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系统的SurfaceFlinger思路以及代码追踪

分类： LINUX

2016-04-18 10:14:44

原文地址：系统的SurfaceFlinger思路以及代码追踪 作者：守候心田

转自：http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/5972568

SurfaceFlinger在系统启动阶段作为系统服务被加载。应用程序中的每个窗口，对应本地代码中的Surface，而Surface又对应于SurfaceFlinger中的各个Layer，SurfaceFlinger的主要作用是为这些Layer申请内存，根据应用程序的请求管理这些Layer显示、隐藏、重画等操作，最终由SurfaceFlinger把所有的Layer组合到一起，显示到显示器上。当一个应用程序需要在一个Surface上进行画图操作时，首先要拿到这个Surface在内存中的起始地址，而这块内存是在SurfaceFlinger中分配的，因为SurfaceFlinger和应用程序并不是运行在同一个进程中，如何在应用客户端（Surface）和服务端（SurfaceFlinger - Layer）之间传递和同步显示缓冲区？这正是本文要讨论的内容。

Surface的创建过程

我们先看看Android如何创建一个Surface，下面的序列图展示了整个创建过程。

图一 Surface的创建过程

创建Surface的过程基本上分为两步：

1. 建立SurfaceSession

第一步通常只执行一次，目的是创建一个SurfaceComposerClient的实例，JAVA层通过JNI调用本地代码，本地代码创建一个SurfaceComposerClient的实例，SurfaceComposerClient通过ISurfaceComposer接口调用SurfaceFlinger的createConnection，SurfaceFlinger返回一个ISurfaceFlingerClient接口给SurfaceComposerClient，在createConnection的过程中，SurfaceFlinger创建了用于管理缓冲区切换的SharedClient，关于SharedClient我们下面再介绍，最后，本地层把SurfaceComposerClient的实例返回给JAVA层，完成SurfaceSession的建立。

2. 利用SurfaceSession创建Surface

JAVA层通过JNI调用本地代码Surface_Init()，本地代码首先取得第一步创建的SurfaceComposerClient实例，通过SurfaceComposerClient，调用ISurfaceFlingerClient接口的createSurface方法，进入SurfaceFlinger，SurfaceFlinger根据参数，创建不同类型的Layer，然后调用Layer的setBuffers()方法，为该Layer创建了两个缓冲区，然后返回该Layer的ISurface接口，SurfaceComposerClient使用这个ISurface接口创建一个SurfaceControl实例，并把这个SurfaceControl返回给JAVA层。

由此得到以下结果：

  • JAVA层的Surface实际上对应于本地层的SurfaceControl对象，以后本地代码可以使用JAVA传入的SurfaceControl对象，通过SurfaceControl的getSurface方法，获得本地Surface对象；
  • Android为每个Surface分配了两个图形缓冲区，以便实现Page-Flip的动作；
  • 建立SurfaceSession时，SurfaceFlinger创建了用于管理两个图形缓冲区切换的SharedClient对象，SurfaceComposerClient可以通过ISurfaceFlingerClient接口的getControlBlock()方法获得这个SharedClient对象，查看SurfaceComposerClient的成员函数_init:

[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. void SurfaceComposerClient::_init(
  2. const sp& sm, const sp& conn)
  3. {
  4. ......
  5. mClient = conn;
  6. if (mClient == 0) {
  7. mStatus = NO_INIT;
  8. return;
  9. }
  11. mControlMemory = mClient->getControlBlock();
  12. mSignalServer = sm;
  13. mControl = static_cast(mControlMemory->getBase());
  14. }
[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. void
  2. SurfaceComposerClient::_init(
  3. const sp& sm, const
  4. sp& conn)
  5. {
  6. ......
  7. mClient = conn;
  8. if (mClient == 0) {
  9. mStatus = NO_INIT;
  10. return;
  11. }
  13. mControlMemory = mClient->getControlBlock();
  14. mSignalServer = sm;
  15. mControl = static_cast
  16. *>(mControlMemory->getBase());
  17. }
void SurfaceComposerClient::_init( const sp& sm, const sp& conn) { ...... mClient = conn; if (mClient == 0) { mStatus = NO_INIT; return; } mControlMemory = mClient->getControlBlock(); mSignalServer = sm; mControl = static_cast(mControlMemory->getBase()); } 获得Surface对应的显示缓冲区

虽然在SurfaceFlinger在创建Layer时已经为每个Layer申请了两个缓冲区，但是此时在JAVA层并看不到这两个缓冲区，JAVA层要想在Surface上进行画图操作，必须要先把其中的一个缓冲区绑定到Canvas中，然后所有对该Canvas的画图操作最后都会画到该缓冲区内。下图展现了绑定缓冲区的过程：

图二 绑定缓冲区的过程

开始在Surface画图前，Surface.java会先调用lockCanvas()来得到要进行画图操作的Canvas，lockCanvas会进一步调用本地层的Surface_lockCanvas，本地代码利用JAVA层传入的SurfaceControl对象，通过getSurface() 取得本地层的Surface对象，接着调用该Surface对象的lock()方法，lock()返回了改Surface的信息，其中包括了可用缓冲区的首地址vaddr，该vaddr在Android的2D图形库Skia中，创建了一个bitmap，然后通过Skia库中Canvas的 API：Canvas.setBitmapDevice(bitmap)，把该bitmap绑定到Canvas中，最后把这个Canvas返回给JAVA 层，这样JAVA层就可以在该Canvas上进行画图操作，而这些画图操作最终都会画在以vaddr为首地址的缓冲区中。

再看看在Surface的lock()方法中做了什么：

  • dequeueBuffer(&backBuffer)获取backBuffer
    • SharedBufferClient->dequeue()获得当前空闲缓冲区的编号
    • 通过缓冲区编号获得真正的GraphicBuffer:backBuffer
    • 如果还没有对Layer中的buffer进行映射（Mapper），getBufferLocked通过ISurface接口重新重新映射
  • 获取frontBuffer
  • 根据两个Buffer的更新区域，把frontBuffer的内容拷贝到backBuffer中，这样保证了两个Buffer中显示内容的同步
  • backBuffer->lock() 获得backBuffer缓冲区的首地址vaddr
  • 通过info参数返回vaddr
释放Surface对应的显示缓冲区

画图完成后，要想把Surface的内容显示到屏幕上，需要把Canvas中绑定的缓冲区释放，并且把该缓冲区从变成可投递（因为默认只有两个 buffer，所以实际上就是变成了frontBuffer），SurfaceFlinger的工作线程会在适当的刷新时刻，把系统中所有的 frontBuffer混合在一起，然后通过OpenGL刷新到屏幕上。下图展现了解除绑定缓冲区的过程：

图三 解除绑定缓冲区的过程

  • JAVA层调用unlockCanvasAndPost
  • 进入本地代码：Surface_unlockCanvasAndPost
  • 本地代码利用JAVA层传入的SurfaceControl对象，通过getSurface()取得本地层的Surface对象
  • 绑定一个空的bitmap到Canvas中
  • 调用Surface的unlockAndPost方法
    • 调用GraphicBuffer的unlock()，解锁缓冲区
    • 在queueBuffer()调用了SharedBufferClient的queue()，把该缓冲区更新为可投递状态
SharedClient 和 SharedBufferStack

从前面的讨论可以看到，Canvas绑定缓冲区时，要通过SharedBufferClient的dequeue方法取得空闲的缓冲区，而解除绑定并提交缓冲区投递时，最后也要调用SharedBufferClient的queue方法通知SurfaceFlinger的工作线程。实际上，在 SurfaceFlinger里，每个Layer也会关联一个SharedBufferServer，SurfaceFlinger的工作线程通过 SharedBufferServer管理着Layer的缓冲区，在SurfaceComposerClient建立连接的阶段，SurfaceFlinger就已经为该连接创建了一个SharedClient 对象，SharedClient 对象中包含了一个SharedBufferStack数组，数组的大小是31，每当创建一个Surface，就会占用数组中的一个 SharedBufferStack，然后SurfaceComposerClient端的Surface会创建一个 SharedBufferClient和该SharedBufferStack关联，而SurfaceFlinger端的Layer也会创建 SharedBufferServer和SharedBufferStack关联，实际上每对 SharedBufferClient/SharedBufferServer是控制着同一个SharedBufferStack对象，通过 SharedBufferStack，保证了负责对Surface的画图操作的应用端和负责刷新屏幕的服务端（SurfaceFlinger）可以使用不同的缓冲区，并且让他们之间知道对方何时锁定/释放缓冲区。

SharedClient和SharedBufferStack的代码和头文件分别位于：

/frameworks/base/libs/surfaceflinger_client/SharedBufferStack.cpp

/frameworks/base/include/private/surfaceflinger/SharedBufferStack.h

图四 客户端和服务端缓冲区管理

继续研究SharedClient、SharedBufferStack、SharedBufferClient、 SharedBufferServer的诞生过程。

1. SharedClient
  • 在createConnection阶段，SurfaceFlinger创建Client对象：
[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. sp SurfaceFlinger::createConnection()
  2. {
  3. Mutex::Autolock _l(mStateLock);
  4. uint32_t token = mTokens.acquire();
  6. sp client = new Client(token, this);
  7. if (client->ctrlblk == 0) {
  8. mTokens.release(token);
  9. return 0;
  10. }
  11. status_t err = mClientsMap.add(token, client);
  12. if (err < 0) {
  13. mTokens.release(token);
  14. return 0;
  15. }
  16. sp bclient =
  17. new BClient(this, token, client->getControlBlockMemory());
  18. return bclient;
  19. }
[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. sp
  2. SurfaceFlinger::createConnection()
  3. {
  4. Mutex::Autolock _l(mStateLock);
  5. uint32_t token = mTokens.acquire();
  7. sp client = new Client(token, this);
  8. if (client->ctrlblk == 0) {
  9. mTokens.release(token);
  10. return 0;
  11. }
  12. status_t err = mClientsMap.add(token, client);
  13. if (err < 0) {
  14. mTokens.release(token);
  15. return 0;
  16. }
  17. sp bclient =
  18. new BClient(this, token, client->getControlBlockMemory());
  19. return bclient;
  20. }
sp SurfaceFlinger::createConnection() { Mutex::Autolock _l(mStateLock); uint32_t token = mTokens.acquire(); sp client = new Client(token, this); if (client->ctrlblk == 0) { mTokens.release(token); return 0; } status_t err = mClientsMap.add(token, client); if (err < 0) { mTokens.release(token); return 0; } sp bclient = new BClient(this, token, client->getControlBlockMemory()); return bclient; }
  • 再进入Client的构造函数中，它分配了4K大小的共享内存，并在这块内存上构建了SharedClient对象：
[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. Client::Client(ClientID clientID, const sp& flinger)
  2. : ctrlblk(0), cid(clientID), mPid(0), mBitmap(0), mFlinger(flinger)
  3. {
  4. const int pgsize = getpagesize();
  5. const int cblksize = ((sizeof(SharedClient)+(pgsize-1))&~(pgsize-1));
  7. mCblkHeap = new MemoryHeapBase(cblksize, 0,
  8. "SurfaceFlinger Client control-block");
  10. ctrlblk = static_cast(mCblkHeap->getBase());
  11. if (ctrlblk) { // construct the shared structure in-place.
  12. new(ctrlblk) SharedClient;
  13. }
  14. }
[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. Client::Client(ClientID
  2. clientID, const sp& flinger)
  3. : ctrlblk(0), cid(clientID), mPid(0), mBitmap(0), mFlinger(flinger)
  4. {
  5. const int pgsize = getpagesize();
  6. const int cblksize =
  7. ((sizeof(SharedClient)+(pgsize-1))&~(pgsize-1));
  9. mCblkHeap = new MemoryHeapBase(cblksize, 0,
  10. "SurfaceFlinger Client control-block");
  12. ctrlblk = static_cast
  13. *>(mCblkHeap->getBase());
  14. if (ctrlblk) { // construct the shared structure in-place.
  15. new(ctrlblk) SharedClient;
  16. }
  17. }
Client::Client(ClientID clientID, const sp& flinger) : ctrlblk(0), cid(clientID), mPid(0), mBitmap(0), mFlinger(flinger) { const int pgsize = getpagesize(); const int cblksize = ((sizeof(SharedClient)+(pgsize-1))&~(pgsize-1)); mCblkHeap = new MemoryHeapBase(cblksize, 0, "SurfaceFlinger Client control-block"); ctrlblk = static_cast(mCblkHeap->getBase()); if (ctrlblk) { // construct the shared structure in-place. new(ctrlblk) SharedClient; } }
  • 回到createConnection中，通过Client的getControlBlockMemory()方法获得共享内存块的 IMemoryHeap接口，接着创建ISurfaceFlingerClient的子类BClient，BClient的成员变量mCblk保存了 IMemoryHeap接口指针；
  • 把BClient返回给SurfaceComposerClient，SurfaceComposerClient通过 ISurfaceFlingerClient接口的getControlBlock()方法获得IMemoryHeap接口指针，同时保存在 SurfaceComposerClient的成员变量mControlMemory中；
  • 继续通过IMemoryHeap接口的getBase ()方法获取共享内存的首地址，转换为SharedClient指针后保存在SurfaceComposerClient的成员变量mControl中；
  • 至此，SurfaceComposerClient的成员变量mControl和SurfaceFlinger::Client.ctrlblk 指向了同一个内存块，该内存块上就是SharedClient对象。
2. SharedBufferStack、SharedBufferServer、SharedBufferClient

SharedClient对象中有一个SharedBufferStack数组：

SharedBufferStack surfaces[ NUM_LAYERS_MAX ];

NUM_LAYERS_MAX 被定义为31，这样保证了SharedClient对象的大小正好满足4KB的要求。创建一个新的Surface时，进入SurfaceFlinger的 createSurface函数后，先取在createConnection阶段创建的Client对象，通过Client在 0--NUM_LAYERS_MAX 之间取得一个尚未被使用的编号，这个编号实际上就是SharedBufferStack数组的索引：

[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. int32_t id = client->generateId(pid);
[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. int32_t
  2. id = client->generateId(pid);
int32_t id = client->generateId(pid);

然后以Client对象和索引值以及其他参数，创建不同类型的Layer对象，一普通的Layer对象为例：

[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. layer = createNormalSurfaceLocked(client, d, id,
  2. w, h, flags, format);
[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. layer
  2. = createNormalSurfaceLocked(client, d, id,
  3. w, h, flags, format);
layer = createNormalSurfaceLocked(client, d, id, w, h, flags, format);

在createNormalSurfaceLocked中创建Layer对象：

[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. sp layer = new Layer(this, display, client, id);
[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. sp
  2. layer = new Layer(this, display, client, id);
sp layer = new Layer(this, display, client, id);

构造Layer时会先构造的父类LayerBaseClient，LayerBaseClient中创建了SharedBufferServer对象，SharedBufferStack 数组的索引值和SharedClient被传入SharedBufferServer对象中。

[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. LayerBaseClient::LayerBaseClient(SurfaceFlinger* flinger, DisplayID display,
  2. const sp& client, int32_t i)
  3. : LayerBase(flinger, display), lcblk(NULL), client(client), mIndex(i),
  4. mIdentity(uint32_t(android_atomic_inc(&sIdentity)))
  5. {
  6. lcblk = new SharedBufferServer(
  7. client->ctrlblk, i, NUM_BUFFERS,
  8. mIdentity);
  9. }
[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. LayerBaseClient::LayerBaseClient(SurfaceFlinger*
  2. flinger, DisplayID display,
  3. const sp& client, int32_t i)
  4. : LayerBase(flinger, display), lcblk(NULL), client(client),
  5. mIndex(i),
  6. mIdentity(uint32_t(android_atomic_inc(&sIdentity)))
  7. {
  8. lcblk = new SharedBufferServer(
  9. client->ctrlblk, i, NUM_BUFFERS,
  10. mIdentity);
  11. }
LayerBaseClient::LayerBaseClient(SurfaceFlinger* flinger, DisplayID display, const sp& client, int32_t i) : LayerBase(flinger, display), lcblk(NULL), client(client), mIndex(i), mIdentity(uint32_t(android_atomic_inc(&sIdentity))) { lcblk = new SharedBufferServer( client->ctrlblk, i, NUM_BUFFERS, mIdentity); }

自此，Layer通过lcblk成员变量(SharedBufferServer)和SharedClient共享内存区建立了关联，并且每个Layer 对应于SharedBufferStack 数组中的一项。

回到SurfaceFlinger的客户端Surface.cpp中，Surface的构造函数如下：

[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. Surface::Surface(const sp& surface)
  2. : mClient(surface->mClient), mSurface(surface->mSurface),
  3. mToken(surface->mToken), mIdentity(surface->mIdentity),
  4. mFormat(surface->mFormat), mFlags(surface->mFlags),
  5. mBufferMapper(GraphicBufferMapper::get()), mSharedBufferClient(NULL),
  6. mWidth(surface->mWidth), mHeight(surface->mHeight)
  7. {
  8. mSharedBufferClient = new SharedBufferClient(
  9. mClient->mControl, mToken, 2, mIdentity);
  11. init();
  12. }
[c-sharp] view plaincopyprint?
  1. Surface::Surface(const
  2. sp& surface)
  3. : mClient(surface->mClient), mSurface(surface->mSurface),
  4. mToken(surface->mToken), mIdentity(surface->mIdentity),
  5. mFormat(surface->mFormat), mFlags(surface->mFlags),
  6. mBufferMapper(GraphicBufferMapper::get()),
  7. mSharedBufferClient(NULL),
  8. mWidth(surface->mWidth), mHeight(surface->mHeight)
  9. {
  10. mSharedBufferClient = new SharedBufferClient(
  11. mClient->mControl, mToken, 2, mIdentity);
  13. init();
  14. }
Surface::Surface(const sp& surface) : mClient(surface->mClient), mSurface(surface->mSurface), mToken(surface->mToken), mIdentity(surface->mIdentity), mFormat(surface->mFormat), mFlags(surface->mFlags), mBufferMapper(GraphicBufferMapper::get()), mSharedBufferClient(NULL), mWidth(surface->mWidth), mHeight(surface->mHeight) { mSharedBufferClient = new SharedBufferClient( mClient->mControl, mToken, 2, mIdentity); init(); }

SharedBufferClient构造参数mClient->mControl就是共享内存块中的SharedClient对象，mToken就是SharedBufferStack 数组索引值。

到这里我们终于知道，Surface中的 mSharedBufferClient成员和Layer中的lcblk成员(SharedBufferServer)，通过SharedClient中的同一个SharedBufferStack，共同管理着Surface（Layer）中的两个缓冲区

补充一点上面说的逻辑结构都是针对一个APK和surfaceflinger来说的。


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