android Gui系统之SurfaceFlinger(1)

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：

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