Android服务端本地窗口FramebufferNativeWindow

浏览数：122 / 时间：2015年06月11日

Android窗口系统

我们知道Android系统采用OpenGL来绘制3D图形，OpenGL ES提供了本地窗口(NativeWindow)的概念，无论是在Android平台中还是其他平台中，只要实现OpenGL ES中的本地窗口定义的接口，就可以利用OpenGL ES来绘制图形。由于Android系统所有服务都建立在C/S模式下，因此Android系统在实现OpenGL ES的本地窗口时仍然包括两种本地窗口，服务进程端的本地窗口定义为FramebufferNativeWindow，该本地窗口直接由 SurfaceFlinger管理。在应用程序进程端定义的本地创建为SurfaceTextureClient。在Android系统中，它们之间为一 对多的关系，如下图所示：

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每个应用程序App可以有多个窗口，即多个Surface，每个Surface所需的图形缓冲区由SurfaceFlinger进程中的 BufferQueue对象负责管理，图形缓冲区个数最多可以有32个，每个图形缓冲区用GraphicBuffer来定义，应用程序在图形绘制前，请求 SurfaceFlinger进程中的BufferQueue对象在内存中分配一块图形缓冲区，应用程序完成图形绘制后，由SurfaceFlinger 将多个应用程序需要显示的Surface进行图形混合，混合后的图形窗口使用FramebufferNativeWindow来描述，同时将混合后的图形 数据拷贝到Framebuffer的后台缓冲区中，等待渲染到显示屏上。以下就是Android的窗口系统设计模型：

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FramebufferNativeWindow本地窗口所需的图形缓冲区直接从Framebuffer中分配，而Surface本地窗口所需的图 形缓冲区则是从内存中分配，无论是从Framebuffer中分配还是从内存中分配，图形缓冲区的分配工作都是由Gralloc硬件抽象层完成，在Android图形显示之硬件抽象层Gralloc中详细分析了Gralloc模块，而Android图形缓冲区分配过程源码分析则分析了图形缓冲区的分配过程。SurfaceFlinger收集所有应用程序的显示需求，然后对应用程序所需显示的图形做图像混合操作，然后输出到自己的FramebufferNativeWindow本地窗口上。为了使用OpenGL ES绘制图形窗口，必须实现OpenGL ES定义的本地窗口协议NativeWindow。

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  1. EGLSurface eglCreateWindowSurface(EGLDisplay dpy, EGLConfig config,  
  2.                                     NativeWindowType window,  
  3.                                     const EGLint *attrib_list)  

函数eglCreateWindowSurface是OpenGL ES提供用于创建窗口的函数接口，参数window的类型为NativeWindowType，定义如下：

frameworks\native\opengl\include\EGL\eglplatform.h

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  1. typedef EGLNativeWindowType  NativeWindowType;  
  2.   
  3. #if defined(_WIN32) || defined(__VC32__) && !defined(__CYGWIN__) && !defined(__SCITECH_SNAP__) /* Win32 and WinCE */  
  4. typedef HWND    EGLNativeWindowType;  
  5. #elif defined(__WINSCW__) || defined(__SYMBIAN32__)  /* Symbian */  
  6. typedef void *EGLNativeWindowType;  
  7. #elif defined(__ANDROID__) || defined(ANDROID)  
  8. typedef struct ANativeWindow*           EGLNativeWindowType;  
  9. #elif defined(__unix__)  
  10. typedef Window   EGLNativeWindowType;  
  11. #else  
  12. #error "Platform not recognized"  
  13. #endif  

NativeWindowType 定义为EGLNativeWindowType类型，而该类型在不同的平台中有不同的定义，这是因为OpenGL ES是一个跨平台的图形绘制库，对于Android系统来说，其定义为ANativeWindow指针类型，而ANativeWindow的定义如下：

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  1. struct ANativeWindow  
  2. {  
  3. #ifdef __cplusplus  
  4.     ANativeWindow(): flags(0), minSwapInterval(0), maxSwapInterval(0), xdpi(0), ydpi(0)  
  5.     {  
  6.         common.magic = ANDROID_NATIVE_WINDOW_MAGIC;  
  7.         common.version = sizeof(ANativeWindow);  
  8.         memset(common.reserved, 0, sizeof(common.reserved));  
  9.     }  
  10.     void incStrong(const void* id) const {  
  11.         common.incRef(const_cast<android_native_base_t*>(&common));  
  12.     }  
  13.     void decStrong(const void* id) const {  
  14.         common.decRef(const_cast<android_native_base_t*>(&common));  
  15.     }  
  16. #endif  
  17.   
  18.     struct android_native_base_t common;  
  19.     const uint32_t flags;//用于描述该Surface的一些属性  
  20.     const int   minSwapInterval;//最小交换间隔时间  
  21.     const int   maxSwapInterval;//最大交换间隔时间  
  22.     const float xdpi;//水平方向的密度  
  23.     const float ydpi;//垂直方向的密度  
  24.     intptr_t    oem[4];//为OEM预留  
  25.     //设置交换间隔时间  
  26.     int     (*setSwapInterval)(struct ANativeWindow* window,int interval);  
  27.     //申请一个图形缓冲区buffer  
  28.     int     (*dequeueBuffer)(struct ANativeWindow* window,struct ANativeWindowBuffer** buffer);  
  29.     //锁定图形缓冲区  
  30.     int     (*lockBuffer)(struct ANativeWindow* window,struct ANativeWindowBuffer* buffer);  
  31.     //buffer渲染完成后，它调用这个接口来unlock和post buffer  
  32.     int     (*queueBuffer)(struct ANativeWindow* window,struct ANativeWindowBuffer* buffer);  
  33.     //向本地窗口查询相关信息  
  34.     int     (*query)(const struct ANativeWindow* window,int what, int* value);  
  35.     //执行本地窗口支持的各种操作  
  36.     int     (*perform)(struct ANativeWindow* window,int operation, ... );  
  37.     //取消一个已经dequeued的buffer  
  38.     int     (*cancelBuffer)(struct ANativeWindow* window,struct ANativeWindowBuffer* buffer);  
  39.     //预留  
  40.     void* reserved_proc[2];  
  41. }android_native_window_t;  

当使用C++编译器是，为ANativeWindow定义了相应的构造函数，在OpenGL ES下的Android本地窗口系统的类关系图如下：

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从上图可以看出，Surface和FramebufferNativeWindow都继承于ANativeWindow，因此也就继承了 OpenGL ES下的本地窗口定义的相关协议：ANativeWindow中定义的相关接口。下面分别对这两种类型的本地窗口进行深入分析。

FramebufferNativeWindow

前面已经介绍了FramebufferNativeWindow是SurfaceFlinger服务进程维护的本地窗口，用于描述经过图形混合 后的，即将渲染显示的图形窗口。FramebufferNativeWindow不仅实现了从ANativeWindow中继承下来的接口，自己还定义了 一些额外属性：
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  1. class FramebufferNativeWindow   
  2.     : public ANativeObjectBase<  
  3.         ANativeWindow,   
  4.         FramebufferNativeWindow,   
  5.         LightRefBase<FramebufferNativeWindow> >  
  6. {  
  7.     framebuffer_device_t* fbDev; //描述Framebuffer设备  
  8.     alloc_device_t* grDev; //描述gpu设备  
  9.     sp<NativeBuffer> buffers[NUM_FRAME_BUFFERS];//定义2个图形缓冲区  
  10.     sp<NativeBuffer> front; //前台图形缓冲区，即正在渲染的图形缓冲区  
  11.     mutable Mutex mutex;   
  12.     Condition mCondition;  
  13.     int32_t mNumBuffers; //图形缓冲区个数  
  14.     int32_t mNumFreeBuffers; //可以使用的图形缓冲区个数  
  15.     int32_t mBufferHead; //  
  16.     int32_t mCurrentBufferIndex;//当前图形缓冲区的索引  
  17.     bool mUpdateOnDemand;  
  18. };  
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接下来看看FramebufferNativeWindow对象的构造过程：
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  1. FramebufferNativeWindow::FramebufferNativeWindow() : BASE(), fbDev(0), grDev(0), mUpdateOnDemand(false)  
  2. {  
  3.     hw_module_t const* module;  
  4.     //加载gralloc模块  
  5.     if (hw_get_module(GRALLOC_HARDWARE_MODULE_ID, &module) == 0) {  
  6.         int stride;  
  7.         int err;  
  8.         int i;  
  9.         //打开fb设备  
  10.         err = framebuffer_open(module, &fbDev);  
  11.         ALOGE_IF(err, "couldn‘t open framebuffer HAL (%s)", strerror(-err));  
  12.         //打开gpu设备  
  13.         err = gralloc_open(module, &grDev);  
  14.         ALOGE_IF(err, "couldn‘t open gralloc HAL (%s)", strerror(-err));  
  15.         //设备打开失败，返回  
  16.         if (!fbDev || !grDev)  
  17.             return;  
  18.         mUpdateOnDemand = (fbDev->setUpdateRect != 0);  
  19.         // 初始化变量值  
  20.         mNumBuffers = NUM_FRAME_BUFFERS;//2  
  21.         mNumFreeBuffers = NUM_FRAME_BUFFERS;//2  
  22.         mBufferHead = mNumBuffers-1;//1  
  23. #ifdef FRAMEBUFFER_FORCE_FORMAT  
  24.         *((uint32_t *)&fbDev->format) = FRAMEBUFFER_FORCE_FORMAT;  
  25. #endif  
  26.         //创建2个NativeBuffer  
  27.         for (i = 0; i < mNumBuffers; i++)  
  28.         {  
  29.             buffers[i] = new NativeBuffer(fbDev->width, fbDev->height, fbDev->format, GRALLOC_USAGE_HW_FB);  
  30.         }  
  31.         //为NativeBuffer分配缓冲区  
  32.         for (i = 0; i < mNumBuffers; i++)  
  33.         {  
  34.                 err = grDev->alloc(grDev,fbDev->width, fbDev->height, fbDev->format,GRALLOC_USAGE_HW_FB, &buffers[i]->handle, &buffers[i]->stride);  
  35.                 ALOGE_IF(err, "fb buffer %d allocation failed w=%d, h=%d, err=%s",i, fbDev->width, fbDev->height, strerror(-err));  
  36.                 if (err)  
  37.                 {  
  38.                         mNumBuffers = i;  
  39.                         mNumFreeBuffers = i;  
  40.                         mBufferHead = mNumBuffers-1;  
  41.                         break;  
  42.                 }  
  43.         }  
  44.         //使用Framebuffer的设备描述符来初始化本地窗口ANativeWindow的相关属性  
  45.         const_cast<uint32_t&>(ANativeWindow::flags) = fbDev->flags;   
  46.         const_cast<float&>(ANativeWindow::xdpi) = fbDev->xdpi;  
  47.         const_cast<float&>(ANativeWindow::ydpi) = fbDev->ydpi;  
  48.         const_cast<int&>(ANativeWindow::minSwapInterval) = fbDev->minSwapInterval;  
  49.         const_cast<int&>(ANativeWindow::maxSwapInterval) = fbDev->maxSwapInterval;  
  50.     } else {  
  51.         ALOGE("Couldn‘t get gralloc module");  
  52.     }  
  53.     //为本地窗口ANativeWindow设置回调接口函数  
  54.     ANativeWindow::setSwapInterval = setSwapInterval;  
  55.     ANativeWindow::dequeueBuffer = dequeueBuffer;  
  56.     ANativeWindow::lockBuffer = lockBuffer;  
  57.     ANativeWindow::queueBuffer = queueBuffer;  
  58.     ANativeWindow::query = query;  
  59.     ANativeWindow::perform = perform;  
  60. }  

函数首先加载Gralloc模块，关于硬件抽象层模块的加载过程，在Android硬件抽象Hardware库加载过程源码分析已 经有详细的介绍了。当成功加载Gralloc模块后，依次打开Gralloc模块中定义的Framebuffer设备及gpu设备，我们知道 Gralloc模块中定义的Framebuffer设备用于将已经准备好了的图形缓冲区渲染到帧缓冲区中，而定义的gpu设备用于分配一块图形缓冲区，并 且将这块图形缓冲区映射到应用程序的地址空间。关于Framebuffer设备和gpu设备的打开过程请参阅Android图形显示之硬件抽象层Gralloc。 打开fb和gpu设备后，将这两种设备描述符分别保存到FramebufferNativeWindow的成员变量fbDev和grDev中。接着创建了 两个NativeBuffer对象，并从Framebuffer帧缓冲区中分配了两块图形缓冲区。Android系统为定义的两种本地窗口分别定义了相应 的图形缓冲区buffer的描述符，对于FramebufferNativeWindow本地窗口来说，为其定义的图形缓冲区描述符为 NativeBuffer，而对于应用程序端的本地窗口Surface，为其定义的图形缓冲区描述符为GraphicBuffer，它们之间的类关系图如 下：

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从上面的类继承图中可以看出，无论是NativeBuffer还是GraphicBuffer，它们都继承于 ANativeWindowBuffer，ANativeWindowBuffer用于描述一块图形缓冲区buffer的属性信息，比如图形的宽，高，图 像格式及该buffer的句柄等等信息。

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  1. typedef struct ANativeWindowBuffer  
  2. {  
  3. //针对C++编译器定义构造函数  
  4. #ifdef __cplusplus  
  5.     ANativeWindowBuffer() {  
  6.         common.magic = ANDROID_NATIVE_BUFFER_MAGIC;  
  7.         common.version = sizeof(ANativeWindowBuffer);  
  8.         memset(common.reserved, 0, sizeof(common.reserved));  
  9.     }  
  10.     void incStrong(const void* id) const {  
  11.         common.incRef(const_cast<android_native_base_t*>(&common));  
  12.     }  
  13.     void decStrong(const void* id) const {  
  14.         common.decRef(const_cast<android_native_base_t*>(&common));  
  15.     }  
  16. #endif  
  17.     struct android_native_base_t common;//描述EGL版本信息  
  18.     int width; //图像宽度  
  19.     int height; //图像高度  
  20.     int stride; //  
  21.     int format; //图像格式  
  22.     int usage; //该buffer的用途  
  23.     void* reserved[2]; //保留  
  24.     buffer_handle_t handle; //该buffer的句柄信息  
  25.     void* reserved_proc[8];  
  26. } android_native_buffer_t;  
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接着为创建的2个NativeBuffer分配空间，使用Gralloc模块中的gpu来完成空间的分配过程，同时指定标志位为GRALLOC_USAGE_HW_FB，表示从系统帧缓冲区Framebuffer中分配。

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  1. err = grDev->alloc(grDev,fbDev->width, fbDev->height, fbDev->format,GRALLOC_USAGE_HW_FB, &buffers[i]->handle, &buffers[i]->stride);  
关于图形缓冲区的完整分配过程请阅读Android图形缓冲区分配过程源码分析。 FramebufferNativeWindow完成图形缓冲区的分配后，还需初始化从ANativeWindow中继承而来的本地窗口定义的相关接口， 即FramebufferNativeWindow实现ANativeWindow本地窗口协议。从FramebufferNativeWindow的构 造函数中，我们知道，FramebufferNativeWindow从Framebuffer中分配了2个缓冲区，说明 FramebufferNativeWindow使用了双缓冲技术，使用双缓冲技术的优点是什么呢？假设我们需要绘制这样一个画面，包括两个三角形和三个 圆形，最终结果如下图所示：

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在只有一个buffer的情况下，我们是直接以屏幕为画板来实时做画的，假设图中的每一个三角形或圆形都需要0.5秒为例，那么总计耗时应该是0.5*5=2.5秒，图形绘制过程如下：

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对于用户来说，他将看到一个不断刷新的画面。对于图像刷新很频繁的情况，用户的体验就会更差。出现这种现象的原因就是程序直接以屏幕为绘图板，把还 没有准备就绪的图像直接呈现给了用户。换句话说，如果将整幅图绘制完成以后再刷新到屏幕上，那么对于用户来说，他在任何时候看到的都是完整的图像。采用两 个缓冲区绘制图形的情况如下：

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既然FramebufferNativeWindow创建了两块图形缓冲区，那它是如何维护这两块图形缓冲区的呢？接下来就介绍图形缓冲区的申请过程：

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  1. int FramebufferNativeWindow::dequeueBuffer(ANativeWindow* window,   
  2.         ANativeWindowBuffer** buffer)  
  3. {  
  4.     FramebufferNativeWindow* self = getSelf(window);  
  5.     Mutex::Autolock _l(self->mutex);  
  6.     //从FramebufferNativeWindow对象中取出fb设备描述符，在构造FramebufferNativeWindow对象时，已经打开了fb设备  
  7.     framebuffer_device_t* fb = self->fbDev;  
  8.     //计算当前申请的图形缓冲区在buffers数组中的索引，同时将下一个申请的buffer的索引保存到mBufferHead中  
  9.     int index = self->mBufferHead++;  
  10.     //如果申请的下一个buffer的索引大于或等于buffer总数，则将下一个申请的buffer索引设置为0，这样就实现了对buffer数组的循环管理  
  11.     if (self->mBufferHead >= self->mNumBuffers)  
  12.         self->mBufferHead = 0;  
  13.     //如果当前没有空闲的buffer，即mNumFreeBuffers= 0，则线程睡眠等待buffer的释放  
  14.     while (!self->mNumFreeBuffers) {  
  15.         self->mCondition.wait(self->mutex);  
  16.     }  
  17.     //存在了空闲buffer，线程被唤醒继续执行，由于此时要申请一块buffer，因此空闲buffer的个数又需要减1  
  18.     self->mNumFreeBuffers--;  
  19.     //保存当前申请的buffer在缓冲区数组中的索引位置  
  20.     self->mCurrentBufferIndex = index;  
  21.     //得到buffer数组中的NativeBuffer对象指针  
  22.     *buffer = self->buffers[index].get();  
  23.     return 0;  
  24. }  
dequeueBuffer 函数就是从FramebufferNativeWindow创建的包含2个图形缓冲区的缓冲区队列buffers中取出一块空闲可用的图形buffer， 如果当前缓冲区队列中没有空闲的buffer，则当前申请buffer线程阻塞等待，等待其他线程释放图形缓冲区。mNumFreeBuffers用来描 述可用的空闲图形buffer个数，index记录当前申请buffer在图形缓冲区队列中的索引位置，mBufferHead指向下一次申请的图形 buffer的位置，由于我们是循环利用两个缓冲区的，所以如果这个变量的值超过mNumBuffers，就需要置0。也就是说mBufferHead的 值永远只能是0或者1。
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上图描述了图形绘制的整个过程，SurfaceFlinger首先从FramebufferNativeWindow中申请出列一块图形 buffer，然后将系统中的各个Surface的GraphicBuffer进行图形混合，将混合后的图形保存到申请所得的图形buffer中，接着将 该buffer放回FramebufferNativeWindow的图形缓冲区队列中，最后将该buffer渲染到显示屏幕上。接下来介绍图形 buffer如列过程：
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  1. int FramebufferNativeWindow::queueBuffer(ANativeWindow* window, ANativeWindowBuffer* buffer)  
  2. {  
  3.     FramebufferNativeWindow* self = getSelf(window);  
  4.     Mutex::Autolock _l(self->mutex);  
  5.     //从FramebufferNativeWindow对象中取出fb设备描述符，在构造FramebufferNativeWindow对象时，已经打开了fb设备  
  6.     framebuffer_device_t* fb = self->fbDev;  
  7.     //从NativeBuffer对象中取出buffer_handle_t  
  8.     buffer_handle_t handle = static_cast<NativeBuffer*>(buffer)->handle;  
  9.     const int index = self->mCurrentBufferIndex;  
  10.     //调用framebuffer_device_t中注册的post函数将已绘制好的buffer渲染到Framebuffer中。  
  11.     int res = fb->post(fb, handle);  
  12.     //将当前NativeBuffer保存为前台buffer  
  13.     self->front = static_cast<NativeBuffer*>(buffer);  
  14.     //由于当前NativeBuffer已经渲染完成，因此将当前buffer入列，从而可以被申请  
  15.     self->mNumFreeBuffers++;  
  16.     //唤醒图形buffer申请出列线程，表示已有空闲buffer可以被申请  
  17.     self->mCondition.broadcast();  
  18.     return res;  
  19. }  
这里将调用fb设备的post方法将buffer渲染到屏幕上，然后修改空闲buffer个数，最后唤醒正在申请图形buffer出列，却因无空闲buffer而睡眠的线程。
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  1. static int fb_post(struct framebuffer_device_t* dev, buffer_handle_t buffer)  
  2. {     
  3.     //校验buffer_handle_t  
  4.     if (private_handle_t::validate(buffer) < 0)  
  5.         return -EINVAL;  
  6.     //将framebuffer_device_t强制转换为fb_context_t指针  
  7.     fb_context_t* ctx = (fb_context_t*)dev;  
  8.     //将buffer_handle_t强制转换为private_handle_t指针   
  9.     private_handle_t const* hnd = reinterpret_cast<private_handle_t const*>(buffer);  
  10.     //通过fb_context_t设备描述符找到对应的硬件抽象设备hw_device_t，在根据hw_device_t找到对应的硬件抽象模块hw_moudle_t，最后强制转换为private_module_t指针  
  11.     private_module_t* m = reinterpret_cast<private_module_t*>(dev->common.module);  
  12.     //如果当前buffer是从Framebuffer中分配的缓冲区  
  13.     if (hnd->flags & private_handle_t::PRIV_FLAGS_FRAMEBUFFER) {  
  14.         const size_t offset = hnd->base - m->framebuffer->base;  
  15.         m->info.activate = FB_ACTIVATE_VBL;  
  16.         m->info.yoffset = offset / m->finfo.line_length;  
  17.         if (ioctl(m->framebuffer->fd, FBIOPUT_VSCREENINFO, &m->info) == -1) {  
  18.             ALOGE("FBIOPUT_VSCREENINFO failed");  
  19.             m->base.unlock(&m->base, buffer);   
  20.             return -errno;  
  21.         }  
  22.         m->currentBuffer = buffer;  
  23.     } else {  
  24.         // If we can‘t do the page_flip, just copy the buffer to the front   
  25.         // FIXME: use copybit HAL instead of memcpy  
  26.         void* fb_vaddr;  
  27.         void* buffer_vaddr;  
  28.         m->base.lock(&m->base, m->framebuffer, GRALLOC_USAGE_SW_WRITE_RARELY, 0, 0, m->info.xres, m->info.yres,&fb_vaddr);  
  29.         m->base.lock(&m->base, buffer, GRALLOC_USAGE_SW_READ_RARELY, 0, 0, m->info.xres, m->info.yres,&buffer_vaddr);  
  30.         memcpy(fb_vaddr, buffer_vaddr, m->finfo.line_length * m->info.yres);  
  31.         m->base.unlock(&m->base, buffer);   
  32.         m->base.unlock(&m->base, m->framebuffer);   
  33.     }  
  34.     return 0;  
  35. }  
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最后通过FBIOPUT_VSCREENINFO命令进入Framebuffer驱动，将图形渲染显示。

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标签： Android iOS 移动互联 终端开发

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