Android图形显示系统——下层显示3：窗口系统

Android之窗口系统

要点

1.Android窗口系统通过C-S架构和一套Buffer循环机制实现，在保证安全稳定的前提下基本上做到了极致性能（无大块内存拷贝，IPC通信内容最少）。
2.SurfaceFlinger创建Layer，将其中的BufferQueueProducer作为IGraphicBufferProducer传给应用侧的Surface，因而构成窗口。
3.Surface是皮，BufferQueue是肉，通过这样的皮肉关系构建了Buffer循环机制。Buffer循环机制不仅用于窗口系统，也用于视频播放解码流，相机拍照数据流等（Camera2.0架构）。

注：代码基于Android 5.0

窗口系统接口

作为一个应用，绘图是自由的，基本上也是平台无关的。但如果要把绘图的结果显示出来，就必须依赖平台提供的窗口系统。好比我们写篇文章出来容易，要投到杂志上发表，就必须按杂志社的格式，并通过审校等一堆流程，不然每个人都随便发，肯定乱套了。

Android的窗口系统设计

Android为应用层提供的窗口接口为ANativeWindow。这个接口可用来调整配置参数，获取图形内存并送还触发显示。应用层是Buffer的生产者。
对于非GPU绘图的应用，通过这个类去获取图形内存（dequeueBuffer），并在绘制完成之后送还（queueBuffer），让显示系统在合适的时机显示。
对于GPU绘图（严格来说，是使用EGL标准）的应用，在创建OpenGL上下文时将ANativeWindow的指针传入，GPU的驱动会在合适的时候完成获取内存和送还的操作。应用层只需要调用eglSwapBuffers换缓存即可。

Android的Windows接口

对应用层开放的windows接口定义在
system/core/include/system/windows.h
主要接口函数如下：

struct ANativeWindow
{
    /*......*/
    int     (*setSwapInterval)(struct ANativeWindow* window, int interval);//设置Buffer失效期限，当应用生产Buffer快于消费者（一般是显示系统）的消费时，这个参数决定是否丢弃之前没来得及消费的Buffer。
    int     (*query)(const struct ANativeWindow* window, int what, int* value);//查询参数
    int     (*perform)(struct ANativeWindow* window,int operation, ... );//设置参数，其中也包括做连接
    int     (*dequeueBuffer)(struct ANativeWindow* window, struct ANativeWindowBuffer** buffer, int* fenceFd);//从队列中取出一块Buffer用于生产（一般是图形渲染），若是第一次调用，会触发Buffer的申请
    int     (*queueBuffer)(struct ANativeWindow* window, struct ANativeWindowBuffer* buffer, int fenceFd);//将生产完成的Buffer送还
    int     (*cancelBuffer)(struct ANativeWindow* window,  struct ANativeWindowBuffer* buffer, int fenceFd);//释放Buffer队列中的Buffer，一般是disconnect时调用
};

用于perform和query接口的一些宏定义如下：

/*用于perform和query接口的宏*/
enum {
    NATIVE_WINDOW_SET_USAGE                 =  0,
    NATIVE_WINDOW_CONNECT                   =  1,   /* deprecated */
    NATIVE_WINDOW_DISCONNECT                =  2,   /* deprecated */
    NATIVE_WINDOW_SET_CROP                  =  3,   /* private */
    NATIVE_WINDOW_SET_BUFFER_COUNT          =  4,
    NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_GEOMETRY      =  5,   /* deprecated */
    NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_TRANSFORM     =  6,
    NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_TIMESTAMP     =  7,
    NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_DIMENSIONS    =  8,
    NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_FORMAT        =  9,
    NATIVE_WINDOW_SET_SCALING_MODE          = 10,   /* private */
    NATIVE_WINDOW_LOCK                      = 11,   /* private */
    NATIVE_WINDOW_UNLOCK_AND_POST           = 12,   /* private */
    NATIVE_WINDOW_API_CONNECT               = 13,   /* private */
    NATIVE_WINDOW_API_DISCONNECT            = 14,   /* private */
    NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_USER_DIMENSIONS = 15, /* private */
    NATIVE_WINDOW_SET_POST_TRANSFORM_CROP   = 16,   /* private */
    NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_STICKY_TRANSFORM = 17,/* private */
    NATIVE_WINDOW_SET_SIDEBAND_STREAM       = 18,
    NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_DATASPACE     = 19
};

窗口的创建与使用

Surface

自Android 4.2之后，FramebufferNativeWindow被废弃，所有窗口均继承Surface。Surface本身是一种ANativeWindow。

class Surface
    : public ANativeObjectBase<ANativeWindow, Surface, RefBase>/*Surface继承于ANativeWindow*/
{
public:
    Surface(const sp<IGraphicBufferProducer>& bufferProducer, bool controlledByApp = false);
    /*......*/
private:
    // ANativeWindow hooks
    /*这几个hook函数对应于 window.h 中的接口函数*/
    static int hook_cancelBuffer(ANativeWindow* window,
            ANativeWindowBuffer* buffer, int fenceFd);
    static int hook_dequeueBuffer(ANativeWindow* window,
            ANativeWindowBuffer** buffer, int* fenceFd);
    static int hook_perform(ANativeWindow* window, int operation, ...);
    static int hook_query(const ANativeWindow* window, int what, int* value);
    static int hook_queueBuffer(ANativeWindow* window,
            ANativeWindowBuffer* buffer, int fenceFd);
    static int hook_setSwapInterval(ANativeWindow* window, int interval);

    static int hook_cancelBuffer_DEPRECATED(ANativeWindow* window,
            ANativeWindowBuffer* buffer);
    static int hook_dequeueBuffer_DEPRECATED(ANativeWindow* window,
            ANativeWindowBuffer** buffer);
    static int hook_lockBuffer_DEPRECATED(ANativeWindow* window,
            ANativeWindowBuffer* buffer);
    static int hook_queueBuffer_DEPRECATED(ANativeWindow* window,
            ANativeWindowBuffer* buffer);
    /*.......*/
public:
    /*这两个函数主要是CPU绘图时调用，除了获取，映射Buffer之外，额外将非脏区域从上一块Buffer拷贝到本块Buffer，以便渲染时只绘制脏区域*/
    virtual int lock(ANativeWindow_Buffer* outBuffer, ARect* inOutDirtyBounds);
    virtual int unlockAndPost();
    /*.......*/
private:
    struct BufferSlot {
        sp<GraphicBuffer> buffer;
        Region dirtyRegion;
    };
    /*Buffer生产者，Surface*/
    sp<IGraphicBufferProducer> mGraphicBufferProducer;
    BufferSlot mSlots[NUM_BUFFER_SLOTS];
    /*通过native_window_set_buffers_dimensions改变，用于在合适的时机改变GraphicBuffer的长宽*/
    uint32_t mReqWidth;
    uint32_t mReqHeight;
    /*需求的GraphicBuffer格式，用于动态调整*/
    PixelFormat mReqFormat;
    /*需求Usage说明，影响GraphicBuffer的flags*/
    uint32_t mReqUsage;
    /*时间戳，用于判断Buffer是否过期*/
    int64_t mTimestamp;
    /*Buffer的使用范围*/
    Rect mCrop;
    /*Buffer后续变换需求，只包括水平、垂直翻转，90度旋转*/
    uint32_t mTransformHint;
    /*BufferProducer是否由使用Surface的App控制，这个主要是用来决定dequeueBuffer时是否堵塞*/
    bool mProducerControlledByApp;
    /*......*/
};

}; // namespace android

窗口的创建

用于图形显示的窗口，是由SurfaceFlinger进程负责创建的：

为应用层创建Surface（窗口）时，SurfaceFlinger同步创建一个Layer，并将Layer的生产者关联到Surface上。这样，应用侧便可以通过Surface申请Buffer，作为生产者渲染图像，送显由Layer中的消费者负责。

Buffer循环机制

对于按一定帧率刷新的窗口系统，每一次渲染只有很有限的时间，频繁地申请/释放图形内存是不可接受的。Android的做法是维护一个Buffer队列，按生产者——消费者模式循环利用。这个Buffer就是上一章所述的GraphicBuffer。

Buffer的状态

Buffer队列池中持有固定数量的Buffer（由setBufferCount函数决定，一般是3块），每个Buffer有四种状态，决定其是否可以被生产者/消费者访问。

Buffer的生产

序号化

由于Layer位于SurfaceFlinger进程中，GraphicBuffer是在SurfaceFlinger进程中创建的。应用层作为生产者，使用时需要将其映射到自己的进程空间。在每次申请Buffer时都做一次映射很不明智。
很容易想到的一个方法是在应用层建一个GraphicBuffer队列，和SurfaceFlinger中的Buffer队列对应地映射起来，每次申请和返还时，以序号代替真实的GraphicBuffer传替。Android也正是这么做的。

dequeueBuffer

Surface::dequeueBuffer(android_native_buffer_t** buffer, int* fenceFd)
这接口用于申请内存进行生产（渲染）。
于Surface侧，它获取Buffer的序列号，然后检查是否已经同步过，若没有同步过调用requestBuffer同步（映射共享内存）。
于BufferQueue侧，它检查是否有 FREE 标志的Buffer，如果没有，根据 mProducerControlledByApp 标志决定返回错误码或者等待。
fenceFd是BufferQueue返回给Surface的，生产者有义务去等fence。

queueBuffer

int Surface::queueBuffer(android_native_buffer_t* buffer, int fenceFd)
于Surface侧，它将Buffer送还给BufferQueue，但这不一定表示生产者用完了，消费者获取到Buffer之后仍有义务等fence。
于BufferQueue侧，接收到Buffer，将其放到一个可用队列中，修改状态，并且触发监听器的onFrameAvailable函数。

Buffer的消费

acquireBuffer

消费者获取buffer，由于在queueBuffer时，会将Buffer放到一个队列中，这时便从那个队列去取。

releaseBuffer

消费者释放buffer。