Android显示原理

一、概要

Android应用程序显示的过程：Android应用程序调用SurfaceFlinger服务把经过测量、布局和绘制后的Surface渲染到显示屏幕上。

SurfaceFlinger：android系统服务，负责管理android系统的帧缓冲区，即显示屏幕。
Surface：android应用的每个窗口对应一个画布（Canvas），即Surface，可以理解为android应用程序的一个窗口。

Android应用程序的显示过程包含了两个部分（应用侧绘制、系统侧渲染）、两个机制（进程间通讯机制、显示刷新机制）。

二、应用侧绘制

一个android应用程序窗口里面包含了很多UI元素，这些元素是以树形结构来组织的，即它们存在着父子关系，其中，子UI元素位于父UI元素里面。

因此，在绘制一个android应用程序窗口的UI之前，首先要确定里面的各个子UI元素在父UI元素里面的大小和位置。确定各个子UI元素在父UI元素里面的大小以及位置的过程有称为测量过程和布局过程。因此，android应用程序窗口的UI渲染过程可以分为测量、布局和绘制三个阶段。

测量：递归（深度优先）确定所有视图的大小（宽、高）
布局：递归（深度优先）确定所有视图的位置（左上角坐标）
绘制：在画布canvas绘制应用程序窗口的所有视图

三、系统侧渲染

android应用程序在图形缓冲区中绘制好View层次结构后，这个图形缓冲区会被交给SurfaceFlinger服务，而SurfaceFlinger服务再使用OpenGL图形库API来将这个图形缓冲区渲染到硬件帧缓冲区中。

android图像显示的底层原理：

CPU：作用是计算图片的形状和文字的纹体
GPU：功能是渲染图像的颜色
Display：屏幕显示图像
Vsync：垂直同步信号，显卡输出频率与屏幕刷新频率同步的信号
android图像在绘制的时候，首先是CPU计算出图像形状，计算完成CPU会将图像交给GPU渲染出颜色，如果这一切都能够在16ms内完成，那么在下一个VSync出现时，就能显示刚刚渲染出来的那一帧图像了。但是如果CPU和GPU处理一帧图像时间超过16ms，那么这帧图像只能等到第二个VSync出现时才能刷出屏幕，呈现给用户了，这就意味着用户在32ms内所看到的是同一帧图像，这就是所谓的掉帧，也就是卡顿了。

四、进程间通讯机制

android应用程序为了能够将自己的UI绘制在系统的帧缓冲区上，它们就必须要与Surface服务进行通信。
android应用程序与SurfaceFlinger服务是运行在不同的进程中的，因此，它们采用某种进程间通信机制来进行通信。由于android应用程序在通知SurfaceFlinger服务来绘制自己的UI的时候，需要将UI数据传递给SurfaceFlinger服务，例如，要绘制UI的区域、位置等信息。一个android应用程序可能会有很多个窗口，而每一个窗口都有自己的UI数据，因此，android系统的匿名共享内存机制就派上用场了。

每一个android应用程序与SurfaceFlinger服务之间，都会通过一块匿名共享内存来传递UI数据。但是单纯的匿名共享内存在传递多个窗口数据时缺乏有效的管理，所以匿名共享内存就被抽象为一个更上流的数据结构SharedClient。

在每个SharedClient中，最多有31个SharedBufferStack，每个SharedBufferStack都对应一个Surface，即一个窗口。一个SharedClient对应一个android应用程序，而一个android应用程序可能包含多个窗口，但至多可以包含31个窗口。每个SharedBufferStack中又包含了N个缓冲区（android4.1以下，N = 2，4.1以上，N = 3），即显示刷新机制中即将提到的双缓冲和三缓冲技术。

五、显示刷新机制

一般我们在绘制UI的时候，都会采用一种称为“双缓冲”的技术。双缓冲意味着要使用两个缓冲区，其中一个被称为Front Buffer，另外一个被称为Back Buffer。UI总是先在Back Buffer中绘制，然后再和Front Buffer交换，渲染到显示设备中。在android4.1中引入了VSync，这类似于时钟中断，每收到VSync中断，CPU就开始处理各帧数据。
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