android surfaceflinger研究----显示系统

 

一.  android显示系统的建立

    我们看SurfaceFlinger的定义就知道，它其实是一个Thread, 因此SurfaceFlinger的初始化工作就理所当然的放在了SurfaceFlinger线程中，详见readyToRun()@SurfaceFlinger.cpp

    SurfaceFlinger对于显示的管理是通过一个或多个GraphicPlane对象(目前android只实现了一个)来管理的，@SurfaceFlinger.h

01.GraphicPlane                mGraphicPlanes[1];  

 

其实，GraphicPlane类只是一个wrapper层，目的是当android支持多个显示系统时，通过该类来管里各自的图形系统，显示系统真正的初始化工作是通过DisplayHardware类来初始化底层图形系统的管理与显示的。真正的图形显示系统的初始化在init()@DisplayHardware.cpp

    目前，android支持一个图形系统，这个图形系统是全局的，surfaceflinger可以访问，其他不通过surfaceflinger进行图形处理的application也可以对其进行操作。

1. FrameBuffer的建立

    framebuffer，确切的是说是linux下的framebuffer,，它是linux图形显示系统中一个与图形硬件无关的抽象层，user完全不用考虑我们的硬件设备，而仅仅使用framebuffer就可以实现对屏幕的操作。

    android的framebuffer并没有被SurfaceFlinger直接使用，而是在framebuffer外做了一层包装，这个包装就是FramebufferNativeWindow，我们来看一下FramebufferNativeWindow的创建过程。

   我们的framebuffer是由一个设备符fbDev来表示的，它是FramebufferNativeWindow的一个成员，我们来分析一下对fbDev的处理过程。

    1.1. fbDev设备符

    1.1.1 gralloc library

    在这之前，先介绍一下gralloc library，它的形态如grallocBOARDPLATFORM.so， BOARDPLATFORM可以从属性ro.board.platform中获得，这篇文章中我们以Qualcomm msmx7x30为例，也就是gralloc.msm7x30.so中，它的源路径在hardware/msm7k/libgralloc-qsd8k。

    framebuffer的初始化需要通过HAL gralloc.msm7x30.so 来完成与底层硬件驱动的适配，但是gralloc library并不是平台无关的，不同的vendor可能会实现自己的gralloc library，因此为了保证在创建framebuffer时能够平台无关，android只能是动态的判断并使用当前的gralloc library，android通过从gralloc library中再抽象出一个hw_module_t结构来供使用，它为framebuffer的初始化提供了需要的gralloc.msm7x30.so业务。因此通过这个hw_module_t结构我们就不需要知道当前系统使用的到底是哪个gralloc library。按规定，所有gralloc library中的这个结构体被命名为HAL_MODULE_INFO_SYM(HMI)。当前分析的系统中，HAL_MODULE_INFO_SYM在hardware/msm7k/libgralloc-qsd8k/galloc.cpp。

    1.1.2 打开fbDev设备符    

    下面看如何打开 打开fbDev设备符。通过HAL_MODULE_INFO_SYM提供的gralloc.msm7x30.so的接口我们调用到了fb_device_open()@hardware/msm7k/libgralloc-qsd8k/framebuffer.cpp。

int fb_device_open(hw_module_t const* module, const char* name,
        hw_device_t** device)
{
    int status = -EINVAL;
    if (!strcmp(name, GRALLOC_HARDWARE_FB0)) {
        alloc_device_t* gralloc_device;
        status = gralloc_open(module, &gralloc_device);

        /* initialize our state here */
        fb_context_t *dev = (fb_context_t*)malloc(sizeof(*dev));
        memset(dev, 0, sizeof(*dev));

        /* initialize the procs */
        dev->device.common.tag = HARDWARE_DEVICE_TAG;

        private_module_t* m = (private_module_t*)module;
        status = mapFrameBuffer(m);

}

在这个函数中，主要为fbDev设备符指定一个fb_context_t实例，并通过函数mapFrameBuffer()对设备节点/dev/graphics/fb0进行操作，操作的目的有：

1.获得屏幕设备的信息，并将屏幕信息保存在HAL_MODULE_INFO_SYM(上面代码中的module)中。

 2. 向/dev/graphics/fb0请求page flip模式，page flip模式需要至少2个屏幕大小的buffer，page flip模式在后面介绍。目前android系统中设置为2个屏幕大小的buffer。当然屏幕设备可能不支持page flip模式。

mapFrameBufferLocked()@hardware/msm7k/libgralloc-qsd8k/framebuffer.cpp

    /*
     * Request NUM_BUFFERS screens (at lest 2 for page flipping)
     */
    info.yres_virtual = info.yres * NUM_BUFFERS;


    uint32_t flags = PAGE_FLIP;
    if (ioctl(fd, FBIOPUT_VSCREENINFO, &info) == -1) {
        info.yres_virtual = info.yres;
        flags &= ~PAGE_FLIP;
        LOGW("FBIOPUT_VSCREENINFO failed, page flipping not supported");
    }

3. 映射屏幕设备缓存区给fbDev设备符。

mapFrameBufferLocked()@hardware/msm7k/libgralloc-qsd8k/framebuffer.cpp

    /*
     * map the framebuffer
     */

    int err;
    size_t fbSize = roundUpToPageSize(finfo.line_length * info.yres_virtual);
    module->framebuffer = new private_handle_t(dup(fd), fbSize,
            private_handle_t::PRIV_FLAGS_USES_PMEM);

    module->numBuffers = info.yres_virtual / info.yres;
    module->bufferMask = 0;

    void* vaddr = mmap(0, fbSize, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (vaddr == MAP_FAILED) {
        LOGE("Error mapping the framebuffer (%s)", strerror(errno));
        return -errno;
    }
    module->framebuffer->base = intptr_t(vaddr);
    memset(vaddr, 0, fbSize);

1.2 grDev设备符

在为framebuffer，也就是FramebufferNativeWindow申请内存之前，我们还要介绍一个概念，就是grDev设备符。它虽然也叫设备符，但是它和具体的设备没有直接关系，我们看它的类型就是知道了alloc_device_t，没错，grDev设备符就是为了FramebufferNativeWindow管理内存使用的。为FramebufferNativeWindow提供了申请/释放内存的接口。

    1.3 FramebufferNativeWindow内存管理

     FramebufferNativeWindow维护了2个buffer， 

 sp<NativeBuffer> buffers[2];

1.3.1 屏幕设备支持page filp模式

    目前的android系统默认要求屏幕设备给系统映射2个屏幕大小的缓存区，以便支持page flip模式，如果屏幕设备支持page flip模式，那么 FramebufferNativeWindow中buffers将分别指向一个屏幕大小的屏幕设备缓存区。

    // create a "fake" handles for it
    intptr_t vaddr = intptr_t(m->framebuffer->base);
    private_handle_t* hnd = new private_handle_t(dup(m->framebuffer->fd), size,
                                                 private_handle_t::PRIV_FLAGS_USES_PMEM |
                                                 private_handle_t::PRIV_FLAGS_FRAMEBUFFER);

    // find a free slot
    for (uint32_t i=0 ; i<numBuffers ; i++) {
        if ((bufferMask & (1LU<<i)) == 0) {
            m->bufferMask |= (1LU<<i);
            break;
        }
        vaddr += bufferSize;
    }

    hnd->base = vaddr;
    hnd->offset = vaddr - intptr_t(m->framebuffer->base);
    *pHandle = hnd;

1.3.2 屏幕设备不支持page flip模式

    在 mapFrameBufferLocked()@hardware/msm7k/libgralloc-qsd8k/framebuffer.cpp中可以得知，如果屏幕设备不支持page flip模式，那么numBuffer值将为1而不是2，那么映射过来的屏幕缓存区将只有一个屏幕大小，不够支持page flip模式，那么此时将不使用这一个屏幕大小的屏幕缓存区，而改为去dev/pmem设备去申请。

gralloc_alloc_framebuffer_locked()@hardware/msm7k/libgralloc-qsd8k/gpu.cpp

    const uint32_t bufferMask = m->bufferMask;
    const uint32_t numBuffers = m->numBuffers;
    const size_t bufferSize = m->finfo.line_length * m->info.yres;
    if (numBuffers == 1) {
        // If we have only one buffer, we never use page-flipping. Instead,
        // we return a regular buffer which will be memcpy'ed to the main
        // screen when post is called.
        int newUsage = (usage & ~GRALLOC_USAGE_HW_FB) | GRALLOC_USAGE_HW_2D;
        return gralloc_alloc_buffer(bufferSize, newUsage, pHandle);
    }

  2. 打开Overlay

    同选择gralloc library相似，根据属性值来选择何时的overlay库，如果vendor厂商没有提供overlay库的话，那么系统将使用默认的overlay库overlay.default.so。同样的我们获得overlay库的HAL_MODULE_INFO_SYM结构体，作为系统调用overlay的接口。

    if (hw_get_module(OVERLAY_HARDWARE_MODULE_ID, &module) == 0) {
        overlay_control_open(module, &mOverlayEngine);
    }

3. 选择OpenGL ES library(也即软/硬件加速)

    OpenGL (Open Graphics Library)[3] is a standard specification defining a cross-language, cross-platform API for writing applications that produce 2D and 3D computer graphics. The interface consists of over 250 different function calls which can be used to draw complex three-dimensional scenes from simple primitives. OpenGL was developed by Silicon Graphics Inc. (SGI) in 1992[4] and is widely used in CAD, virtual reality, scientific visualization, information visualization, flight simulation, and video games. OpenGL is managed by the non-profit technology consortium Khronos Group.。

    android是默认支持OpenGL ES软件加速的，library为libGLES_android，源码路径为frameworks\base\opengl\libagl；如果手机设备支持硬件加速的话，那么复杂的图像处理工作将交由GPU去处理，那么效率将大大提高。但是如果系统真的存在硬件加速，它是如何选择何时用软件加速？何时用硬件加速的呢？

    如何查看是否有GPU来实现硬件加速，很容易查看/system/lib/egl/egl.cfg文件内容

0 0 android
0 1 adreno200

因此只要我们的移动设备芯片集成了GPU，并提供了对应的GL图形库，那么我们就可以在我们的工程中device目录下的egl.cfg文件中加入类似上面的配置，那么我们的系统就会支持硬件加速。

如adreno200 GPU提供的GL图形库：

libGLESv1_CM_adreno200.so
libGLESv2_adreno200.so
libEGL_adreno200.so

那么假如我们的系统中软硬件加速都支持了，那么我们从代码来看能不能让用户自由的选择加速类型，我们带着问题来研究一下代码。

   3.1 OpenGL初始化

    在调用不管是软件加速的还是硬件加速的OpenGL api之前，我们都需要把软硬两种模式的各自的OpenGL api提取出来，抽象出一个interface来供系统使用，这个过程我称之为OpenGL初始化过程。

    软硬两种模式的OpenGL api被分别指定到了一个全局数组的对应位置。
frameworks/base/opengl/libs/EGL/egl.cpp

static egl_connection_t gEGLImpl[IMPL_NUM_IMPLEMENTATIONS];

enum {
    IMPL_HARDWARE = 0,
    IMPL_SOFTWARE,
    IMPL_NUM_IMPLEMENTATIONS
};

gEGLImpl[IMPL_HARDWARE]中保存着硬件图形设备的OpenGL api地址，从

libGLESv1_CM_adreno200.so
libGLESv2_adreno200.so
libEGL_adreno200.so

这3个库中获得；gEGLImpl[IMPL_SOFTWARE]中保存着软件的OpenGL api地址，从libGLES_android.so中获取。

这部分代码在egl_init_drivers_locked()@frameworks/base/opengl/libs/EGL/egl.cpp

3.2 EGL和GLES api

    在OpenGL的初始化过程中，OpenGL提供了两套api，分别称为EGL和GLES。android在OPENGL初始化过程中，会将两种不同的接口分开管理，从下面代码中我们可以看到EGL和GLES api地址被存储到了不同的位置。

@frameworks\base\opengl\libs\EGL\Loader.h

    enum {
        EGL         = 0x01,
        GLESv1_CM   = 0x02,
        GLESv2      = 0x04
    };

load_driver()@frameworks\base\opengl\libs\EGL\Loader.cpp

上面枚举的EGL表示ELG api；GLESvq1_CM表示OpenGL ES 1.0的api；GLESv2表示OpenGL ES 2.0的api。

EGL api地址最终被存储在gEGLImpl[].egl中；

GLESvq1_CM api地址最终被存储在gEGLImpl[].hooks[GLESv1_INDEX]->gl中；

GLESv2 api地址最终被存储在gEGLImpl[].hooks[GLESv2_INDEX]->gl中；

3.2.1 EGL api

    EGL is an interface between Khronos rendering APIs such as OpenGL ES or OpenVG and the underlying native platform window system. It handles graphics context management, surface/buffer binding, and rendering synchronization and enables high-performance, accelerated, mixed-mode 2D and 3D rendering using other Khronos APIs.

   上面引用了官方的定义，可以看出，EGL是系统和OPENGL ES之间的接口，它的声明在文件frameworks\base\opengl\libs\EGL\egl_entries.in。

3.2.2 GLES

    GLES才是真正的OpenGL ES的api，它的声明我们可以在frameworks\base\opengl\libs\entries.in找到。目前的android系统不但将EGL提供给系统使用，同时将GLES也提供给了系统使用，这个我们可以在最开始的显示系统的结构图中可以看到，surfacefliger和framework的opengl模块均可以访问EGL和GLES接口。

3.3 OpenGL config

    每个OpenGL库都根据不同的像素格式(pixel format)提供了一系统的config，android根据framebuffer中设置的像素格式来选择合适的config，android根据中各config中的属性信息来创建main surface和openGL上下文。

3.3.1 系统默认pixel format

    当前的代码分析是基于gingerbread的，在 mapFrameBufferLocked()@hardware/msm7k/libgralloc-qsd8k/framebuffer.cpp中我们可以找到framebuffer的pixel format的类型

    if(info.bits_per_pixel == 32) {
	/*
	* Explicitly request RGBA_8888
	*/

	/* Note: the GL driver does not have a r=8 g=8 b=8 a=0 config, so if we do
	* not use the MDP for composition (i.e. hw composition == 0), ask for
	* RGBA instead of RGBX. */
	if (property_get("debug.sf.hw", property, NULL) > 0 && atoi(property) == 0)
		module->fbFormat = HAL_PIXEL_FORMAT_RGBX_8888;
	else if(property_get("debug.composition.type", property, NULL) > 0 && (strncmp(property, "mdp", 3) == 0))
		module->fbFormat = HAL_PIXEL_FORMAT_RGBX_8888;
	else
		module->fbFormat = HAL_PIXEL_FORMAT_RGBA_8888;
    } else {
	/*
	* Explicitly request 5/6/5
	*/
	module->fbFormat = HAL_PIXEL_FORMAT_RGB_565;
    }

目前的移动设备都是真彩色，所以这里我们认为我们的屏幕设备支持的是HAL_PIXEL_FORMAT_RGBA_8888。

    

3.3.2 config初始化

所有的OpenGL库提供的config，同样需要将软硬两种模式的各自的OpenGL config提取出来供系统使用，如同OpenGL api地址一样。OpenGL config提取出来后保存在另外一个全局变量

static egl_display_t gDisplay[NUM_DISPLAYS];

//  EGLDisplay are global, not attached to a given thread
const unsigned int NUM_DISPLAYS = 1;

中，不同于gEGLImpl分开保存软硬件api，所有的config，不论软硬件的，均保存在gDisplay[0]，因为所有的config是以屏幕区分的，同一块屏幕应该保存同一份config信息。

在提取出的openGL的config时，会保存到gDisplay[0].config中，在这儿有一个很tricky的实现，它保证了硬件加速器的优先使用！

      // sort our configurations so we can do binary-searches
        qsort(  dp->configs,
                dp->numTotalConfigs,
                sizeof(egl_config_t), cmp_configs);0].config中，//在这儿有一个很tricky的实现，它保证了硬件加速器的优先使用！

最终，上述代码会将gDisplay[0].config中的配置按照先硬件的，后软件的规则做一个总体的排序。

代码在eglInitialize()@frameworks/base/opengl/libs/EGL/egl.cpp

3.3.3 config选择

上文说到，android会根据framebuffer的pixel format信息来获取对应的config，这个过程只选择一个合适的config，选到为止。

3.3.3.1 满足属性要求

并不是所有的config都可以被选择，首先这个config的属性需要满足

init()@DisplayHardware.cpp

    // initialize EGL
    EGLint attribs[] = {
            EGL_SURFACE_TYPE,   EGL_WINDOW_BIT,
            EGL_NONE,           0,
            EGL_NONE
    };

 

3.3.3.2 满足RGBA要求

在pixelflinger中，为系统提供了各个pixel format的基本信息，RGBA值，字节数/pixel,位数/pixel。

system/core/libpixelflinger/format.cpp

static GGLFormat const gPixelFormatInfos[] =
{   //          Alpha    Red     Green   Blue
    {  0,  0, {{ 0, 0,   0, 0,   0, 0,   0, 0 }},        0 },   // PIXEL_FORMAT_NONE
    {  4, 32, {{32,24,   8, 0,  16, 8,  24,16 }}, GGL_RGBA },   // PIXEL_FORMAT_RGBA_8888

android会根据pixelflinger的pixel format信息，去和openGL的config比较，得到想要的config。

selectConfigForPixelFormat()@frameworks/base/libs/ui/EGLUtils.cpp

    EGLConfig* const configs = (EGLConfig*)malloc(sizeof(EGLConfig)*numConfigs);
    if (eglChooseConfig(dpy, attrs, configs, numConfigs, &n) == EGL_FALSE) {
        free(configs);
        return BAD_VALUE;
    }

    const int fbSzA = fbFormatInfo.getSize(PixelFormatInfo::INDEX_ALPHA);
    const int fbSzR = fbFormatInfo.getSize(PixelFormatInfo::INDEX_RED);
    const int fbSzG = fbFormatInfo.getSize(PixelFormatInfo::INDEX_GREEN);
    const int fbSzB = fbFormatInfo.getSize(PixelFormatInfo::INDEX_BLUE); 
    
    int i;
    EGLConfig config = NULL;
    for (i=0 ; i<n ; i++) {
        EGLint r,g,b,a;
        EGLConfig curr = configs[i];
        eglGetConfigAttrib(dpy, curr, EGL_RED_SIZE,   &r);
        eglGetConfigAttrib(dpy, curr, EGL_GREEN_SIZE, &g);
        eglGetConfigAttrib(dpy, curr, EGL_BLUE_SIZE,  &b);
        eglGetConfigAttrib(dpy, curr, EGL_ALPHA_SIZE, &a);
        if (fbSzA <= a && fbSzR <= r && fbSzG <= g && fbSzB  <= b) {
            config = curr;
            break;
        }
    }

4. 创建main surface

    要让OpenGL进行图形处理，那么需要在OpenGL中创建一个openGL surface。代码在eglCreateWindowSurface()@ frameworks/base/opengl/libs/EGL/egl.cpp

调用当前的config所处的openGL库的api来创建surface。通过validate_display_config()方法来获取当前config的openGL api。

创建的surface会和FramebufferNativeWindow关联到一起。

    5. 创建 OpenGL ES 上下文

    An OpenGL context represents many things. A context stores all of the state associated with this instance of OpenGL. It represents the (potentially visible) default framebufferthat rendering commands will draw to when not drawing to a framebuffer object. Think of a context as an object that holds all of OpenGL; when a context is destroyed, OpenGL is destroyed.

   http://www.opengl.org/wiki/OpenGL_context

 具体的创建过程专业术语太多，也没有仔细研究不再介绍。

    6. 绑定context和surface

    有了surface，有了 FramebufferNativeWindow，有了context，基本上与图形系统相关的概念都有了，下一步就是把这几个概念关联起来，在创建surface时已经将surface和FramebufferNativeWindow关联了起来。

    eglMakeCurrent()@ frameworks/base/opengl/libs/EGL/egl.cpp

6.1 多线程支持

OpenGL 提供了多线程的支持，有以下2点的支持：

1. 一个Context只能被一个线程使用，不能存在多个线程使用同一个context。因此在多线层操作中使用到了TLS技术，即Thread-local storage，来保证context被唯一使用。

makeCurrent()@frameworks/base/opengl/libs/libagl/egl.cpp

    ogles_context_t* current = (ogles_context_t*)getGlThreadSpecific();
    if (gl) {
        egl_context_t* c = egl_context_t::context(gl);
        if (c->flags & egl_context_t::IS_CURRENT) {
            if (current != gl) {
                // it is an error to set a context current, if it's already
                // current to another thread
                return -1;
            }
        } else {
            if (current) {
                // mark the current context as not current, and flush
                glFlush();
                egl_context_t::context(current)->flags &= ~egl_context_t::IS_CURRENT;
            }
        }
        if (!(c->flags & egl_context_t::IS_CURRENT)) {
            // The context is not current, make it current!
            setGlThreadSpecific(gl);
            c->flags |= egl_context_t::IS_CURRENT;
        }

 

2. 在同一进程中，对于不同的线程对OpenGL库的访问，可能使用的GLES api version不同，同样可以使用TLS技术来保证多线程过程中，不同线程调用各自的GLES api。

前面我们介绍过GLES api地址被存放在gEGLImpl[].hooks[VERSION]->gl中，因此为保证多线程支持，android将gEGLImpl[].hooks[VERSION]保存到了TLS中，这样就实现了不同线程各自调用各自版本的GLES api。

eglMakeCurrent()@frameworks/base/opengl/libs/EGL/egl.cpp

        // cur_c has to be valid here (but could be terminated)
        if (ctx != EGL_NO_CONTEXT) {
            setGlThreadSpecific(c->cnx->hooks[c->version]);
            setContext(ctx);
            _c.acquire();
        } else {
            setGlThreadSpecific(&gHooksNoContext);
            setContext(EGL_NO_CONTEXT);
        }

尽管openGL 实现了多线程的支持，目前我从代码中别没有找到多线程的使用。

6.2 设置surface和context之间的关系

由于vendor厂商提供的GPU的GLES库是不可见的，因此以libGLES_android.so软件加速为例来说明这个过程。

contex中保存着两个surface，read和draw，多少情况下这两个surface为同一个surface。

设置FramebufferNativeWindow中Buffers[2]之一为surface的数据区， 通过connect()和bindDrawSurface()。最终的形态如下图所示：

在init()@DisplayHardware.cpp中，在绑定surface和context之后，马上在当前线程中unbind了context，通过

    // Unbind the context from this thread
    eglMakeCurrent(display, EGL_NO_SURFACE, EGL_NO_SURFACE, EGL_NO_CONTEXT);

这么做的目的应该是支持多display系统中的特殊处理，目的是当系统有多个display系统的话，那么surfaceflinger就会去定义多个DisplayHardware对象，那么为了保证下一个DisplayHardware对象的创建不受影响，在当前的DisplayHardware创建完成后，将context从当前的进程中unbind掉。

不过没关系，在所有的DisplayHardware创建完成之后，surfaceflinger会重新bind 主Display系统的context和surface。

readyToRun()@SurfaceFlinger.cpp

 

    // initialize primary screen
    // (other display should be initialized in the same manner, but
    // asynchronously, as they could come and go. None of this is supported
    // yet).
    const GraphicPlane& plane(graphicPlane(dpy));
    const DisplayHardware& hw = plane.displayHardware();
    const uint32_t w = hw.getWidth();
    const uint32_t h = hw.getHeight();
    const uint32_t f = hw.getFormat();
    hw.makeCurrent();

下图为这个图形系统的类图结构。