android 显示系统 surfaceflinger 分析

 Android Display System --- Surface Flinger

     SurfaceFlinger 是Android multimedia 的一个部分，在Android 的实现中它是一个service ，提供系统 范围内的surface composer功能，它能够将各种应用 程序的2D 、3D surface 进行组合。在具体讲SurfaceFlinger 之前，我们先来看一下有关显示方面的一些基础知识 。

 

1 、原理 分析

让我们首先看一下下面的屏幕简略图：

 

 

 

每个应用程序可能对应着一个或者多个图形界面，而每个界面我们就称之为一个surface ，或者说是window ，在上面的图中我们能看到4 个surface ，一个是home 界面，还有就是红、绿、蓝分别代表的3 个surface ，而两个button 实际是home surface 里面的内容。在这里我们能看到我们进行图形显示所需要解决 的问题：

    a 、首先每个surface 在屏幕上有它的位置，以及大小，然后每个surface 里面还有要显示的内容，内容，大小，位置 这些元素 在我们改变应用程序的时候都可能会改变，改变时应该如何处理 ？

b 、然后就各个surface 之间可能有重叠，比如说在上面的简略图中，绿色覆盖了蓝色，而红色又覆盖了绿色和蓝色以及下面的home，而且还具有一定透明度。这种层之间的关系应该如何描述？      

我们首先来看第二个问题，我们可以想象在屏幕平面的垂直方向还有一个Z 轴，所有的surface 根据在Z 轴上的坐标来确定前后，这样就可以描述各个surface 之间的上下覆盖关系了，而这个在Z 轴上的顺序，图形上有个专业术语叫Z-order 。  

    对于第一个问题，我们需要一个结构来记录应用程序界面的位置，大小，以及一个buffer 来记录需要显示的内容，所以这就是我们surface 的概念，surface 实际我们可以把它理解成一个容器，这个容器记录着应用程序界面的控制信息，比如说大小啊，位置啊，而它还有buffer 来专门存储需要显示的内容。

    在这里还存在一个问题，那就是当存在图形重合的时候应该如何处理呢，而且可能有些surface 还带有透明信息，这里就是我们SurfaceFlinger 需要解决问题，它要把各个surface 组合(compose/merge) 成一个main Surface ，最后将Main Surface 的内容发送给FB/V4l2 Output ，这样屏幕上就能看到我们想要的效果。

    在实际中对这些Surface 进行merge 可以采用两种方式，一种就是采用软件的形式来merge ，还一种就是采用硬件的方式，软件的方式就是我们的SurfaceFlinger ，而硬件的方式就是Overlay 。

 

2 、OverLay

     因为硬件merge 内容相对简单，我们首先来看overlay 。 Overlay 实现的方式有很多，但都需要硬件的支持。以IMX51 为例子，当IPU向内核申请FB 的时候它会申请3 个FB ，一个是主屏的，还一个是副屏的，还一个就是Overlay 的。 简单地来说，Overlay就是我们将硬件所能接受的格式数据 和控制信息送到这个Overlay FrameBuffer，由硬件驱动来负责merge Overlay buffer和主屏buffer中的内容。

    一般来说现在的硬件都只支持一个Overlay，主要用在视频播放以及camera preview上，因为视频内容的不断变化用硬件Merge比用软件Merge要有效率得多，下面就是使用Overlay和不使用Overlay的过程：

 

    

 

    SurfaceFlinger中加入了Overlay hal，只要实现这个Overlay hal可以使用overlay的功能，这个头文件在：/hardware/libhardware/include/harware/Overlay.h，可以使用FB或者V4L2 output来实现，这个可能是我们将来工作的内容。实现Overlay hal以后,使用Overlay接口的sequence就在 ： /frameworks/base/libs/surfaceflinger/tests/overlays/Overlays.cpp,这个sequnce是很重要的，后面我们会讲到。

    不 过在实际中我们不一定需要实现Overlay hal,如果了解硬件的话，可以在驱动中直接把这些信息送到Overlay Buffer，而不需要走上层的Android。Fsl现在的Camera preview就是采用的这种方式，而且我粗略看了r3补丁的内容，应该在opencore的视频播放这块也实现了Overlay。

 

3、SurfaceFlinger

     现 在就来看看最复杂的SurfaceFlinger，首先要明确的是SurfaceFlinger只是负责merge Surface的控制，比如说计算出两个Surface重叠的区域，至于Surface需要显示的内容，则通过skia，opengl和 pixflinger来计算。 所以我们在介绍SurfaceFlinger 之前先忽略里面存储的内容究竟是什么，先弄清楚它对merge 的一系列控制的过程，然后再结合2D ，3D 引擎来看它的处理过程。

 

3.1 、Surface 的创建过程

    前面提到了每个应用程序可能有一个或者多个Surface ， 我们需要一些数据结构来存储我们的窗口信息，我们还需要buffer 来存储我们的窗口内容， 而且最主要的是我们应该确定一个方案 来和SurfaceFlinger 来交互这些信息，让我们首先看看下面的Surface 创建过程的类图 ：

 

 

在IBinder 左边的就是客户端部分，也就是需要窗口显示的应用程序，而右边就是我们的Surface Flinger service 。 创建一个surface 分为两个过程，一个是在SurfaceFlinger 这边为每个应用程序(Client) 创建一个管理 结构，另一个就是创建存储内容的buffer ，以及在这个buffer 上的一系列画图之类的操作。

因为SurfaceFlinger 要管理多个应用程序的多个窗口界面，为了进行管理它提供了一个Client 类，每个来请求服务的应用程序就对应了一个Client 。因为surface 是在SurfaceFlinger 创建的，必须返回一个结构让应用程序知道自己申请的surface 信息，因此SurfaceFlinger 将Client 创建的控制结构per_client_cblk_t 经过BClient 的封装以后返回给SurfaceComposerClient ，并向应用程序提供了一组创建和销毁surface 的操作：

 

    为应用程序创建一个 Client 以后，下面需要做的就是为这个 Client 分配 Surface ， Flinger 为每个 Client 提供了 8M 的空间 ，包括控制信息和存储内容的 buffer 。在说创建 surface 之前首先要理解 layer 这个概念，回到我们前面看的屏幕简略图，实际上每个窗口就是 z 轴上的一个 layer ， layer 提供了对窗口控制信息的操作，以及内容的处理 ( 调用 opengl 或者 skia) ，也就是说SurfaceFlinger 只是控制什么时候应该进行这些信息的处理以及处理的过程，所有实际的处理都是在 layer 中进行的，可以理解为创建一个 Surface 就是创建一个 Layer 。不得不说 Android 这些乱七八糟的名字，让我绕了很久……

创建 Layer 的过程，首先是由这个应用程序的 Client 根据应用程序的 pid 生成一个唯一的 layer ID ，然后根据大小，位置，格式啊之类的信息创建出 Layer 。在 Layer 里面有一个嵌套的 Surface 类，它主要包含一个 ISurfaceFlingerClient::Surface_data_t ，包含了这个 Surace 的统一标识符以及 buffer 信息等，提供给应用程序使用。最后应用程序会根据返回来的 ISurface 信息等创建自己的一个 Surface 。

 

 

 

Android 提供了 4 种类型的 layer 供选择，每个 layer 对应一种类型的窗口，并对应这种窗口相应的操作： Layer ， LayerBlur， LayerBuffer ， LayerDim 。不得不说再说 Android 起的乱七八糟的名字， LayerBuffer 很容易让人理解成是 Layer 的 Buffer ，它实际上是一种 Layer 类型。各个 Layer 的效果大家可以参考 Surface.java 里面的描述：/frameworks/base/core/java/android/view/surface.java 。这里要重点说一下两种 Layer ，一个是 Layer (norm layer) ，另一个是LayerBuffer 。

Norm Layer 是 Android 种使用最多的一种 Layer ，一般的应用程序在创建 surface 的时候都是采用的这样的 layer ，了解 Normal Layer 可以让我们知道 Android 进行 display 过程中的一些基础原理。 Normal Layer 为每个 Surface 分配两个 buffer ： front buffer 和 back buffer ，这个前后是相对的概念，他们是可以进行 Flip 的。 Front buffer 用于 SurfaceFlinger 进行显示，而 Back buffer 用于应用程序进行画图，当 Back buffer 填满数据 (dirty) 以后，就会 flip ， back buffer 就变成了 front buffer 用于显示，而 front buffer 就变成了 back buffer 用来画图，这两个 buffer 的大小是根据 surface 的大小格式动态变化的。这个动态变化的实现我没仔细看，可以参照 ： /frameworks/base/lib/surfaceflinger/layer.cpp 中的 setbuffers() 。

两个 buffer flip 的方式是 Android display 中的一个重要实现方式，不只是每个 Surface 这么实现，最后写入 FB 的 main surface 也是采用的这种方式。

LayerBuffer 也是将来必定会用到的一个 Layer ，个人觉得也是最复杂的一个 layer ，它不具备 render buffer ，主要用在 camera preview / video playback 上。它提供了两种实现方式，一种就是 post buffer ，另外一种就是我们前面提到的 overlay ， Overlay的接口实际上就是在这个 layer 上实现的。不管是 overlay 还是 post buffer 都是指这个 layer 的数据来源自其他地方，只是 post buffer 是通过软件的方式最后还是将这个 layer merge 主的 FB ，而 overlay 则是通过硬件 merge 的方式来实现。与这个 layer 紧密联系在一起的是 ISurface 这个接口，通过它来注册数据来源，下面我举个例子来说明这两种方式的使用方法：

 

前面几个步骤是通用的：

 

// 要使用 Surfaceflinger 的服务必须先创建一个 client

sp<SurfaceComposerClient> client = new SurfaceComposerClient();

// 然后向 Surfaceflinger 申请一个 Surface ， surface 类型为 PushBuffers

sp<Surface> surface = client->createSurface(getpid(), 0, 320, 240,

            PIXEL_FORMAT_UNKNOWN, ISurfaceComposer::ePushBuffers);

// 然后取得 ISurface 这个接口， getISurface() 这个函数的调用时具有权限限制的，必须在 Surface.h 中打开：/framewoks/base/include/ui/Surface.h

sp<ISurface> isurface = Test::getISurface(surface);

 

//overlay 方式下就创建 overlay ，然后就可以使用 overlay 的接口了

sp<OverlayRef> ref = isurface->createOverlay(320, 240, PIXEL_FORMAT_RGB_565);

sp<Overlay> verlay = new Overlay(ref);

 

//post buffer 方式下，首先要创建一个 buffer ，然后将 buffer 注册到 ISurface 上

ISurface::BufferHeap buffers(w, h, w, h,

                                          PIXEL_FORMAT_YCbCr_420_SP,

                                         transform,

                                         0,

                                         mHardware->getPreviewHeap());

mSurface->registerBuffers(buffers);