Android SurfaceFlinger中的SharedClient -- 客户端（Surface）和服务端（Layer）之间的显示缓冲区管理

http://blog.csdn.net/DroidPhone/archive/2010/10/28/5972568.aspx

SurfaceFlinger在系统启动阶段作为系统服务被加载。应用程序中的每个窗口，对应本地代码中的Surface，而Surface又对应于SurfaceFlinger中的各个Layer，SurfaceFlinger的主要作用是为这些Layer申请内存，根据应用程序的请求管理这些Layer显示、隐藏、重画等操作，最终由SurfaceFlinger把所有的Layer组合到一起，显示到显示器上。当一个应用程序需要在一个Surface上进行画图操作时，首先要拿到这个Surface在内存中的起始地址，而这块内存是在SurfaceFlinger中分配的，因为SurfaceFlinger和应用程序并不是运行在同一个进程中，如何在应用客户端（Surface）和服务端（SurfaceFlinger - Layer）之间传递和同步显示缓冲区？这正是本文要讨论的内容。

Surface的创建过程

我们先看看Android如何创建一个Surface，下面的序列图展示了整个创建过程。

                                                              图一   Surface的创建过程

创建Surface的过程基本上分为两步：

1. 建立SurfaceSession

第一步通常只执行一次，目的是创建一个SurfaceComposerClient的实例，JAVA层通过JNI调用本地代码，本地代码创建一个SurfaceComposerClient的实例，SurfaceComposerClient通过ISurfaceComposer接口调用SurfaceFlinger的createConnection，SurfaceFlinger返回一个ISurfaceFlingerClient接口给SurfaceComposerClient，在createConnection的过程中，SurfaceFlinger创建了用于管理缓冲区切换的SharedClient，关于SharedClient我们下面再介绍，最后，本地层把SurfaceComposerClient的实例返回给JAVA层，完成SurfaceSession的建立。

2. 利用SurfaceSession创建Surface

JAVA层通过JNI调用本地代码Surface_Init()，本地代码首先取得第一步创建的SurfaceComposerClient实例，通过SurfaceComposerClient，调用ISurfaceFlingerClient接口的createSurface方法，进入SurfaceFlinger，SurfaceFlinger根据参数，创建不同类型的Layer，然后调用Layer的setBuffers()方法，为该Layer创建了两个缓冲区，然后返回该Layer的ISurface接口，SurfaceComposerClient使用这个ISurface接口创建一个SurfaceControl实例，并把这个SurfaceControl返回给JAVA层。

由此得到以下结果：

• JAVA层的Surface实际上对应于本地层的SurfaceControl对象，以后本地代码可以使用JAVA传入的SurfaceControl对象，通过SurfaceControl的getSurface方法，获得本地Surface对象；
• Android为每个Surface分配了两个图形缓冲区，以便实现Page-Flip的动作；
• 建立SurfaceSession时，SurfaceFlinger创建了用于管理两个图形缓冲区切换的SharedClient对象，SurfaceComposerClient可以通过ISurfaceFlingerClient接口的getControlBlock()方法获得这个SharedClient对象，查看SurfaceComposerClient的成员函数_init:

 

void SurfaceComposerClient::_init(
        const sp<ISurfaceComposer>& sm, const sp<ISurfaceFlingerClient>& conn)
{
    ......
    mClient = conn;
    if (mClient == 0) {
        mStatus = NO_INIT;
        return;
    }

    mControlMemory = mClient->getControlBlock();
    mSignalServer = sm;
    mControl = static_cast<SharedClient *>(mControlMemory->getBase());
}

void SurfaceComposerClient::_init( const sp<ISurfaceComposer>& sm, const sp<ISurfaceFlingerClient>& conn) { ...... mClient = conn; if (mClient == 0) { mStatus = NO_INIT; return; } mControlMemory = mClient->getControlBlock(); mSignalServer = sm; mControl = static_cast<SharedClient *>(mControlMemory->getBase()); }

 

获得Surface对应的显示缓冲区

虽然在SurfaceFlinger在创建Layer时已经为每个Layer申请了两个缓冲区，但是此时在JAVA层并看不到这两个缓冲区，JAVA层要想在Surface上进行画图操作，必须要先把其中的一个缓冲区绑定到Canvas中，然后所有对该Canvas的画图操作最后都会画到该缓冲区内。下图展现了绑定缓冲区的过程：

                                                                            图二  绑定缓冲区的过程

    开始在Surface画图前，Surface.java会先调用lockCanvas()来得到要进行画图操作的Canvas，lockCanvas会进一步调用本地层的Surface_lockCanvas，本地代码利用JAVA层传入的SurfaceControl对象，通过getSurface()取得本地层的Surface对象，接着调用该Surface对象的lock()方法，lock()返回了改Surface的信息，其中包括了可用缓冲区的首地址vaddr，该vaddr在Android的2D图形库Skia中，创建了一个bitmap，然后通过Skia库中Canvas的API：Canvas.setBitmapDevice(bitmap)，把该bitmap绑定到Canvas中，最后把这个Canvas返回给JAVA层，这样JAVA层就可以在该Canvas上进行画图操作，而这些画图操作最终都会画在以vaddr为首地址的缓冲区中。

    再看看在Surface的lock()方法中做了什么：

• dequeueBuffer(&backBuffer)获取backBuffer
  • SharedBufferClient->dequeue()获得当前空闲缓冲区的编号
  • 通过缓冲区编号获得真正的GraphicBuffer:backBuffer
  • 如果还没有对Layer中的buffer进行映射（Mapper），getBufferLocked通过ISurface接口重新重新映射
• 获取frontBuffer
• 根据两个Buffer的更新区域，把frontBuffer的内容拷贝到backBuffer中，这样保证了两个Buffer中显示内容的同步
• backBuffer->lock() 获得backBuffer缓冲区的首地址vaddr
• 通过info参数返回vaddr

释放Surface对应的显示缓冲区

画图完成后，要想把Surface的内容显示到屏幕上，需要把Canvas中绑定的缓冲区释放，并且把该缓冲区从变成可投递（因为默认只有两个buffer，所以实际上就是变成了frontBuffer），SurfaceFlinger的工作线程会在适当的刷新时刻，把系统中所有的frontBuffer混合在一起，然后通过OpenGL刷新到屏幕上。下图展现了解除绑定缓冲区的过程：

                                                                 图三  解除绑定缓冲区的过程

• JAVA层调用unlockCanvasAndPost
• 进入本地代码：Surface_unlockCanvasAndPost
• 本地代码利用JAVA层传入的SurfaceControl对象，通过getSurface()取得本地层的Surface对象
• 绑定一个空的bitmap到Canvas中
• 调用Surface的unlockAndPost方法
  • 调用GraphicBuffer的unlock()，解锁缓冲区
  • 在queueBuffer()调用了SharedBufferClient的queue()，把该缓冲区更新为可投递状态

SharedClient 和 SharedBufferStack

从前面的讨论可以看到，Canvas绑定缓冲区时，要通过SharedBufferClient的dequeue方法取得空闲的缓冲区，而解除绑定并提交缓冲区投递时，最后也要调用SharedBufferClient的queue方法通知SurfaceFlinger的工作线程。实际上，在SurfaceFlinger里，每个Layer也会关联一个SharedBufferServer，SurfaceFlinger的工作线程通过SharedBufferServer管理着Layer的缓冲区，在SurfaceComposerClient建立连接的阶段，SurfaceFlinger就已经为该连接创建了一个SharedClient 对象，SharedClient 对象中包含了一个SharedBufferStack数组，数组的大小是31，每当创建一个Surface，就会占用数组中的一个SharedBufferStack，然后SurfaceComposerClient端的Surface会创建一个SharedBufferClient和该SharedBufferStack关联，而SurfaceFlinger端的Layer也会创建SharedBufferServer和SharedBufferStack关联，实际上每对SharedBufferClient/SharedBufferServer是控制着同一个SharedBufferStack对象，通过SharedBufferStack，保证了负责对Surface的画图操作的应用端和负责刷新屏幕的服务端（SurfaceFlinger）可以使用不同的缓冲区，并且让他们之间知道对方何时锁定/释放缓冲区。

SharedClient和SharedBufferStack的代码和头文件分别位于：

/frameworks/base/libs/surfaceflinger_client/SharedBufferStack.cpp

/frameworks/base/include/private/surfaceflinger/SharedBufferStack.h

                                                                       图四    客户端和服务端缓冲区管理

     继续研究SharedClient、SharedBufferStack、SharedBufferClient、SharedBufferServer的诞生过程。

    1. SharedClient

•     在createConnection阶段，SurfaceFlinger创建Client对象：

 

sp<ISurfaceFlingerClient> SurfaceFlinger::createConnection()
{
    Mutex::Autolock _l(mStateLock);
    uint32_t token = mTokens.acquire();

    sp<Client> client = new Client(token, this);
    if (client->ctrlblk == 0) {
        mTokens.release(token);
        return 0;
    }
    status_t err = mClientsMap.add(token, client);
    if (err < 0) {
        mTokens.release(token);
        return 0;
    }
    sp<BClient> bclient =
        new BClient(this, token, client->getControlBlockMemory());
    return bclient;
}

sp<ISurfaceFlingerClient> SurfaceFlinger::createConnection() { Mutex::Autolock _l(mStateLock); uint32_t token = mTokens.acquire(); sp<Client> client = new Client(token, this); if (client->ctrlblk == 0) { mTokens.release(token); return 0; } status_t err = mClientsMap.add(token, client); if (err < 0) { mTokens.release(token); return 0; } sp<BClient> bclient = new BClient(this, token, client->getControlBlockMemory()); return bclient; }

 

• 再进入Client的构造函数中，它分配了4K大小的共享内存，并在这块内存上构建了SharedClient对象：

 

Client::Client(ClientID clientID, const sp<SurfaceFlinger>& flinger)
    : ctrlblk(0), cid(clientID), mPid(0), mBitmap(0), mFlinger(flinger)
{
    const int pgsize = getpagesize();
    const int cblksize = ((sizeof(SharedClient)+(pgsize-1))&~(pgsize-1));

    mCblkHeap = new MemoryHeapBase(cblksize, 0,
            "SurfaceFlinger Client control-block");

    ctrlblk = static_cast<SharedClient *>(mCblkHeap->getBase());
    if (ctrlblk) { // construct the shared structure in-place.
        new(ctrlblk) SharedClient;
    }
}

Client::Client(ClientID clientID, const sp<SurfaceFlinger>& flinger) : ctrlblk(0), cid(clientID), mPid(0), mBitmap(0), mFlinger(flinger) { const int pgsize = getpagesize(); const int cblksize = ((sizeof(SharedClient)+(pgsize-1))&~(pgsize-1)); mCblkHeap = new MemoryHeapBase(cblksize, 0, "SurfaceFlinger Client control-block"); ctrlblk = static_cast<SharedClient *>(mCblkHeap->getBase()); if (ctrlblk) { // construct the shared structure in-place. new(ctrlblk) SharedClient; } }

 

• 回到createConnection中，通过Client的getControlBlockMemory()方法获得共享内存块的IMemoryHeap接口，接着创建ISurfaceFlingerClient的子类BClient，BClient的成员变量mCblk保存了IMemoryHeap接口指针；
• 把BClient返回给SurfaceComposerClient，SurfaceComposerClient通过ISurfaceFlingerClient接口的getControlBlock()方法获得IMemoryHeap接口指针，同时保存在SurfaceComposerClient的成员变量mControlMemory中；
• 继续通过IMemoryHeap接口的getBase ()方法获取共享内存的首地址，转换为SharedClient指针后保存在SurfaceComposerClient的成员变量mControl中；
• 至此，SurfaceComposerClient的成员变量mControl和SurfaceFlinger::Client.ctrlblk指向了同一个内存块，该内存块上就是SharedClient对象。 

    2. SharedBufferStack、SharedBufferServer、SharedBufferClient

    SharedClient对象中有一个SharedBufferStack数组：

    SharedBufferStack surfaces[ NUM_LAYERS_MAX ];

    NUM_LAYERS_MAX 被定义为31，这样保证了SharedClient对象的大小正好满足4KB的要求。创建一个新的Surface时，进入SurfaceFlinger的createSurface函数后，先取在createConnection阶段创建的Client对象，通过Client在0--NUM_LAYERS_MAX 之间取得一个尚未被使用的编号，这个编号实际上就是SharedBufferStack数组的索引：

 

int32_t id = client->generateId(pid);

int32_t id = client->generateId(pid);  

 

 然后以Client对象和索引值以及其他参数，创建不同类型的Layer对象，一普通的Layer对象为例：

 

layer = createNormalSurfaceLocked(client, d, id,
                        w, h, flags, format);

layer = createNormalSurfaceLocked(client, d, id, w, h, flags, format);

 

在createNormalSurfaceLocked中创建Layer对象：

 

sp<Layer> layer = new Layer(this, display, client, id);

sp<Layer> layer = new Layer(this, display, client, id);

 

构造Layer时会先构造的父类LayerBaseClient，LayerBaseClient中创建了SharedBufferServer对象，SharedBufferStack 数组的索引值和SharedClient被传入SharedBufferServer对象中。

 

LayerBaseClient::LayerBaseClient(SurfaceFlinger* flinger, DisplayID display,
        const sp<Client>& client, int32_t i)
    : LayerBase(flinger, display), lcblk(NULL), client(client), mIndex(i),
      mIdentity(uint32_t(android_atomic_inc(&sIdentity)))
{
    lcblk = new SharedBufferServer(
            client->ctrlblk, i, NUM_BUFFERS,
            mIdentity);
}

LayerBaseClient::LayerBaseClient(SurfaceFlinger* flinger, DisplayID display, const sp<Client>& client, int32_t i) : LayerBase(flinger, display), lcblk(NULL), client(client), mIndex(i), mIdentity(uint32_t(android_atomic_inc(&sIdentity))) { lcblk = new SharedBufferServer( client->ctrlblk, i, NUM_BUFFERS, mIdentity); }

 

    自此，Layer通过lcblk成员变量(SharedBufferServer)和SharedClient共享内存区建立了关联，并且每个Layer对应于SharedBufferStack 数组中的一项。

    回到SurfaceFlinger的客户端Surface.cpp中，Surface的构造函数如下：

 

Surface::Surface(const sp<SurfaceControl>& surface)
    : mClient(surface->mClient), mSurface(surface->mSurface),
      mToken(surface->mToken), mIdentity(surface->mIdentity),
      mFormat(surface->mFormat), mFlags(surface->mFlags),
      mBufferMapper(GraphicBufferMapper::get()), mSharedBufferClient(NULL),
      mWidth(surface->mWidth), mHeight(surface->mHeight)
{
    mSharedBufferClient = new SharedBufferClient(
            mClient->mControl, mToken, 2, mIdentity);

    init();
}

Surface::Surface(const sp<SurfaceControl>& surface) : mClient(surface->mClient), mSurface(surface->mSurface), mToken(surface->mToken), mIdentity(surface->mIdentity), mFormat(surface->mFormat), mFlags(surface->mFlags), mBufferMapper(GraphicBufferMapper::get()), mSharedBufferClient(NULL), mWidth(surface->mWidth), mHeight(surface->mHeight) { mSharedBufferClient = new SharedBufferClient( mClient->mControl, mToken, 2, mIdentity); init(); }

 

SharedBufferClient构造参数mClient->mControl就是共享内存块中的SharedClient对象，mToken就是SharedBufferStack 数组索引值。

到这里我们终于知道，Surface中的mSharedBufferClient成员和Layer中的lcblk成员(SharedBufferServer)，通过SharedClient中的同一个SharedBufferStack，共同管理着Surface（Layer）中的两个缓冲区。