BufferQueue 和 gralloc

理解 Android 图形系统,我们从场景背后的 BufferQueue 和 gralloc HAL 开始。

BufferQueue 类是 Android 中所有图形的核心。它的角色很简单:连接产生图形数据缓冲区的东西(生产者)和接受数据来显示或进一步处理的东西(消费者)。几乎所有在系统中移动图形数据缓冲区的东西都依赖于 BufferQueue。

gralloc 内存分配器执行缓冲区分配,且通过一个供应商特有的 HAL 接口(参考 hardware/libhardware/include/hardware/gralloc.h)实现。alloc() 期待接收的参数为 (width, height, pixel format) 及一系列使用标记(下面详述)。

BufferQueue 生产者和消费者

基本的用法很直接:生产者请求一块空闲的缓冲区 (dequeueBuffer()),指定一系列特性,包括宽度,高度,像素格式,和使用标记。生产者填充缓冲区,并将它返回给队列 (queueBuffer())。随后,消费者获得缓冲区(acquireBuffer()) 并使用缓冲区的内容。当消费者完成时,它将缓冲区返回给队列(releaseBuffer())。

最近 Android 设备支持 同步框架,这使得系统可以与能够异步处理图形数据的硬件组件结合使用。比如,生产者可以提交一系列 OpenGL ES 绘制命令,然后在渲染完成之前加入输出缓冲区队列。缓冲区伴随着内容准备就绪时发出信号的栅栏。当缓冲区返回到空闲列表时,第二个栅栏随附缓冲区,因此消费者可以释放缓冲区,同时内容仍在使用中。当缓冲区移动通过系统时,这种方法可以提升延迟和吞吐量。

队列的一些特性,比如它可以持有的最大缓冲区数量,由生产者和消费者联合决定。然而,BufferQueue 负责根据需要分配缓冲区。除非特性改变,否则缓冲区将保留;比如,如果生产者请求了一个大小不同的缓冲区,老的缓冲区将释放,新的缓冲区将根据需要分配。

生产者和消费者可以位于不同的进程中。当前,消费者总是创建并拥有数据结构。在更老的版本中,只有生产者一端是 binder 化的 (比如生产者可以在一个远程进程中,但消费者必须位于队列创建的进程中)。Android 4.4 及之后的发行版采用了一个更加通用的实现。

BufferQueue 从来不拷贝缓冲区的内容 (像那样移动大量数据将是非常低效的)。相反,缓冲区总是通过句柄传递。

gralloc HAL 使用标记

gralloc 分配器不仅仅是另外一种在本地堆上分配内存的方式;在某些情形下,分配的内存可能不是高速缓存一致的,或者可能完全不能从用户空间访问。分配的性质由使用标记决定,这包括这样的一些属性:

  • 从软件访问内存的频率有多高 (CPU)
  • 从硬件访问内存的频率有多高 (GPU)
  • 内存是否会被用作 OpenGL ES (GLES) 纹理
  • 内存是否会被视频编码器使用

比如,如果你的格式指定 RGBA 8888 像素,然后你指出缓冲区将从软件访问 (意味着你的应用将直接接触像素),然后分配器必须一个缓冲区,其中每像素 4 个字节,且以 R-G-B-A 的顺序。相反,如果你说缓冲区将只从硬件访问,并作为一个 GLES 纹理,分配器可以做任何 GLES 驱动想要的事情 - BGRA 顺序,非线性布局,替代颜色格式,等等。允许硬件使用它喜欢的格式可以提升性能。

一些值在某一平台上无法结合。比如,视频编码器标记可以请求 YUV 像素,于是添加软件访问和指定 RGBA 8888 将失败。

gralloc 分配器返回的句柄可以通过 Binder 在进程之间传递。

使用systrace跟踪BufferQueue

要真正理解图形缓冲区如何移动,则使用 systrace。系统级的图形代码可以很好地进行探索,就像许多相关的应用程序框架代码一样。如何高效使用 systrace 的完整描述将需要一篇相当长的文档。首先启用 gfxviewsched 标签。你也将在 trace 中看到 BufferQueues。如果你之前已经在使用 systrace 了,你可能已经看到过它们但可能不确定它们是什么。举个例子,如果你在 Grafika's "Play video (SurfaceView)" 运行时获取 trace,标签为 SurfaceView 的行告诉你在任何给定时刻有多少缓冲区被加入队列。

值在应用活跃时增加 - MediaCodec 解码器触发帧的渲染 - 而在 SurfaceFlinger 工作,消费缓冲区时减小。当视频的帧率为 30 fps 时,队列的值将在 0 到 1 之间变动,因为 ~60 fps 显示可以轻松地跟踪源。(还要注意 SurfaceFlinger 只有在有工作要做时才唤醒,而不是美妙 60 次。系统努力试图避免工作,并且如果没有东西更新屏幕的话完全禁用 VSYNC。)

如果你切换到 Grafika's "Play video (TextureView)" 并获取一个 trace,你将看到标签为 com.android.grafika/com.android.grafika.PlayMovieActivity 的行。这是主 UI 层,它只是另一个 BufferQueue。由于 TextureView 渲染到 UI 层 (而不是一个分离的层),你将在这里看到所有的视频驱动的更新。

关于 systrace 工具的更多信息,请参考 Systrace documentation。

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