Surfaceflinger process流程分析

本文深入解析了SurfaceFlinger的工作原理,包括其初始化过程、线程循环机制、surface和layer的创建,以及如何处理上层命令并通过OpenGL进行图像合成。

根据前面的介绍,surfaceflinger作为一个server process(其进程入口见main_surfaceflinger.cpp中的main函数),上层的应用程序(作为client)通过Binder方式与其进行通信。Surfaceflinger作为一个进程,这里把它分为3个部分,如下:

1、 Thread本身处理部分,包括初始化以及thread loop。

2、 Binder部分,负责接收上层应用的各个设置和命令,并反馈状态标志给上层。

3、 与底层的交互,负责调用底层接口(HAL)。

结构图如下:

注释:

a、 Binder接收到应用程序的命令(如创建surface、设置参数等),传递给flinger。

b、 Flinger完成对应命令后将相关结果状态反馈给上层。

c、 在处理上层命令过程中,根据需要设置event(主要和显示有关),通知Thread Loop进行处理。

d、 Flinger根据上层命令通知底层进行处理(主要是设置一些参数,Layer、position等)

e、 Thread Loop中进行surface的合成并通知底层进行显示(Post buffer)。

f、   DisplayHardware层根据flinger命令调用HAL进行HW的操作。

 

下面来具体分析一些SurfaceFlinger中重要的处理函数以及surface、Layer的属性

1. SurfaceFlinger::readyToRun

   SurfaceFlinger thread的初始化函数,主要任务是分配内存和设置底层接口(EGL&HAL)。

 

status_t SurfaceFlinger::readyToRun()
{
    LOGI(   "SurfaceFlinger's main thread ready to run. "
            "Initializing graphics H/W...");

    // we only support one display currently
    int dpy = 0;

    {
        // initialize the main display
        GraphicPlane& plane(graphicPlane(dpy));
        DisplayHardware* const hw = new DisplayHardware(this, dpy);
        plane.setDisplayHardware(hw);
    }

    // create the shared control-block
    mServerHeap = new MemoryHeapBase(4096,
            MemoryHeapBase::READ_ONLY, "SurfaceFlinger read-only heap");
    LOGE_IF(mServerHeap==0, "can't create shared memory dealer");

    mServerCblk = static_cast<surface_flinger_cblk_t*>(mServerHeap->getBase());
    LOGE_IF(mServerCblk==0, "can't get to shared control block's address");

    new(mServerCblk) surface_flinger_cblk_t;

    // 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();

    // initialize the shared control block
    mServerCblk->connected |= 1<<dpy;
    display_cblk_t* dcblk = mServerCblk->displays + dpy;
    memset(dcblk, 0, sizeof(display_cblk_t));
    dcblk->w            = plane.getWidth();
    dcblk->h            = plane.getHeight();
    dcblk->format       = f;
    dcblk->orientation  = ISurfaceComposer::eOrientationDefault;
    dcblk->xdpi         = hw.getDpiX();
    dcblk->ydpi         = hw.getDpiY();
    dcblk->fps          = hw.getRefreshRate();
    dcblk->density      = hw.getDensity();

    // Initialize OpenGL|ES
    glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 4);
    glPixelStorei(GL_PACK_ALIGNMENT, 4);
    glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
    glEnable(GL_SCISSOR_TEST);
    glShadeModel(GL_FLAT);
    glDisable(GL_DITHER);
    glDisable(GL_CULL_FACE);

    const uint16_t g0 = pack565(0x0F,0x1F,0x0F);
    const uint16_t g1 = pack565(0x17,0x2f,0x17);
    const uint16_t wormholeTexData[4] = { g0, g1, g1, g0 };
    glGenTextures(1, &mWormholeTexName);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, mWormholeTexName);
    glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
    glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
    glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
    glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, 2, 2, 0,
            GL_RGB, GL_UNSIGNED_SHORT_5_6_5, wormholeTexData);

    const uint16_t protTexData[] = { pack565(0x03, 0x03, 0x03) };
    glGenTextures(1, &mProtectedTexName);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, mProtectedTexName);
    glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
    glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
    glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
    glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, 1, 1, 0,
            GL_RGB, GL_UNSIGNED_SHORT_5_6_5, protTexData);

    glViewport(0, 0, w, h);
    glMatrixMode(GL_PROJECTION);
    glLoadIdentity();
    // put the origin in the left-bottom corner
    glOrthof(0, w, 0, h, 0, 1); // l=0, r=w ; b=0, t=h

    mReadyToRunBarrier.open();

    /*
     *  We're now ready to accept clients...
     */

    // start boot animation
    property_set("ctl.start", "bootanim");

    return NO_ERROR;
}


2. SurfaceFlinger::threadLoop

       Surfaceflinger的loop函数,主要是等待其他接口发送的event,进行显示数据的合成以及显示。

 

bool SurfaceFlinger::threadLoop()
{
    waitForEvent();  //等待其他接口的signal event

    // post surfaces (if needed)
    handlePageFlip();   //处理翻页机制

    if (UNLIKELY(mHwWorkListDirty)) {
        // build the h/w work list
        handleWorkList();
    }

    const DisplayHardware& hw(graphicPlane(0).displayHardware());
    if (LIKELY(hw.canDraw())) {
        // repaint the framebuffer (if needed)

        const int index = hw.getCurrentBufferIndex();
        GraphicLog& logger(GraphicLog::getInstance());

        logger.log(GraphicLog::SF_REPAINT, index);
        handleRepaint(); //合并所有layer并填充到buffer中去

        // inform the h/w that we're done compositing
        logger.log(GraphicLog::SF_COMPOSITION_COMPLETE, index);
        hw.compositionComplete();

        logger.log(GraphicLog::SF_SWAP_BUFFERS, index);
        postFramebuffer();  //互换front buffer和back buffer,调用EGL接口进行显示

        logger.log(GraphicLog::SF_REPAINT_DONE, index);
    } else {
        // pretend we did the post
        hw.compositionComplete();
        usleep(16667); // 60 fps period,每秒刷新60次
    }
    return true;
}


3. SurfaceFlinger::createSurface 

      提供给应用程序的主要接口,该接口可以创建一个surface,底层会根据参数创建layer以及分配内存(共2个buffer:front/back buffer),surface相关参数会反馈给上层。 

sp<ISurface> SurfaceFlinger::createSurface(
        ISurfaceComposerClient::surface_data_t* params,
        const String8& name,
        const sp<Client>& client,
        DisplayID d, uint32_t w, uint32_t h, PixelFormat format,
        uint32_t flags)
{
    sp<LayerBaseClient> layer;
    sp<ISurface> surfaceHandle;

    if (int32_t(w|h) < 0) {
        LOGE("createSurface() failed, w or h is negative (w=%d, h=%d)",
                int(w), int(h));
        return surfaceHandle;
    }

    //LOGD("createSurface for pid %d (%d x %d)", pid, w, h);
    sp<Layer> normalLayer;
    //创建layer,根据参数(宽高格式)分配内存(共2个buffer:front/back buffer)
    switch (flags & eFXSurfaceMask) {
        case eFXSurfaceNormal:
            normalLayer = createNormalSurface(client, d, w, h, flags, format);
            layer = normalLayer;
            break;
        case eFXSurfaceBlur:
            // for now we treat Blur as Dim, until we can implement it
            // efficiently.
        case eFXSurfaceDim:
            layer = createDimSurface(client, d, w, h, flags);
            break;
        case eFXSurfaceScreenshot:
            layer = createScreenshotSurface(client, d, w, h, flags);
            break;
    }

    if (layer != 0) {
        layer->initStates(w, h, flags);
        layer->setName(name);
        ssize_t token = addClientLayer(client, layer);
        
        //创建surface
        surfaceHandle = layer->getSurface();
        if (surfaceHandle != 0) {
            params->token = token;
            params->identity = layer->getIdentity();
            if (normalLayer != 0) {
                Mutex::Autolock _l(mStateLock);
                mLayerMap.add(layer->getSurfaceBinder(), normalLayer);
            }
        }

        setTransactionFlags(eTransactionNeeded);
    }

    return surfaceHandle;
}


 4. SurfaceFlinger::setTransactionState

处理上层的各个命令,并根据flag设置event通知Threadloop进行处理。

void SurfaceFlinger::setTransactionState(const Vector<ComposerState>& state,
        int orientation) {
    Mutex::Autolock _l(mStateLock);

    uint32_t flags = 0;
    if (mCurrentState.orientation != orientation) {
        if (uint32_t(orientation)<=eOrientation270 || orientation==42) {
            mCurrentState.orientation = orientation;
            flags |= eTransactionNeeded;
            mResizeTransationPending = true;
        } else if (orientation != eOrientationUnchanged) {
            LOGW("setTransactionState: ignoring unrecognized orientation: %d",
                    orientation);
        }
    }

    const size_t count = state.size();
    for (size_t i=0 ; i<count ; i++) {
        const ComposerState& s(state[i]);
        sp<Client> client( static_cast<Client *>(s.client.get()) );
        flags |= setClientStateLocked(client, s.state);
    }
    if (flags) {
        setTransactionFlags(flags);
    }

    signalEvent();

    // if there is a transaction with a resize, wait for it to
    // take effect before returning.
    while (mResizeTransationPending) {
        status_t err = mTransactionCV.waitRelative(mStateLock, s2ns(5));
        if (CC_UNLIKELY(err != NO_ERROR)) {
            // just in case something goes wrong in SF, return to the
            // called after a few seconds.
            LOGW_IF(err == TIMED_OUT, "closeGlobalTransaction timed out!");
            mResizeTransationPending = false;
            break;
        }
    }
}


5. SurfaceFlinger::composeSurfaces

       该接口在threadLoop->handleRepaint中被调用,负责将所有存在的surface进行合并,OpenGL模块负责这个部分。

6. SurfaceFlinger::postFramebuffer

      该接口在threadLoop中被调用,负责将合成好的数据(存在于back buffer中)推入front buffer中,然后调用HAL接口命令底层显示。 

 7. surface与layer

     从3中可知,上层每创建一个surface的时候,底层都会同时创建一个layer,下面看一下surface及layer的相关属性。

Note:code中相关结构体太大,就不全部罗列出来了

   A、Surface相关属性(详细参考文件surface.h)

       a1:SurfaceID:根据此ID把相关surface和layer对应起来

      a2:SurfaceInfo

               包括宽高格式等信息

       a3:2个buffer指针、buffer索引等信息

   B、Layer相关属性(详细参考文件layer.h/layerbase.h/layerbitmap.h)

               包括Layer的ID、宽高、位置、layer、alpha指、前后buffer地址及索引、layer的状态信息(如eFlipRequested、eBusy、eLocked等)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SurfaceFlingerSurfaceFlinger SurfaceFlinger SurfaceFlinger SurfaceFlinger SurfaceFlingerSurfaceFlinger 服务是在 服务是在 服务是在 SystemSystemSystemSystemSystem 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 进程中启动的,并且负责统一管理设备帧缓冲区。 SurfaceFlingerSurfaceFlinger SurfaceFlinger SurfaceFlinger SurfaceFlinger SurfaceFlingerSurfaceFlinger 服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件服务在启动的过程中, 会创建两个线其一用来监控制台事件而另外一个线程用来渲染系统的 而另外一个线程用来渲染系统的 而另外一个线程用来渲染系统的 而另外一个线程用来渲染系统的 而另外一个线程用来渲染系统的 而另外一个线程用来渲染系统的 而另外一个线程用来渲染系统的 UI 。
<think>好的,用户现在想了解SurfaceFlinger的绘制流程以及Android图形系统。首先,我需要回顾之前的对话历史。用户之前询问了nWatchCall的触发条件,涉及嵌入式系统和实时操作系统的监控机制,现在转向Android图形系统,这可能是因为他们在开发或调试Android应用时遇到了性能问题,或者想深入理解底层机制。 用户的问题明确提到SurfaceFlinger,所以需要集中讲解它的作用、绘制流程,以及与整个Android图形系统的关系。首先,我应该从Android图形系统的整体架构入手,解释各个组件如应用层、Surface、BufferQueue、SurfaceFlinger、HAL和显示硬件之间的关系。 接下来,需要详细说明SurfaceFlinger的绘制流程。这里要分步骤,比如合成触发条件(垂直同步信号VSync)、图层准备、合成策略选择(比如客户端合成还是设备合成)、GPU合成过程,以及最终的显示输出。要注意使用用户之前提到的数学表达式,例如VSync周期可以用时间变量表示,比如$T_{VSync}=16.67\text{ms}$,这样符合用户之前的格式要求。 另外,用户之前的回答中包含了代码示例,所以在讲解过程中可能需要插入一些伪代码或Android源码片段,例如SurfaceFlinger的合成循环或VSync处理。不过要注意不要过于深入代码细节,保持解释的清晰度。 还需要考虑用户可能的深层需求。他们可能不仅仅是想要了解流程,而是想优化应用的渲染性能,或者解决图形相关的问题。因此,在相关问题中可以包括性能优化方法、调试工具(如Systrace)、VSync机制的影响,以及SurfaceView和TextureView的区别,这些都是开发者常遇到的问题。 要确保回答结构清晰,分点说明,使用标题和子标题,并适当引用之前的格式,如表格和代码块。同时,检查是否需要添加引用标识,但根据用户当前的问题,可能不需要,除非有特定的文档或源码引用。最后,生成的相关问题要针对常见的使用场景和潜在问题,帮助用户进一步探索。</think>### SurfaceFlinger绘制流程与Android图形系统解析 --- #### 一、Android图形系统架构概览 Android图形系统采用分层设计,核心流程可抽象为: $$ \text{应用层} \xrightarrow{\text{BufferQueue}} \text{SurfaceFlinger} \xrightarrow{\text{Hardware Composer}} \text{Display} $$ 关键组件: 1. **应用层**:通过`Canvas`/`OpenGL ES`/`Vulkan`生成图形数据 2. **Surface**:每个窗口对应一个Surface,通过`BufferQueue`传递帧数据 3. **SurfaceFlinger**:系统级合成服务(源码位于`frameworks/native/services/surfaceflinger`) 4. **Hardware Composer (HWC)**:硬件抽象层,优化合成策略[^1] --- #### 二、SurfaceFlinger绘制流程详解 ##### 1. 合成触发条件 - **垂直同步信号(VSync)** 系统以固定周期(如$T_{VSync}=16.67\text{ms}$)触发合成操作,数学表达为: $$t_{n+1} = t_n + \frac{1}{60}\text{Hz}$$ 通过`DispSync`模块实现预测和相位校正[^2] ##### 2. 图层准备阶段 ```cpp // SurfaceFlinger合成循环核心逻辑(简化版) void SurfaceFlinger::composite() { Vector<Layer*> layers; mDrawingState.traverseInZOrder([&](Layer* layer) { if (layer->isVisible()) { layers.add(layer); } }); // 执行图层状态同步和缓冲区获取 for (auto layer : layers) { layer->latchBuffer(); // 从BufferQueue获取最新缓冲区 } } ``` ##### 3. 合成策略选择 | 合成类型 | 数学条件 | 适用场景 | |----------------|----------------------------------|-----------------------| | 客户端合成 | $\sum \text{GLES操作耗时} < T_{VSync}/2$ | 动态UI(如过渡动画) | | 设备合成(HWC) | $\text{图层数} \leq \text{HWC能力上限}$ | 静态界面(主屏幕) | ##### 4. GPU合成过程 对于需要GPU处理的图层: $$F_{\text{final}} = \bigoplus_{i=1}^{n} (L_i \otimes M_{\text{alpha}_i})$$ 其中$L_i$为第i个图层,$M_{\text{alpha}}$为透明度混合矩阵 ##### 5. 显示输出 通过`HWComposer`提交最终帧缓冲区,触发`DRM`(Direct Rendering Manager)驱动完成实际显示刷新 --- #### 三、性能关键指标 1. **合成延迟**: $$Latency_{\text{comp}} = t_{\text{HWC提交}} - t_{\text{VSync}}$$ 目标值需满足$Latency_{\text{comp}} < 3\text{ms}$[^3] 2. **掉帧检测**: $$Jank_{\text{count}} = \sum_{n=1}^{N} \mathbb{I}(t_{\text{frame}_n} > T_{VSync})$$ 通过`dumpsys SurfaceFlinger --latency`命令可获取数据 --- #### 四、调试工具与优化 1. **Systrace标记**: ```python # 自定义Trace标记示例 from systrace import Tracer with Tracer('MyApp', 'VSYNC-handling'): process_vsync_event() ``` 2. **图层分析**: 使用`dumpsys SurfaceFlinger`查看: ``` + Layer 0x7a1 (com.example.app) z=21000, pos=(0,0), size=(1080,2400), alpha=1.0 buffer=0x7d3, queued-frames=2 ``` ---
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