android surfaceflinger研究----Surface机制

前一篇文章介绍了android的显示系统，这篇文章中，我们把视角往上层移动一下，研究一下framework是如何与surfaceflinger进行业务交互的。如何创建surface，如何显示窗口等等，所有的这一切都是通过系统服务WindowManagerService与surfaceflinger来进行的。

android中的Surface机制这一块代码写的比较难理解，光叫Surface的类就有3个，因此本篇文章从两部分来分析，首先，想要理解Surface机制，还是需要首先理清各个类之间的关系。其次，在理解了整个Surface机制的类关系之后，到时我们再结合前一篇文章中对显示系统的介绍，研究一下一个Surface是如何和显示系统建立起联系来的，这个联系主要是指Surface的显示buffer的存储管理。在下篇文章中，再分析SurfaceFlinger是如何将已经存储了窗口图形数据的Surface Buffer显示到显示系统中。。

1. Surface机制的静态关系

将这一部分叫做Surface机制，是有别于SurfaceFlinger而言的，android的图形系统中，作为C/S模型两端的WMS和SurfaceFlinger是图形系统业务的核心，但是不把WMS和SurfaceFlinger中间的这层联系搞清楚的话，是很难理解整个图形系统的，在本文中我将两者之间的这个联系关系称之为Surface机制，它的主要任务就是创建一个Surface，ViewRoot在这个Surface上描绘当前的窗口，SurfaceFlinger将这个Surface flinger(扔)给显示系统将其呈现在硬件设备上。其实这里这个Surface在不同的模块中是以不同的形态存在的，唯一不变的就是其对应的显示Buffer。

1.1 ViewRoot和WMS共享Surface

我们知道每个Activity都会有一个ViewRoot作为Activity Window与WMS交互的接口，ViewRoot会绘制整个Activity的窗口View到Surface上，因此我们在ViewRoot中就有了创建Surface的需求。看一下代码中的Surface的定义：

relayoutWindow()@ViewRoot.java

<span style="font-size: 13px;">    private final Surface mSurface = new Surface();</span>

Surface()@Surface.java

<span style="font-size: 13px;">    public Surface() {
        if (DEBUG_RELEASE) {
            mCreationStack = new Exception();
        }
        mCanvas = new CompatibleCanvas();
    }</span>

由上面可以看出在ViewRoot中定义的Surface只是一个空壳，那么真正的Surface是在哪里被初始化的呢？大管家WMS中！当ViewRoot请求WMS relayout时，会将ViewSurface中的Surface交给WMS初始化。在WMS中，对应每个WindowState对象，在relayout窗口时，同样会创建一个Surface，wms中的这个Surface会真正的初始化，然后再将这个WMS Surface复制给ViewRoot中的Surface。这么实现的目的就是保证ViewRoot和WMS共享同一个Surface。ViewRoot对Surface进行绘制，WMS对这个Surface进行初始化及管理。很和谐！

relayoutWindow()@ViewRoot.java

<span style="font-size: 13px;">        int relayoutResult = sWindowSession.relayout(
                mWindow, params,
                (int) (mView.mMeasuredWidth * appScale + 0.5f),
                (int) (mView.mMeasuredHeight * appScale + 0.5f),
                viewVisibility, insetsPending, mWinFrame,
                mPendingContentInsets, mPendingVisibleInsets,
                mPendingConfiguration, mSurface);</span>

relayoutWindow()@WindowManagerService.java

<span style="font-size: 13px;">                    Surface surface = win.createSurfaceLocked();
                    if (surface != null) {
                        outSurface.copyFrom(surface);
                        win.mReportDestroySurface = false;
                        win.mSurfacePendingDestroy = false;
                        if (SHOW_TRANSACTIONS) Slog.i(TAG,
                                "  OUT SURFACE " + outSurface + ": copied");
                    } else {</span>

1.2SurfaceSession

SurfaceSession可以认为是创建Surface过程中，WMS和SurfaceFlinger之间的会话层，通过这个SurfaceSession实现了Surface的创建。

SurfaceSession是JAVA层的概念，@SurfaceSession.java。它对应的native实体是一个SurfaceComposerClient对象。

SurfaceComposerClient通过ComposerService类来获得SurfaceFlinger的IBinder接口，但是光获得SurfaceFlinger的IBinder接口是不够的，要想请求SurfaceFlinger创建一个Surface，还需要向SurfaceFlinger获得一个IBinder接口ISurfaceComposerClient，通过这个ISurfaceComposerClient来请求SurfaceFlinger创建一个Surface，为什么这么绕呢，为什么不直接让SurfaceFlinger创建Surface呢？

站在SurfaceFlinger的角度来考虑，对于SurfaceFlinger来说，可能有多个Client来请求SurfaceFlinger的业务，每个Client可能会请求SurfaceFlinger创建多个Surface，那么SurfaceFlinger本地需要提供一套机制来保存每个client请求创建的Surface，SurfaceFlinger通过为每个client创建一个Client对象实现这个机制，并将这个Client的IBinder接口ISurfaceComposerClient返给SurfaceComposerClient对象。SurfaceComposerClient对象在通过ISurfaceComposerClient去请求创建Surface。

@SurfaceFlinger.h

class Client : public BnSurfaceComposerClient

@SurfaceComposerClient.cpp

void SurfaceComposerClient::onFirstRef()
{
    sp<ISurfaceComposer> sm(getComposerService());
    if (sm != 0) {
        sp<ISurfaceComposerClient> conn = sm->createConnection();
        if (conn != 0) {
            mClient = conn;
            Composer::addClient(this);
            mPrebuiltLayerState = new layer_state_t;
            mStatus = NO_ERROR;
        }
    }
}

下图描述了整个SurfaceSession的内部结构与工作流程。

其中蓝色箭头是SurfaceComposerClient通过ComposerService获得SurfaceFlinger的IBinder接口ISurfaceComposer过程；

红色箭头表示SurfaceComposerClient通过IPC请求SurfaceFlinger创建Client的过程，并获得Client的IBinder接口ISurfaceComposerClient；

绿色箭头表示SurfaceComposerClient通过IPC请求Client创建Surface。

1.3 Surface的形态

上一节我们分析了SurfaceSession的静态结构，得知Surface的创建过程是通过SurfaceSession这个中间会话层去请求SurfaceFlinger去创建的，并且这篇文章中，我们说了半天Surface了，那么究竟我们要创建的Surface究竟是什么样的一个东西呢，它的具体形态是什么呢？这一小节我们就来分析以下Surface的形态。

1.3.1 client端Surface的形态

首先，我们看一下Surface在WMS中定义的代码

createSurfaceLocked()@WindowManagerService.java

                    mSurface = new Surface(
                            mSession.mSurfaceSession, mSession.mPid,
                            mAttrs.getTitle().toString(),
                            0, w, h, mAttrs.format, flags);

我们可以看到，它将SurfaceSession对象当作参数传递给了Surface的构造函数。往下看Surface的构造函数。

@Surface.java

    public Surface(SurfaceSession s,
            int pid, int display, int w, int h, int format, int flags)
        throws OutOfResourcesException {
        if (DEBUG_RELEASE) {
            mCreationStack = new Exception();
        }
        mCanvas = new CompatibleCanvas();
        init(s,pid,null,display,w,h,format,flags);
    }

这个构造函数，不同于我们在ViewRoot中看到的Surface的构造函数，这个构造函数并不是一个空壳，它做了本地实体的初始化工作，因此这个Surface才是一个真正的Suface。

Native 函数init回调到SurfaceComposerClient的createSurface()函数，往下的过程在上一节的图中描述的很清楚，流程就不介绍了，同时我们先不管SurfaceFlinger为SurfaceComposerClient创建的Surface到底是一个什么东西，我们先看看SurfaceComposerClient为WMS创建的是一个什么东西？

@SurfaceComposerClient.cpp

sp<SurfaceControl> SurfaceComposerClient::createSurface(
        int pid,
        const String8& name,
        DisplayID display,
        uint32_t w,
        uint32_t h,
        PixelFormat format,
        uint32_t flags)
{
    sp<SurfaceControl> result;
    if (mStatus == NO_ERROR) {
        ISurfaceComposerClient::surface_data_t data;
        sp<ISurface> surface = mClient->createSurface(&data, pid, name,
                display, w, h, format, flags);
        if (surface != 0) {
            result = new SurfaceControl(this, surface, data, w, h, format, flags);
        }
    }
    return result;
}

从上面的代码我们可以看出，SurfaceComposerClient为WMS返回的是一个SurfaceControl对象，这个SurfaceControl对象包含了surfaceFlinger为SurfaceComposerClient创建的surface,这个surfaceFlinge创建的Surface在Client端的形态为ISurface。这个过程下面分析SurfaceFlinger端的Surface形态时会看到。

SurfaceControl类中还有一个非常重要的成员，它的类型也叫做Surface,定义在frameworks/base/libs/surfaceflinger/Surface.h。这个Surface提供了显示Buffer的管理。在文章的后面再介绍。

@frameworks/base/libs/surfaceflinger_client/Surface.cpp

sp<Surface> SurfaceControl::getSurface() const
{
    Mutex::Autolock _l(mLock);
    if (mSurfaceData == 0) {
        mSurfaceData = new Surface(const_cast<SurfaceControl*>(this));
    }
    return mSurfaceData;
}

1.3.2 SurfaceFlinger端Surface形态

SurfaceFlinger::[e-mail]

    sp<Layer> normalLayer;
    switch (flags & eFXSurfaceMask) {
        case eFXSurfaceNormal:
            if (UNLIKELY(flags & ePushBuffers)) {
                layer = createPushBuffersSurface(client, d, w, h, flags);
            } else {
                normalLayer = createNormalSurface(client, d, w, h, flags, format);
                layer = normalLayer;
            }
            break;
        case eFXSurfaceBlur:
            layer = createBlurSurface(client, d, w, h, flags);
            break;
        case eFXSurfaceDim:
            layer = createDimSurface(client, d, w, h, flags);
            break;
    }

    if (layer != 0) {
        layer->initStates(w, h, flags);
        layer->setName(name);
        ssize_t token = addClientLayer(client, layer);

        surfaceHandle = layer->getSurface();
        if (surfaceHandle != 0) { 
            params->token = token;
            params->identity = surfaceHandle->getIdentity();
            params->width = w;
            params->height = h;
            params->format = format;
            if (normalLayer != 0) {
                Mutex::Autolock _l(mStateLock);
                mLayerMap.add(surfaceHandle->asBinder(), normalLayer);
            }
        }

当client请求SurfaceFlinger创建Surface时，SurfaceFlinger首先根据WMS提供的窗口的属性来一个命名为Layer概念的对象，然后再根据Layer创建它的子类对象LayerBaseClient::Surface。此时第三个名为Surface类出现了，下一节我们来介绍一下这个Layer的概念。

1.4 Layer

1.4.1 Layer的分类

目前，android中有4中Layer类型，如上图所示。

1.Layer, 普通的Layer，它为每个Client端请求的Surface创建显示Buffer。

2.LayerBuffer，这种Layer它并不会创建显示Buffer，它只是使用已有的Buffer作为显示Buffer，如Camera的preview；

3.LayerBlur，这种Layer也不会创建显示Buffer，它只是将通过这个Layer将原来FrameBuffer上的数据进行模糊处理；

4.LayerDim，这种Layer也不会创建显示Buffer，它只是将通过这个Layer将原来FrameBuffer上的数据进行暗淡处理；

从这中Layer看出，我们分析的重点就是第一种Layer，下面我们着重分析一下普通的Layer。Layer的具体业务我们在下一篇文章中分析

1.4.2 Layer的管理

上文我们在分析SurfaceSession的时候，也分析过，一个Client可能会创建多个Surface，也就是要创建多个Layer，那么SurfaceFlinger端如何管理这个写个Layer呢？SurfaceFlinger维护了2个Vector来管理Layer。

第一种方式，我们知道SurfaceFlinger会为每个SurfaceSession创建一个Client对象，这第一种方式就是将所有为某一个SurfacSession创建的Layer保存在它对应的Client对象中。

SurfaceFlinger::createSurface()@SurfaceFlinger.cpp

        ssize_t token = addClientLayer(client, layer);

第二种方式，将所有的创建的普通的Layer保存起来，以便Client Surface在请求实现Buffer时能够辨识Client Surface对应的Layer。

SurfaceFlinger::createSurface()@SurfaceFlinger.cpp

        mLayerMap.add(surfaceHandle->asBinder(), normalLayer);

2. Surface 显示Buffer的存储管理

在前文介绍Client端的Surface形态的内容时，我们提到SurfaceControl中还会维护一个名为Surface对象，它定义在frameworks/base/libs/surfaceflinger/Surface.h中，它负责向LayerBaseClient::Surface请求显示Buffer，同时将显示Buffer交给JAVA Surface的Canvas去绘制窗口，我们称这个Surface为Client Surface。

2.1 窗口绘制

我们先从ViewRoot中分析一下，它是如何显示窗口View的，如何用到Client Surface请求的显示Buffer的。

draw()@ViewRoot.java

Canvas canvas;
            try {
                int left = dirty.left;
                int top = dirty.top;
                int right = dirty.right;
                int bottom = dirty.bottom;
                canvas = surface.lockCanvas(dirty);

                if (left != dirty.left || top != dirty.top || right != dirty.right ||
                        bottom != dirty.bottom) {
                    mAttachInfo.mIgnoreDirtyState = true;
                }

                // TODO: Do this in native
                canvas.setDensity(mDensity);

上面的代码显示，JAVA Surface 会lock canvas。而Client Surface的创建就在这个过程中，即下面代码中的第一行getSurface().我们先不管Client Surface的创建，先看看Canvas是如何与Client Surface的显示Buffer关联的。

static jobject Surface_lockCanvas(JNIEnv* env, jobject clazz, jobject dirtyRect)
{
    const sp<Surface>& surface(getSurface(env, clazz));
    if (!Surface::isValid(surface))
        return 0;


    SkCanvas* nativeCanvas = (SkCanvas*)env->GetIntField(canvas, no.native_canvas);
    SkBitmap bitmap;
    ssize_t bpr = info.s * bytesPerPixel(info.format);
    bitmap.setConfig(convertPixelFormat(info.format), info.w, info.h, bpr);
    if (info.format == PIXEL_FORMAT_RGBX_8888) {
        bitmap.setIsOpaque(true);
    }
    if (info.w > 0 && info.h > 0) {
        bitmap.setPixels(info.bits);
    } else {
        // be safe with an empty bitmap.
        bitmap.setPixels(NULL);
    }
    nativeCanvas->setBitmapDevice(bitmap);
    
    SkRegion clipReg;
    if (dirtyRegion.isRect()) { // very common case
        const Rect b(dirtyRegion.getBounds());
        clipReg.setRect(b.left, b.top, b.right, b.bottom);
    } else {
        size_t count;
        Rect const* r = dirtyRegion.getArray(&count);
        while (count) {
            clipReg.op(r->left, r->top, r->right, r->bottom, SkRegion::kUnion_Op);
            r++, count--;
        }
    }

    nativeCanvas->clipRegion(clipReg);
    
    int saveCount = nativeCanvas->save();
    env->SetIntField(clazz, so.saveCount, saveCount);

    if (dirtyRect) {
        const Rect& bounds(dirtyRegion.getBounds());
        env->SetIntField(dirtyRect, ro.l, bounds.left);
        env->SetIntField(dirtyRect, ro.t, bounds.top);
        env->SetIntField(dirtyRect, ro.r, bounds.right);
        env->SetIntField(dirtyRect, ro.b, bounds.bottom);
    }
    
    return canvas;
}

上面的代码，我们可以看出，Canvas的Bitmap设备的设置了Client Surface的显示Buffer为其Bitmap pixel存储空间。

bitmap.setPixels(info.bits);

这样Canvas的绘制空间就有了。下一步就该绘制窗口了。

draw()@ViewRoot.java

                    try {
                        canvas.translate(0, -yoff);
                        if (mTranslator != null) {
                            mTranslator.translateCanvas(canvas);
                        }
                        canvas.setScreenDensity(scalingRequired
                                ? DisplayMetrics.DENSITY_DEVICE : 0);
                        mView.draw(canvas);
                    }

其中ViewRoot中的mView为整个窗口的DecorView。

2.2Client Surface的初始化

Client Surface的创建是从ViewRoot首次Lock canvas时进行的，这么做的目的可能也是为了节约空间，减少不必要的开支。

Client Surface的初始化和显示Buffer的管理过程比较复杂，下图给出了这一部分的一个静态结构图，有些东西从图上表现不出来，下面我简单的介绍一下。

2.2.1SharedClient

SharedClient是这一部分实现的关键所在，它并不是一个每个Client Surface创建时都会被创建的，整个系统中只有一个SharedClient对象，并且它是在共享内存上创建的，下面代码中可以看出，UserClient在初始化时，提供了一个MemoryHeapBase来供SharedClient创建，MemoryHeapBase是创建的共享内存。

@SurfaceFlinger.cpp

UserClient::UserClient(const sp<SurfaceFlinger>& flinger)
    : ctrlblk(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;
    }
}

SharedClient对象的主要目的其实很简单，就是为系统提供了SharedBufferStack::NUM_LAYERS_MAX(GB上为31)个SharedBufferStack。也就是目前系统同时支持31个Client Surface的创建。关于SharedBufferStack下面再做介绍。

为什么需要将SharedClient设计为共享内存呢？每个Client Surface需要的SharedBufferStack寄存在SharedClient中，而对于每个SharedBufferStack，一方面，Client Surface需要对它进行一些区域尺寸等的设置；另一方面，在render时，Layer需要获得当前Client Surfce对应的SharedBufferStack中获得区域尺寸等设置信息。

class SharedClient@SharedBufferStack.h

    SharedBufferStack surfaces[ SharedBufferStack::NUM_LAYERS_MAX ];

2.2.2SharedBufferStack

SharedBufferStack在这个模块中所处的地位在上一小节中介绍了，下面主要介绍一下它的作用。

1. 设置当前窗口要显示的区域等信息；

class SharedBufferStack@SharedBufferStack.h

    status_t setDirtyRegion(int buffer, const Region& reg);
    status_t setCrop(int buffer, const Rect& reg);
    status_t setTransform(int buffer, uint8_t transform);

2. android的图形系统中提供了两个显示Buffer，从上图中我们可以看出Client Surface有2个GraphicBuffer，2个Buffer其中一个显示，称之为Front Buffer，另外一个交给ViewRoot去绘制窗口，称之为Back Buffer。等BackBuffer绘制完成，SurfaceFlinger在将两者调换，这样就大大提高了显示的效率，具体过程下篇文章介绍。

而SharedBufferStack第二个很重要的作用就是提供了一套机制来实现这个调换的过程，以保证提供给ViewRoot的Buffer符合当前Buffer轮转的要求。通过SharedBufferClient::tail和

class SharedBufferStack@SharedBufferStack.h

    volatile int32_t head;      // server's current front buffer
    volatile int32_t available; // number of dequeue-able buffers

这几个变量的值来确定Client Surface中GraphicBuffer的索引，其中SharedBufferClient::tail记录的是BackBuffer的索引；SharedBufferStack::head记录的是FrontBuffer的索引。

2.2.3 Client Surace GraphicBuffer的请求

这里将Client Surface的GraphicBuffer的创建过程以时序图的形式展现出来。

这里需要注意的是，Client Surface的2个GraphicBuffer只有在lock()时才会去创建，而不是在Client Surface被创建的时候创建的。