SurfaceFlinger详解

SurfaceFlinger的定义

  1. 大多数应用在屏幕上一次显示三个层:屏幕顶部的状态栏、底部或侧面的导航栏以及应用界面。有些应用会拥有更多或更少的层(例如,默认主屏幕应用有一个单独的壁纸层,而全屏游戏可能会隐藏状态栏)。每个层都可以单独更新。状态栏和导航栏由系统进程渲染,而应用层由应用渲染,两者之间不进行协调。
  2. 设备显示会按一定速率刷新,在手机和平板电脑上通常为 60 fps。如果显示内容在刷新期间更新,则会出现撕裂现象;因此,请务必只在周期之间更新内容。在可以安全更新内容时,系统便会收到来自显示设备的信号。由于历史原因,我们将该信号称为 VSYNC 信号。
  3. 刷新率可能会随时间而变化,例如,一些移动设备的帧率范围在 58 fps 到 62 fps 之间,具体要视当前条件而定。对于连接了 HDMI 的电视,刷新率在理论上可以下降到 24 Hz 或 48 Hz,以便与视频相匹配。由于每个刷新周期只能更新屏幕一次,因此以 200 fps 的帧率为显示设备提交缓冲区就是一种资源浪费,因为大多数帧会被舍弃掉。SurfaceFlinger 不会在应用每次提交缓冲区时都执行操作,而是在显示设备准备好接收新的缓冲区时才会唤醒。
  4. 当 VSYNC 信号到达时,SurfaceFlinger 会遍历它的层列表,以寻找新的缓冲区。如果找到新的缓冲区,它会获取该缓冲区;否则,它会继续使用以前获取的缓冲区。SurfaceFlinger 必须始终显示内容,因此它会保留一个缓冲区。如果在某个层上没有提交缓冲区,则该层会被忽略。
  5. SurfaceFlinger 在收集可见层的所有缓冲区之后,便会询问 Hardware Composer 应如何进行合成。

下面是上述流程所对应的流程图, 简单地说, SurfaceFlinger 最主要的功能:SurfaceFlinger 接受来自多个来源的数据缓冲区,对它们进行合成(其实sf就是负责图像合成的核心模块, 只是一个图层的决策者和分发者,不参与图层的合成,既不具备有图像合成的能力),然后发送到显示设备。

SurfaceFlinger详解_第1张图片

那么 Systrace 中,我们关注的重点就是上面这幅图对应的部分

  1. App 部分
  2. BufferQueue 部分
  3. SurfaceFlinger 部分
  4. HWComposer 部分

这四部分,在 Systrace 中都有可以对应的地方,以时间发生的顺序排序就是 1、2、3、4,下面我们从 Systrace 的这四部分来看整个渲染的流程。

负责图像合成的核心模块是 负责图像合成的节奏和合成策略的分配。
具有图像合成的能力的模块有两个:

  • GPU:Graphics Processing Unit,图形处理器
  • HWC:HardWare Composer,硬件合成器,显示子系统的硬件抽象层

App 部分

关于 App 部分,其主要的流程如下图:

SurfaceFlinger详解_第2张图片

从 SurfaceFlinger 的角度来看,App 部分主要负责生产 SurfaceFlinger 合成所需要的 Surface。

App 与 SurfaceFlinger 的交互主要集中在三点

  1. Vsync 信号的接收和处理
  2. RenderThread 的 dequeueBuffer
  3. RenderThread 的 queueBuffer

Vsync 信号的接收和处理

App 和 SurfaceFlinger 的第一个交互点就是 Vsync 信号的请求和接收,如上图中第一条标识,Vsync-App 信号到达,就是指的是 SurfaceFlinger 的 Vsync-App 信号。应用收到这个信号后,开始一帧的渲染准备

SurfaceFlinger详解_第3张图片

RenderThread 的 dequeueBuffer

dequeue 有出队的意思,dequeueBuffer 顾名思义,就是从队列中拿出一个 Buffer,这个队列就是 SurfaceFlinger 中的 BufferQueue。如下图,应用开始渲染前,首先需要通过 Binder 调用从 SurfaceFlinger 的 BufferQueue 中获取一个 Buffer,其流程如下:

App 端的 Systrace 如下所示

SurfaceFlinger详解_第4张图片

SurfaceFlinger 端的 Systrace 如下所示

SurfaceFlinger详解_第5张图片 

RenderThread 的 queueBuffer

queue 有入队的意思,queueBuffer 顾名思义就是讲 Buffer 放回到 BufferQueue,App 处理完 Buffer 后(写入具体的 drawcall),会把这个 Buffer 通过 eglSwapBuffersWithDamageKHR -> queueBuffer 这个流程,将 Buffer 放回 BufferQueue,其流程如下

App 端的 Systrace 如下所示

SurfaceFlinger详解_第6张图片

 SurfaceFlinger 端的 Systrace 如下所示

SurfaceFlinger详解_第7张图片

通过上面三部分,大家应该对下图中的流程会有一个比较直观的了解了

SurfaceFlinger详解_第8张图片 

BufferQueue 部分 

BufferQueue 部分如下图,结合上面那张图,每个有显示界面的进程对应一个 BufferQueue,使用方创建并拥有 BufferQueue 数据结构,并且可存在于与其生产方不同的进程中,BufferQueue 工作流程如下:

SurfaceFlinger详解_第9张图片

上图主要是 dequeue、queue、acquire、release ,在这个例子里面,App 是生产者,负责填充显示缓冲区(Buffer);SurfaceFlinger 是消费者,将各个进程的显示缓冲区做合成操作

  1. dequeue(生产者发起) : 当生产者需要缓冲区时,它会通过调用 dequeueBuffer() 从 BufferQueue 请求一个可用的缓冲区,并指定缓冲区的宽度、高度、像素格式和使用标记。
  2. queue(生产者发起):生产者填充缓冲区并通过调用 queueBuffer() 将缓冲区返回到队列。
  3. acquire(消费者发起) :消费者通过 acquireBuffer() 获取该缓冲区并使用该缓冲区的内容
  4. release(消费者发起) :当消费者操作完成后,它会通过调用 releaseBuffer() 将该缓冲区返回到队列

SurfaceFlinger 部分 

工作流程

从最前面我们知道 SurfaceFlinger 的主要工作就是合成:

当 VSYNC 信号到达时,SurfaceFlinger 会遍历它的层列表,以寻找新的缓冲区。如果找到新的缓冲区,它会获取该缓冲区;否则,它会继续使用以前获取的缓冲区。SurfaceFlinger 必须始终显示内容,因此它会保留一个缓冲区。如果在某个层上没有提交缓冲区,则该层会被忽略。SurfaceFlinger 在收集可见层的所有缓冲区之后,便会询问 Hardware Composer 应如何进行合成。

其 Systrace 主线程可用看到其主要是在收到 Vsync 信号后开始工作

SurfaceFlinger详解_第10张图片

其对应的代码如下,主要是处理两个 Message

  1. MessageQueue::INVALIDATE — 主要是执行 handleMessageTransaction 和 handleMessageInvalidate 这两个方法
  2. MessageQueue::REFRESH — 主要是执行 handleMessageRefresh 方法

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp

//handleMessageInvalidate 实现如下
bool SurfaceFlinger::handleMessageInvalidate() {
 ATRACE_CALL();
 bool refreshNeeded = handlePageFlip();

 if (mVisibleRegionsDirty) {
 computeLayerBounds();
 if (mTracingEnabled) {
 mTracing.notify("visibleRegionsDirty");
 }
 }

 for (auto& layer : mLayersPendingRefresh) {
 Region visibleReg;
 visibleReg.set(layer->getScreenBounds());
 invalidateLayerStack(layer, visibleReg);
 }
 mLayersPendingRefresh.clear();
 return refreshNeeded;
}

//handleMessageRefresh 实现如下, SurfaceFlinger 的大部分工作都是在handleMessageRefresh 中发起的
void SurfaceFlinger::handleMessageRefresh() {
 ATRACE_CALL();

handleMessageRefresh 中按照重要性主要有下面几个功能

  1. 准备工作
    1. preComposition();
    2. rebuildLayerStacks();
    3. calculateWorkingSet();
  2. 合成工作
    1. begiFrame(display);
    2. prepareFrame(display);
    3. doDebugFlashRegions(display, repaintEverything);
    4. doComposition(display, repaintEverything);
  3. 收尾工作
    1. logLayerStats();
    2. postFrame();
    3. postComposition();

由于显示系统有非常庞大的细节,这里就不一一进行讲解了,如果你的工作在这一部分,那么所有的流程都需要熟悉并掌握,如果只是想熟悉流程,那么不需要太深入,知道 SurfaceFlinger 的主要工作逻辑即可

掉帧

通常我们通过 Systrace 判断应用是否掉帧的时候,一般是直接看 SurfaceFlinger 部分,主要是下面几个步骤

  1. SurfaceFlinger 的主线程在每个 Vsync-SF 的时候是否没有合成?
  2. 如果没有合成操作,那么需要看没有合成的原因:
    1. 因为 SurfaceFlinger 检查发现没有可用的 Buffer 而没有合成操作?
    2. 因为 SurfaceFlinger 被其他的工作占用(比如截图、HWC 等)?
  3. 如果有合成操作,那么需要看对应的 App 的 可用 Buffer 个数是否正常:如果 App 此时可用 Buffer 为 0,那么看 App 端为何没有及时 queueBuffer(这就一般是应用自身的问题了),因为 SurfaceFlinger 合成操作触发可能是其他的进程有可用的 Buffer

 HWComposer 部分

关于 HWComposer 的功能部分介绍如下:

  1. Hardware Composer HAL (HWC) 用于确定通过可用硬件来合成缓冲区的最有效方法。作为 HAL,其实现是特定于设备的,而且通常由显示设备硬件原始设备制造商 (OEM) 完成。
  2. 当您考虑使用叠加平面时,很容易发现这种方法的好处,它会在显示硬件(而不是 GPU)中合成多个缓冲区。例如,假设有一部普通 Android 手机,其屏幕方向为纵向,状态栏在顶部,导航栏在底部,其他区域显示应用内容。每个层的内容都在单独的缓冲区中。您可以使用以下任一方法处理合成(后一种方法可以显著提高效率):
    1. 将应用内容渲染到暂存缓冲区中,然后在其上渲染状态栏,再在其上渲染导航栏,最后将暂存缓冲区传送到显示硬件。
    2. 将三个缓冲区全部传送到显示硬件,并指示它从不同的缓冲区读取屏幕不同部分的数据。
  3. 显示处理器功能差异很大。叠加层的数量(无论层是否可以旋转或混合)以及对定位和叠加的限制很难通过 API 表达。为了适应这些选项,HWC 会执行以下计算(由于硬件供应商可以定制决策代码,因此可以在每台设备上实现最佳性能):
    1. SurfaceFlinger 向 HWC 提供一个完整的层列表,并询问“您希望如何处理这些层?”
    2. HWC 的响应方式是将每个层标记为叠加层或 GLES 合成。
    3. SurfaceFlinger 会处理所有 GLES 合成,将输出缓冲区传送到 HWC,并让 HWC 处理其余部分。
  4. 当屏幕上的内容没有变化时,叠加平面的效率可能会低于 GL 合成。当叠加层内容具有透明像素且叠加层混合在一起时,尤其如此。在此类情况下,HWC 可以选择为部分或全部层请求 GLES 合成,并保留合成的缓冲区。如果 SurfaceFlinger 返回来要求合成同一组缓冲区,HWC 可以继续显示先前合成的暂存缓冲区。这可以延长闲置设备的电池续航时间。
  5. 运行 Android 4.4 或更高版本的设备通常支持 4 个叠加平面。尝试合成的层数多于叠加层数会导致系统对其中一些层使用 GLES 合成,这意味着应用使用的层数会对能耗和性能产生重大影响。

我们继续接着看 SurfaceFlinger 主线程的部分,对应上面步骤中的第三步,下图可以看到 SurfaceFlinger 与 HWC 的通信部分

SurfaceFlinger详解_第11张图片

这也对应了最上面那张图的后面部分 

SurfaceFlinger详解_第12张图片

不过这其中的细节非常多,这里就不详细说了。至于为什么要提 HWC,因为 HWC 不仅是渲染链路上重要的一环,其性能也会影响整机的性能。

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