android surfaceflinger研究----SurfaceFlinger loop

上一篇文章介绍了整个Surface机制(我是这么称呼的，主要是Surface的建立，Surface的显示存储的管理)，同时我们也介绍过了整个显示系统，那么这篇文章就介绍一下SurfaceFlinger 这个核心服务层的机制。

    从代码中我们可以看出SurfaceFlinger 是一个thread，运行在system_server进程中，并且其threadLoop()方法的返回值为true，因此它是一个循环的loop。这样保证了SurfaceFlinger业务的循环周期性。

    首先，先来个综述，下图是我总结的一个SurfaceFlinger结构的概括图：

1. SurfaceFlinger的同步

    SurfaceFlinger 并不是时时刻刻都在执行业务中，当WMS请求SurfaceFlinger创建Surface，或者WMS对Surface进行属性设置时，我们希望此时的SurfaceFlinger并不进行显示操作，以保证对Surface的线程保护，因此SurfaceFlinger 的loop中实现了同步机制。

waitForEvent();

    主要的同步情况有如下几种，当然也有其他一些要求SurfaceFlinger同步的情况，不够对于研究SurfaceFlinger就不太重要了

    1. 创建Surface同步

    假如当前只有一个Client，比如WMS请求SufaceFlinger创建一个Surface，那么此时应该保持SurfaceFlinger loop处在block状态，因为这个过程涉及到对一些成员变量的处理，为了保证同步而需要hold住整个loop。

    2. 设置Surface属性或SurfaceFlinger属性同步

    创建完Surface之后，WMS会请求SurfaceFlinger对其Layer进行属性设置或者对SurfaceFlinger的属性进行设置，如上面概括图中SurfaceComposerClient中的函数接口。

    3. Surface绘制同步

    当ViewRoot对Surface进行绘制时，同样需要将SurfaceFlinger hold住，当整个窗口绘制完成之后，再向SurfaceFlinger发送signal信号。如下面时序图所示。

    

    4. freeze/unfreeze同步

   当每个Activity启动的时候，AMS都会请求WMS freeze整个屏幕，当Activity启动之后，再unfreeze整个屏幕，我猜测这么做的目的是为了保证在Activity以及Activity的窗口在创建过程中，对Activity窗口的Surface进行的线程保护，以免出现屏幕的闪烁等用户体验较差的现象。

2. Layer存储

    在SurfaceFlinger中，Layer是怎么样存储的呢？所有的Layer，不论是那个Client创建的Layer，均保存在一个名为layersSortedByZ的变量中，也就是说WMS请求创建的Surface的Layer和其他Client请求创建的Layer都保存在layersSortedByZ中，但是layersSortedByZ保存过程中则遵守一定的规则。下面代码中的do_compare揭示了这个规则。

@SurfaceFlinger.h

class LayerVector : public SortedVector< sp<LayerBase> > {
public:
    LayerVector() { }
    LayerVector(const LayerVector& rhs) : SortedVector< sp<LayerBase> >(rhs) { }
    virtual int do_compare(const void* lhs, const void* rhs) const {
        const sp<LayerBase>& l(*reinterpret_cast<const sp<LayerBase>*>(lhs));
        const sp<LayerBase>& r(*reinterpret_cast<const sp<LayerBase>*>(rhs));
        // sort layers by Z order
        uint32_t lz = l->currentState().z;
        uint32_t rz = r->currentState().z;
        // then by sequence, so we get a stable ordering
        return (lz != rz) ? (lz - rz) : (l->sequence - r->sequence);
    }
};

    每次向 layersSortedByZ中添加新的Layer，都会做一次排序，按照规则将其放在合适的位置。

    1. 首先，按照Layer的Z-order值来排序，Z-order值小的，放在layersSortedByZ低索引值位置；

    2. 其次，如果两个Layer Z-order值相同，sequence值小的，放在layersSortedByZ低索引值位置；

    Z-order值如何确定？

    WMS根据不同的Window Type来确定Z-order值，Z-order = LAYER*TYPE_LAYER_MULTIPLIER +　TYPE_LAYER_OFFSET。

根据下面代码中的不同的Window Type的LAYER值，可以确定Z-order值，例如TYPE_APPLICATION窗口，其

Z-order = 2*10000+1000 = 21000。

    @PhoneWindowManager.java

// wallpaper is at the bottom, though the window manager may move it.
 static final int WALLPAPER_LAYER = 2;
 static final int APPLICATION_LAYER = 2;
 static final int PHONE_LAYER = 3;
 static final int SEARCH_BAR_LAYER = 4;
 static final int STATUS_BAR_PANEL_LAYER = 5;
 static final int SYSTEM_DIALOG_LAYER = 6;
 // toasts and the plugged-in battery thing
 static final int TOAST_LAYER = 7;
 static final int STATUS_BAR_LAYER = 8;
 // SIM errors and unlock.  Not sure if this really should be in a high layer.
 static final int PRIORITY_PHONE_LAYER = 9;
 // like the ANR / app crashed dialogs
 static final int SYSTEM_ALERT_LAYER = 10;
 // system-level error dialogs
 static final int SYSTEM_ERROR_LAYER = 11;
 // on-screen keyboards and other such input method user interfaces go here.
 static final int INPUT_METHOD_LAYER = 12;
 // on-screen keyboards and other such input method user interfaces go here.
 static final int INPUT_METHOD_DIALOG_LAYER = 13;
 // the keyguard; nothing on top of these can take focus, since they are
 // responsible for power management when displayed.
 static final int KEYGUARD_LAYER = 14;
 static final int KEYGUARD_DIALOG_LAYER = 15;
 // things in here CAN NOT take focus, but are shown on top of everything else.
 static final int SYSTEM_OVERLAY_LAYER = 16;
 static final int SECURE_SYSTEM_OVERLAY_LAYER = 17;

    

    sequence值如何确定？

    sequence值是根据Layer的创建的顺序来维护这个序列值，下面代码中的LayerBase的构造函数中的sequence值，每创建一个Layer，sSequence加一赋值给sequence。

@LayerBase.cpp

int32_t LayerBase::sSequence = 1;

LayerBase::LayerBase(SurfaceFlinger* flinger, DisplayID display)
    : dpy(display), contentDirty(false),
      sequence(uint32_t(android_atomic_inc(&sSequence))),
      mFlinger(flinger),
      mNeedsFiltering(false),
      mOrientation(0),
      mLeft(0), mTop(0),
      mTransactionFlags(0),
      mPremultipliedAlpha(true), mName("unnamed"), mDebug(false),
      mInvalidate(0)
{
    const DisplayHardware& hw(flinger->graphicPlane(0).displayHardware());
    mFlags = hw.getFlags();
    mBufferCrop.makeInvalid();
    mBufferTransform = 0;
}

3. 属性更新

    这一节的所描述的实现都在函数handleTransactionLocked()中。

    从上面概括图中可以看出，WMS可以对SurfaceFlinger进行属性设置，也可以对当前的Surface对应的Layer进行属性设置，因此handleTransactionLocked()函数就是对SurfaceFlinger属性和设置了新属性的Layer的属性更新。

enum {
    eTransactionNeeded      = 0x01,
    eTraversalNeeded        = 0x02
};

     SurfaceFlinger根据这个枚举值来确定handleTransactionLocked()需要更新SurfaceFlinger属性还是layer属性。

    如果SurfaceFlinger属性被设置了新内容，则SurfaceFlinger会记录标志eTransactionNeeded；如果layer属性被设置了新内容，那么
SurfaceFlinger会记录标志eTraversalNeeded。handleTransactionLocked()通过记录的标志来执行各自的属性得更新。‘

    这里提到的属性的更新，主要是看SurfaceFlinger或者laye新设置的属性与旧的属性相比，哪些属性做了修改，然后

记录下来，在接下来的SurfaceFlinger loop中使用新的属性来显示图形。

    类SurfaceFlinger 和Layer中各自定义了两个属性的变量，其中mCurrentState为新设置属性，mDrawingState为显示图形时用到的属性，一般为旧属性。不过类SurfaceFlinger 和Layer分别定义了不同的State类。

State                   mCurrentState;
State                   mDrawingState;

4. 图形缓存

    这一部分的的实现在函数handlePageFlip()中。

    有这么一种可能，当前显示到显示设备上的layer不止一个，而且layer是按照Z-Order的顺序来叠加到OpenGL的surface上的，那么这就需要layer的Z-Order值和坐标来确定每个layer能够被显示的区域。

4.1 page flip

    前面一篇文章中介绍过，每个surface均有2个buffer供使用，一个作为FronteBuffer供SurfaceFlinger去显示，另外一个作为BackBuffer供ViewRoot去绘制窗口。因此在显示各个layer之前，我们需要做一个page flip过程，将当前的已经绘制了应用窗口的BackBuffer选择为FrontBuffer，用于显示；将之前的已经显示完成的FrontBuffer在重置为BackBuffer供ViewRoot去绘制。

   而实现这个page flip的过程很简单

lockPageFlip()@Layer.cpp

ssize_t buf = lcblk->retireAndLock();

SharedBufferServer::RetireUpdate::operator()@SharedBufferStack.cpp

head = (head + 1) % numBuffers;

    

4.2 纹理初始化

    为每个Buffer的纹理进行初始化，为当前的纹理创建一个EGLImageKHR，将当前的Buffer最为该EGLImageKHR的源。这样OpenGL就可以进行纹理映射。

lockPageFlip()@Layer.cpp

/* a buffer was posted, so we need to call reloadTexture(), which
 * will update our internal data structures (eg: EGLImageKHR or
 * texture names). we need to do this even if mPostedDirtyRegion is
 * empty -- it's orthogonal to the fact that a new buffer was posted,
 * for instance, a degenerate case could be that the user did an empty
 * update but repainted the buffer with appropriate content (after a
 * resize for instance).
 */
reloadTexture( mPostedDirtyRegion );

4.3 计算显示区域

    通过layer的叠加，我们可以计算出总的显示区域以及每个layer需要显示的区域，它的实现在computeVisibleRegions()函数中。这个函数主要计算了layer叠加后的总的显示区域，以及每个layer需要显示的区域。整个的计算过程比较简单，只是需要注意不透明区域的处理，computeVisibleRegions()需要计算出一个不透明区域，通过这个不透明区域验证WMS提供给layer的区域是否正确。即下面代码中的mWormholeRegion计算，mWormholeRegion为屏幕区域减去不透明区域，正常情况mWormholeRegion应该为空，即不透明区域范围应该为屏幕区域，如果不透明区域小雨屏幕区域，那么说明当前的应用程序出现了设置的错误。今天有个网友就出现了这个问题。

handlePageFlip()

const Region screenRegion(hw.bounds());
if (visibleRegions) {
    Region opaqueRegion;
    computeVisibleRegions(currentLayers, mDirtyRegion, opaqueRegion);

    /*
     *  rebuild the visible layer list
     */
    mVisibleLayersSortedByZ.clear();
    const LayerVector& currentLayers(mDrawingState.layersSortedByZ);
    size_t count = currentLayers.size();
    mVisibleLayersSortedByZ.setCapacity(count);
    for (size_t i=0 ; i<count ; i++) {
        if (!currentLayers[i]->visibleRegionScreen.isEmpty())
            mVisibleLayersSortedByZ.add(currentLayers[i]);
    }

    mWormholeRegion = screenRegion.subtract(opaqueRegion);
    mVisibleRegionsDirty = false;
}

    在computeVisibleRegions()叠加计算总的显示范围，layer的计算顺序从上到下的过程计算的，也就是先计算Z-Order值较大的，显示在最上层的layer开始往下计算。这么做的好处就是能够很好的计算出不透明区域的范围。

    在SurfaceFlinger的区域相互之间的操作处理如下:

    

    

    

    

4.4 图形缓存

    前面选择了FrontBuffer、初始化了纹理、计算了layer的显示区域，那么下一步就该将Buffer内容进行图形处理并保存到OpenGL缓存中。

    调用每个layer的draw函数来进行这个操作。如下面代码所示。具体的图形处理过程很复杂，完全交给OpenGL去处理，这里我们就不去关心了。我们只需要知道最终经过图形处理的内容会被缓存到OpenGL的缓存区中。

void SurfaceFlinger::composeSurfaces(const Region& dirty)
{
    if (UNLIKELY(!mWormholeRegion.isEmpty())) {
        // should never happen unless the window manager has a bug
        // draw something...
        drawWormhole();
    }
    const Vector< sp<LayerBase> >& layers(mVisibleLayersSortedByZ);
    const size_t count = layers.size();
    for (size_t i=0 ; i<count ; ++i) {
        const sp<LayerBase>& layer(layers[i]);
        const Region clip(dirty.intersect(layer->visibleRegionScreen));
        if (!clip.isEmpty()) {
            layer->draw(clip);
        }
    }
}

    从前面的显示系统中，介绍过，Surface的缓存Buffer就是FramebufferNativeWindow中定义的2个Buffer，如果/dev/fb0读取设备信息，如果设备支持page flip，那么Surface的缓存Buffer即从/dev/fb0设备中申请；如果不支持，我们则需要从/dev/pmem中申请，同时/dev/fb0还会提供一个Buffer以便图形最终的显示。

    /dev/fb0不支持page flip模式

    

    /dev/fb0支持page flip模式

    

5. 图形显示

    当图形内容被缓存到frameBuffer中后，最后的一步就是图形显示。代码中很明确就是SurfaceFlinger loop中的postFramebuffer()函数了。

    这个函数最终回调到OpenGL的eglSwapBuffers()函数，这个函数主要有2个步骤(由于硬件加速代码不可见，我们仍然以软件加速为例)

    1. 显示当前缓存buffer中内容；

     首先，将原来的屏幕上的内容与最新需要显示的内容进行区域相减，将原来的内容copy到当前的缓存buffer中；

EGLBoolean egl_window_surface_v2_t::swapBuffers()@frameworks\base\opengl\libagl\egl.cpp

/*
 * Handle eglSetSwapRectangleANDROID()
 * We copyback from the front buffer
 */
if (!dirtyRegion.isEmpty()) {
    dirtyRegion.andSelf(Rect(buffer->width, buffer->height));
    if (previousBuffer) {
        const Region copyBack(Region::subtract(oldDirtyRegion, dirtyRegion));
        if (!copyBack.isEmpty()) {
            void* prevBits;
            if (lock(previousBuffer,
                    GRALLOC_USAGE_SW_READ_OFTEN, &prevBits) == NO_ERROR) {
                // copy from previousBuffer to buffer
                copyBlt(buffer, bits, previousBuffer, prevBits, copyBack);
                unlock(previousBuffer);
            }
        }
    }
    oldDirtyRegion = dirtyRegion;
}

    其次，如果当前的缓存buffer是申请自/dev/fb0,那么直接去显示这个缓存区中内容；如果 缓存buffer是申请自/dev/pmem，那么需要将缓存buffer中内容拷贝到/dev/fb0 buffer中去，其结构如上一节所示。

    2. 对2个缓存buffer进行page flip(swap)操作。

    通过 queueBuffer()操作将将当前Buffer交还给FramebufferNativeWindow，同时调用fb_post进行图形显示。然后通过dequeueBuffer()操作获得另外一个FramebufferNativeWindow的缓存Buffer，实现page flip(swap)操作。


 

    至此，整个的SurfaceFlinger的机制就分析完了。