNumFreeBuffers = mNumBuffers;    mBufferHead = mNumBuffers-1;    /*     * This does not actually change the framebuffer format. It merely     * fakes this format to surfaceflinger so that when it creates     * framebuffer surfaces it will use this format. It's really a giant     * HACK to allow interworking with buggy gralloc+GPU driver     * implementations. You should *NEVER* need to set this for shipping     * devices.     */#ifdef FRAMEBUFFER_FORCE_FORMAT    *((uint32_t *)&fbDev->format) = FRAMEBUFFER_FORCE_FORMAT;#endif    for (i = 0; i < mNumBuffers; i++)    {        buffers[i] = new NativeBuffer(            fbDev->width, fbDev->height, fbDev->format, GRALLOC_USAGE_HW_FB);    }    for (i = 0; i < mNumBuffers; i++)    {        err = grDev->alloc(grDev,            fbDev->width, fbDev->height, fbDev->format,            GRALLOC_USAGE_HW_FB, &buffers[i]->handle, &buffers[i]->stride);        ALOGE_IF(err, "fb buffer %d allocation failed w=%d, h=%d, err=%s",            i, fbDev->width, fbDev->height, strerror(-err));        if (err)        {            mNumBuffers = i;            mNumFreeBuffers = i;            mBufferHead = mNumBuffers-1;            break;        }    }    const_cast<uint32_t&>(ANativeWindow::flags) = fbDev->flags;     const_cast<float&>(ANativeWindow::xdpi) = fbDev->xdpi;    const_cast<float&>(ANativeWindow::ydpi) = fbDev->ydpi;    const_cast<int&>(ANativeWindow::minSwapInterval) =       fbDev->minSwapInterval;    const_cast<int&>(ANativeWindow::maxSwapInterval) =       fbDev->maxSwapInterval;  } else {    ALOGE("Couldn't get gralloc module");  }  ANativeWindow::setSwapInterval = setSwapInterval;  ANativeWindow::dequeueBuffer = dequeueBuffer;  ANativeWindow::queueBuffer = queueBuffer;  ANativeWindow::query = query;  ANativeWindow::perform = perform;  ANativeWindow::dequeueBuffer_DEPRECATED = dequeueBuffer_DEPRECATED;  ANativeWindow::lockBuffer_DEPRECATED = lockBuffer_DEPRECATED;  ANativeWindow::queueBuffer_DEPRECATED = queueBuffer_DEPRECATED;}

FramebufferNativeWindow

我们继续深入看:

galloc的父类,最终是:

libhardware\include\hardware\hardware.h

typedef struct hw_module_methods_t {  /** Open a specific device */  int (*open)(const struct hw_module_t* module, const char* id,      struct hw_device_t** device);} hw_module_methods_t;

只有一个open方法,也就是所有的厂商都需要实现开启设备的方法。

看下fb的打开的代码:

libhardware\modules\gralloc\framebuffer.cpp

int fb_device_open(hw_module_t const* module, const char* name,    hw_device_t** device){  int status = -EINVAL;  if (!strcmp(name, GRALLOC_HARDWARE_FB0)) {    /* initialize our state here */    fb_context_t *dev = (fb_context_t*)malloc(sizeof(*dev));    memset(dev, 0, sizeof(*dev));    /* initialize the procs */    dev->device.common.tag = HARDWARE_DEVICE_TAG;    dev->device.common.version = 0;    dev->device.common.module = const_cast<hw_module_t*>(module);    dev->device.common.close = fb_close;    dev->device.setSwapInterval = fb_setSwapInterval;    dev->device.post      = fb_post;    dev->device.setUpdateRect = 0;    private_module_t* m = (private_module_t*)module;    status = mapFrameBuffer(m);    if (status >= 0) {      int stride = m->finfo.line_length / (m->info.bits_per_pixel >> 3);      int format = (m->info.bits_per_pixel == 32)             ? (m->info.red.offset ? HAL_PIXEL_FORMAT_BGRA_8888 : HAL_PIXEL_FORMAT_RGBX_8888)             : HAL_PIXEL_FORMAT_RGB_565;      const_cast<uint32_t&>(dev->device.flags) = 0;      const_cast<uint32_t&>(dev->device.width) = m->info.xres;      const_cast<uint32_t&>(dev->device.height) = m->info.yres;      const_cast<int&>(dev->device.stride) = stride;      const_cast<int&>(dev->device.format) = format;      const_cast<float&>(dev->device.xdpi) = m->xdpi;      const_cast<float&>(dev->device.ydpi) = m->ydpi;      const_cast<float&>(dev->device.fps) = m->fps;      const_cast<int&>(dev->device.minSwapInterval) = 1;      const_cast<int&>(dev->device.maxSwapInterval) = 1;      *device = &dev->device.common;    }  }  return status;}

首先check设备名是否正确。


分配dev的空间,这是一个壳。
然后初始化dev。
提供fb的核心接口
内存映射
status = mapFrameBuffer(m);

然后是建立壳 & 核心间的关系。

这样就打开了fb设备。

在回到FrameBufferNativeWindow 可以看到:

    err = framebuffer_open(module, &fbDev);    ALOGE_IF(err, "couldn't open framebuffer HAL (%s)", strerror(-err));        err = gralloc_open(module, &grDev);    ALOGE_IF(err, "couldn't open gralloc HAL (%s)", strerror(-err));

fb打开的驱动信息在fbDev,gralloc打开的信息在grDev中。

fbDev负责的是主屏幕,grDev负责图形缓冲去的分配和释放。

所以FrameBufferNativeWindow控制这SurfaceFlinger的基础。

 

4.FrameBufferNativeWindow

4.1FramebufferNativeWindow

在OpenGL中,我们不断提及本地窗口的概念,在Android中,native window一共由2个。
一个是面向管理者(SurfaceFlinger)的 FramebufferNativeWindow
另一个是面像APP的,surface。
先来看第一种:
首先看下定义的地方:
class FramebufferNativeWindow   : public ANativeObjectBase<    ANativeWindow,     FramebufferNativeWindow,     LightRefBase<FramebufferNativeWindow> >{

ANativeWindow是什么东西?

ANativeWindow是OpenGL 在android平台的显示类型。

所以FramebufferNativeWindow就是一种Open GL可以显示的类型。

FramebufferNativeWindow的构造函数上面已经贴出来了,进一步分析如下:

1)加载module,上面已经分析过了。

2)打开fb & gralloc,也已经分析过了。

3)根据fb的设备属性,获得buffer数。这个buffer后面会解释。

4)给每个buffer初始化,并分配空间。这里new NativeBuffer只是指定buffer的类型,或者分配了一个指针,但是没有分配内存,所以还需要alloc操作。

5)为本地窗口属性赋值。

目前buffer默认值是在2~3,后面会介绍3缓冲技术,就会用到3个buffer。

双缓冲技术:

把一组图画,画到屏幕上,画图是需要时间的,如果时间间隔比较长,图片就是一个一个的画在屏幕的,看上去就会卡。

如果先把图片放在一个缓冲buffer中,待全部画好后,把buffer直接显示在屏幕上,这就是双缓冲技术。

 

4.2dequeuebuffer

int FramebufferNativeWindow::dequeueBuffer(ANativeWindow* window,     ANativeWindowBuffer** buffer, int* fenceFd){  FramebufferNativeWindow* self = getSelf(window);  Mutex::Autolock _l(self->mutex);  framebuffer_device_t* fb = self->fbDev;  int index = self->mBufferHead++;  if (self->mBufferHead >= self->mNumBuffers)    self->mBufferHead = 0;  // wait for a free non-front buffer  while (self->mNumFreeBuffers < 2) {    self->mCondition.wait(self->mutex);  }  ALOG_ASSERT(self->buffers[index] != self->front);  // get this buffer  self->mNumFreeBuffers--;  self->mCurrentBufferIndex = index;  *buffer = self->buffers[index].get();  *fenceFd = -1;  return 0;}

代码不多,但是却是核心功能,通过它来获取一块可渲染的buffer。

1)获取FramebufferNativeWindow对象。为什么没有使用this 而是使用了传入ANativeWindow的方式,此处我们并不关心。

2)获得一个Autolock的锁,函数结束,自动解锁。

3)获取mBufferHead变量,这里自增,也就是使用下一个buffer,一共只有3个,(原因上面已经解释),所以循环取值。

4)如果没有可用的缓冲区,等待bufferqueue释放。一旦获取后,可用buffer就自减

 

5.Surface

Surface是另一个本地窗口,主要和app这边交互。注意:app层java代码无法直接调用surface,只是概念上surface属于app这一层的。

首先Surface是ANativeWindow的一个子类。

可以推测,surface需要解决如下几个问题:

1)面向上层(java层)提供画板。由谁来分配这块内存

2)与SurfaceFlinger是什么关系

Surface::Surface(    const sp<IGraphicBufferProducer>& bufferProducer,    bool controlledByApp)

 

sp<IGraphicBufferProducer>& bufferProducer 是分配surface内存的。它到底是什么呢?


 先来看看从ViewRootImpl到获取surface的过程。
ViewRootImpl持有一个java层的surface对象,开始是空的。
后续的流程见上面的流程图。也就是-说ViewRootImpl持有的surface对象,最终是对SurfaceComposerClient的创建的surface的一个“引用”。
由此分析可以看到 一个ISurfaceClient->ISurfaceComposerClient->IGraphicBufferProducer.当然binder需要一个实名的server来注册。
在ServiceManager中可以看到,这些服务查询的是“SurfaceFlinger”。
也就是,这些东东都是SurfaceFlinger的内容。
SurfaceFlinger::SurfaceFlinger()  :  BnSurfaceComposer(),

SurfaceFlinger是BnSurfaceComposer的一个子类。也就是ISurfaceComposer的一个实现。

surface虽然是为app层服务的,但是本质上还是由SurfaceFlinger来管理的。



SurfaceFlinger怎么创建和管理surface,需要通过BufferQueue,将在下一篇讨论。

参考:

《深入理解android内核设计思想》 林学森