更系统的SurfaceFlinger思路以及代码追踪

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，J***A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J***A层，完成SurfaceSession的建立。



2. 利用SurfaceSession创建Surface

J***A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J***A层。



由此得到以下结果：

J***A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J***A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?

void SurfaceComposerClient::_init(
const sp<ISurfaceComposer>& sm, const sp<ISurfaceFlingerClient>& conn)
{
......
mClient = conn;
if (mClient == 0) {
mStatus = NO_INIT;
return;
}

mControlMemory = mClient->getControlBlock();
mSignalServer = sm;
mControl = static_cast<SharedClient *>(mControlMemory->getBase());
}

void 
SurfaceComposerClient::_init(
        const sp<ISurfaceComposer>& sm, const 
sp<ISurfaceFlingerClient>& conn)
{
    ......
    mClient = conn;
    if (mClient == 0) {
        mStatus = NO_INIT;
        return;
    }

    mControlMemory = mClient->getControlBlock();
    mSignalServer = sm;
    mControl = static_cast<SharedClient 
*>(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J***A层并看不到这两个缓冲区，J***A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J***A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J***A 层，这样J***A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

J***A层调用unlockCanvasAndPost
进入本地代码：Surface_unlockCanvasAndPost
本地代码利用J***A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?

sp<ISurfaceFlingerClient> SurfaceFlinger::createConnection()
{
Mutex::Autolock _l(mStateLock);
uint32_t token = mTokens.acquire();

sp<Client> 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> bclient =
new BClient(this, token, client->getControlBlockMemory());
return bclient;
}

sp<ISurfaceFlingerClient>
 SurfaceFlinger::createConnection()
{
    Mutex::Autolock _l(mStateLock);
    uint32_t token = mTokens.acquire();

    sp<Client> 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> 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?

Client::Client(ClientID clientID, const sp<SurfaceFlinger>& 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<SharedClient *>(mCblkHeap->getBase());
if (ctrlblk) { // construct the shared structure in-place.
new(ctrlblk) SharedClient;
}
}

Client::Client(ClientID
 clientID, const sp<SurfaceFlinger>& 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<SharedClient 
*>(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?

int32_t 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?

layer = createNormalSurfaceLocked(client, d, id,
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?

sp<Layer> layer = new Layer(this, display, client, id);

sp<Layer>
 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?

LayerBaseClient::LayerBaseClient(SurfaceFlinger* flinger, DisplayID display,
const sp<Client>& 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);
}

LayerBaseClient::LayerBaseClient(SurfaceFlinger*
 flinger, DisplayID display,
        const sp<Client>& 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?

Surface::Surface(const sp<SurfaceControl>& 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();
}

Surface::Surface(const
 sp<SurfaceControl>& 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。