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Android SurfaceFlinger中的SharedClient -- 客戶端（Surface）和服務端（Layer）之間的顯示緩沖區管理

編輯：Android開發實例

    SurfaceFlinger在系統啟動階段作為系統服務被加載。應用程序中的每個窗口，對應本地代碼中的Surface，而Surface又對應於SurfaceFlinger中的各個Layer，SurfaceFlinger的主要作用是為這些Layer申請內存，根據應用程序的請求管理這些Layer顯示、隱藏、重畫等操作，最終由SurfaceFlinger把所有的Layer組合到一起，顯示到顯示器上。當一個應用程序需要在一個Surface上進行畫圖操作時，首先要拿到這個Surface在內存中的起始地址，而這塊內存是在SurfaceFlinger中分配的，因為SurfaceFlinger和應用程序並不是運行在同一個進程中，如何在應用客戶端（Surface）和服務端（SurfaceFlinger - Layer）之間傳遞和同步顯示緩沖區？這正是本文要討論的內容。

Surface的創建過程

我們先看看Android如何創建一個Surface，下面的序列圖展示了整個創建過程。

                                                              圖一   Surface的創建過程

創建Surface的過程基本上分為兩步：

1. 建立SurfaceSession

第一步通常只執行一次，目的是創建一個SurfaceComposerClient的實例，JAVA層通過JNI調用本地代碼，本地代碼創建一個SurfaceComposerClient的實例，SurfaceComposerClient通過ISurfaceComposer接口調用SurfaceFlinger的createConnection，SurfaceFlinger返回一個ISurfaceFlingerClient接口給SurfaceComposerClient，在createConnection的過程中，SurfaceFlinger創建了用於管理緩沖區切換的SharedClient，關於SharedClient我們下面再介紹，最後，本地層把SurfaceComposerClient的實例返回給JAVA層，完成SurfaceSession的建立。

2. 利用SurfaceSession創建Surface

JAVA層通過JNI調用本地代碼Surface_Init()，本地代碼首先取得第一步創建的SurfaceComposerClient實例，通過SurfaceComposerClient，調用ISurfaceFlingerClient接口的createSurface方法，進入SurfaceFlinger，SurfaceFlinger根據參數，創建不同類型的Layer，然後調用Layer的setBuffers()方法，為該Layer創建了兩個緩沖區，然後返回該Layer的ISurface接口，SurfaceComposerClient使用這個ISurface接口創建一個SurfaceControl實例，並把這個SurfaceControl返回給JAVA層。

由此得到以下結果：

  • JAVA層的Surface實際上對應於本地層的SurfaceControl對象，以後本地代碼可以使用JAVA傳入的SurfaceControl對象，通過SurfaceControl的getSurface方法，獲得本地Surface對象；
  • Android為每個Surface分配了兩個圖形緩沖區，以便實現Page-Flip的動作；
  • 建立SurfaceSession時，SurfaceFlinger創建了用於管理兩個圖形緩沖區切換的SharedClient對象，SurfaceComposerClient可以通過ISurfaceFlingerClient接口的getControlBlock()方法獲得這個SharedClient對象，查看SurfaceComposerClient的成員函數_init:
  1. void SurfaceComposerClient::_init(  
  2.         const sp<ISurfaceComposer>& sm, const sp<ISurfaceFlingerClient>& conn)  
  3. {  
  4.     ......  
  5.     mClient = conn;  
  6.     if (mClient == 0) {  
  7.         mStatus = NO_INIT;  
  8.         return;  
  9.     }  
  10.  
  11.     mControlMemory = mClient->getControlBlock();  
  12.     mSignalServer = sm;  
  13.     mControl = static_cast<SharedClient *>(mControlMemory->getBase());  
  14. }  

 

 

獲得Surface對應的顯示緩沖區

雖然在SurfaceFlinger在創建Layer時已經為每個Layer申請了兩個緩沖區，但是此時在JAVA層並看不到這兩個緩沖區，JAVA層要想在Surface上進行畫圖操作，必須要先把其中的一個緩沖區綁定到Canvas中，然後所有對該Canvas的畫圖操作最後都會畫到該緩沖區內。下圖展現了綁定緩沖區的過程：

                                                                            圖二  綁定緩沖區的過程

    開始在Surface畫圖前，Surface.java會先調用lockCanvas()來得到要進行畫圖操作的Canvas，lockCanvas會進一步調用本地層的Surface_lockCanvas，本地代碼利用JAVA層傳入的SurfaceControl對象，通過getSurface()取得本地層的Surface對象，接著調用該Surface對象的lock()方法，lock()返回了改Surface的信息，其中包括了可用緩沖區的首地址vaddr，該vaddr在Android的2D圖形庫Skia中，創建了一個bitmap，然後通過Skia庫中Canvas的API：Canvas.setBitmapDevice(bitmap)，把該bitmap綁定到Canvas中，最後把這個Canvas返回給JAVA層，這樣JAVA層就可以在該Canvas上進行畫圖操作，而這些畫圖操作最終都會畫在以vaddr為首地址的緩沖區中。

    再看看在Surface的lock()方法中做了什麼：

  • dequeueBuffer(&backBuffer)獲取backBuffer
    • SharedBufferClient->dequeue()獲得當前空閒緩沖區的編號
    • 通過緩沖區編號獲得真正的GraphicBuffer:backBuffer
    • 如果還沒有對Layer中的buffer進行映射（Mapper），getBufferLocked通過ISurface接口重新重新映射
  • 獲取frontBuffer
  • 根據兩個Buffer的更新區域，把frontBuffer的內容拷貝到backBuffer中，這樣保證了兩個Buffer中顯示內容的同步
  • backBuffer->lock() 獲得backBuffer緩沖區的首地址vaddr
  • 通過info參數返回vaddr

釋放Surface對應的顯示緩沖區

畫圖完成後，要想把Surface的內容顯示到屏幕上，需要把Canvas中綁定的緩沖區釋放，並且把該緩沖區從變成可投遞（因為默認只有兩個buffer，所以實際上就是變成了frontBuffer），SurfaceFlinger的工作線程會在適當的刷新時刻，把系統中所有的frontBuffer混合在一起，然後通過OpenGL刷新到屏幕上。下圖展現了解除綁定緩沖區的過程：

                                                                 圖三  解除綁定緩沖區的過程

  • JAVA層調用unlockCanvasAndPost
  • 進入本地代碼：Surface_unlockCanvasAndPost
  • 本地代碼利用JAVA層傳入的SurfaceControl對象，通過getSurface()取得本地層的Surface對象
  • 綁定一個空的bitmap到Canvas中
  • 調用Surface的unlockAndPost方法
    • 調用GraphicBuffer的unlock()，解鎖緩沖區
    • 在queueBuffer()調用了SharedBufferClient的queue()，把該緩沖區更新為可投遞狀態

SharedClient 和 SharedBufferStack

從前面的討論可以看到，Canvas綁定緩沖區時，要通過SharedBufferClient的dequeue方法取得空閒的緩沖區，而解除綁定並提交緩沖區投遞時，最後也要調用SharedBufferClient的queue方法通知SurfaceFlinger的工作線程。實際上，在SurfaceFlinger裡，每個Layer也會關聯一個SharedBufferServer，SurfaceFlinger的工作線程通過SharedBufferServer管理著Layer的緩沖區，在SurfaceComposerClient建立連接的階段，SurfaceFlinger就已經為該連接創建了一個SharedClient 對象，SharedClient 對象中包含了一個SharedBufferStack數組，數組的大小是31，每當創建一個Surface，就會占用數組中的一個SharedBufferStack，然後SurfaceComposerClient端的Surface會創建一個SharedBufferClient和該SharedBufferStack關聯，而SurfaceFlinger端的Layer也會創建SharedBufferServer和SharedBufferStack關聯，實際上每對SharedBufferClient/SharedBufferServer是控制著同一個SharedBufferStack對象，通過SharedBufferStack，保證了負責對Surface的畫圖操作的應用端和負責刷新屏幕的服務端（SurfaceFlinger）可以使用不同的緩沖區，並且讓他們之間知道對方何時鎖定/釋放緩沖區。

SharedClient和SharedBufferStack的代碼和頭文件分別位於：

\frameworks\base\libs\surfaceflinger_client\SharedBufferStack.cpp

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

                                                                       圖四    客戶端和服務端緩沖區管理

     繼續研究SharedClient、SharedBufferStack、SharedBufferClient、SharedBufferServer的誕生過程。

    1. SharedClient

  •     在createConnection階段，SurfaceFlinger創建Client對象：

 

  1. sp<ISurfaceFlingerClient> SurfaceFlinger::createConnection()  
  2. {  
  3.     Mutex::Autolock _l(mStateLock);  
  4.     uint32_t token = mTokens.acquire();  
  5.  
  6.     sp<Client> 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> bclient =  
  17.         new BClient(this, token, client->getControlBlockMemory());  
  18.     return bclient;  
  19. } 
 

 

  • 再進入Client的構造函數中，它分配了4K大小的共享內存，並在這塊內存上構建了SharedClient對象：

 

  1. Client::Client(ClientID clientID, const sp<SurfaceFlinger>& 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));  
  6.  
  7.     mCblkHeap = new MemoryHeapBase(cblksize, 0,  
  8.             "SurfaceFlinger Client control-block");  
  9.  
  10.     ctrlblk = static_cast<SharedClient *>(mCblkHeap->getBase());  
  11.     if (ctrlblk) { // construct the shared structure in-place.  
  12.         new(ctrlblk) SharedClient;  
  13.     }  
  14. } 
 

 

  • 回到createConnection中，通過Client的getControlBlockMemory()方法獲得共享內存塊的IMemoryHeap接口，接著創建ISurfaceFlingerClient的子類BClient，BClient的成員變量mCblk保存了IMemoryHeap接口指針；
  • 把BClient返回給SurfaceComposerClient，SurfaceComposerClient通過ISurfaceFlingerClient接口的getControlBlock()方法獲得IMemoryHeap接口指針，同時保存在SurfaceComposerClient的成員變量mControlMemory中；
  • 繼續通過IMemoryHeap接口的getBase ()方法獲取共享內存的首地址，轉換為SharedClient指針後保存在SurfaceComposerClient的成員變量mControl中；
  • 至此，SurfaceComposerClient的成員變量mControl和SurfaceFlinger::Client.ctrlblk指向了同一個內存塊，該內存塊上就是SharedClient對象。 

    2. SharedBufferStack、SharedBufferServer、SharedBufferClient

    SharedClient對象中有一個SharedBufferStack數組：

    SharedBufferStack surfaces[ NUM_LAYERS_MAX ];

    NUM_LAYERS_MAX 被定義為31，這樣保證了SharedClient對象的大小正好滿足4KB的要求。創建一個新的Surface時，進入SurfaceFlinger的createSurface函數後，先取在createConnection階段創建的Client對象，通過Client在0--NUM_LAYERS_MAX 之間取得一個尚未被使用的編號，這個編號實際上就是SharedBufferStack數組的索引：

 

int32_t id = client->generateId(pid);  

  

 

 然後以Client對象和索引值以及其他參數，創建不同類型的Layer對象，一普通的Layer對象為例：

 

  1. layer = createNormalSurfaceLocked(client, d, id,  
  2.                         w, h, flags, format); 
 

 

在createNormalSurfaceLocked中創建Layer對象：

 

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

 

 

構造Layer時會先構造的父類LayerBaseClient，LayerBaseClient中創建了SharedBufferServer對象，SharedBufferStack 數組的索引值和SharedClient被傳入SharedBufferServer對象中。

 

  1. LayerBaseClient::LayerBaseClient(SurfaceFlinger* flinger, DisplayID display,  
  2.         const sp<Client>& 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. } 
 

 

    自此，Layer通過lcblk成員變量(SharedBufferServer)和SharedClient共享內存區建立了關聯，並且每個Layer對應於SharedBufferStack 數組中的一項。

    回到SurfaceFlinger的客戶端Surface.cpp中，Surface的構造函數如下：

 

  1. Surface::Surface(const sp<SurfaceControl>& 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);  
  10.  
  11.     init();  
  12. }  
 

 

SharedBufferClient構造參數mClient->mControl就是共享內存塊中的SharedClient對象，mToken就是SharedBufferStack 數組索引值。

到這裡我們終於知道，Surface中的mSharedBufferClient成員和Layer中的lcblk成員(SharedBufferServer)，通過SharedClient中的同一個SharedBufferStack，共同管理著Surface（Layer）中的兩個緩沖區。

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