@ltlovezh
2019-10-06T21:21:26.000000Z
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图形系统
图形系统是Android中非常重要的子系统,与其他子系统相互协作,完成图形界面的渲染和显示。
官方提供了一个图形系统的关键组件协作图,如下所示:
这幅图大致描述了图形数据的流转:OpenGL ES、MediaPlayer等生产者生产图形数据到Surface,Surface通过IGraphicBufferProducer
把GraphicBuffer
跨进程传输给消费者SurfaceFlinger
,SurfaceFlinger
根据WMS
提供的窗口信息合成所有的Layer
(对应于Surface),具体的合成策略由hwcomposer
HAL模块决定并实施,最后也是由该模块送显到Display,而Gralloc
模块则负责分配图形缓冲区。不过该图缺乏层次感,通过下图我们详细分析整个流程。
大体上,应用开发者可以通过两种方式将图像绘制到屏幕上:
Canvas
是一个2D图形API,是Android View树实际的渲染者。Canvas
又可分为Skia
软件绘制和hwui
硬件加速绘制。
Android4.0之前默认是Skia
绘制,该方式完全通过CPU完成绘图指令,并且全部在主线程操作,在复杂场景下单帧容易超过16ms导致卡顿。
从Android4.0开始,默认开启硬件加速渲染,而且5.0开始把渲染操作拆分到了两个线程:主线程和渲染线程,主线程负责记录渲染指令,渲染线程负责通过OpenGL ES
完成渲染,两个线程可以并发执行。
除了Canvas
,开发者还可以在异步线程直接通过OpenGL ES
进行渲染,一般适用于游戏、视频播放等独立场景。
从应用侧来看,不管是Canvas
,还是OpenGL ES
,最终渲染到的目标都是Surface,现在比较流行的跨平台UI框架Flutter
在Android平台上也是直接渲染到Surface。Surface是一个窗口,例如:一个Activity是一个Surface、一个Dialog也是一个Surface,承载了上层的图形数据,与SurfaceFlinger侧的Layer相对应。
Native层Surface实现了ANativeWindow
结构体,在构造函数中持有一个IGraphicBufferProducer
,用于和BufferQueue
进行交互。BufferQueue
是连接Surface和Layer的纽带,当上层图形数据渲染到Surface时,实际是渲染到了BufferQueue
中的一个GraphicBuffer
,然后通过IGraphicBufferProducer
把GraphicBuffer
提交到BufferQueue
,让SurfaceFlinger进行后续的合成显示工作。
SurfaceFlinger负责合成所有的Layer并送显到Display,这些Layer主要有两种合成方式:
OpenGL ES
:把这些图层合成到FrameBuffer,然后把FrameBuffer提交给hwcomposer
完成剩余合成和显示工作。hwcomposer
:通过HWC
模块合成部分图层和FrameBuffer,并显示到Display。Android图形系统包含了两对生产者和消费者模型,它们都通过BufferQueue进行连接:
1. Canvas
和OpenGL ES
生产图形数据,SurfaceFlinger
消费图形数据。
2. SurfaceFlinger
合成所有图层的图形数据,Display显示合成结果。
Surface属于APP进程,Layer属于系统进程,如果它们之间只用一个Buffer,那么必然存在显示和性能问题,所以图形系统引入了BufferQueue
,一个Buffer用于绘制,一个Buffer用于显示,双方处理完之后,交换一下Buffer,这样效率就高很多了。BufferQueue
的通信流程如下所示:
acquireBuffer
获取一个有效缓存;releaseBuffer
把Buffer交还给BufferQueue。GraphicBuffer
代表的图形缓冲区是由Gralloc
模块分配的,并且可以跨进程传输(实际传输的只是一个指针)。IGraphicBufferProducer
接口(在Surface类里面),用于生产;SurfaceFlinger端使用的是BufferQueue的IGraphicBufferConsumer
接口(在GLConsumer类里面),用于消费。Surface
表示APP进程的一个窗口,承载了窗口的图形数据,SurfaceFlinger
是系统进程合成所有窗口(Layer)的系统服务,负责合成所有Surface提供的图形数据,然后送显到屏幕。SurfaceFlinger
既是上层应用的消费者,又是Display的生产者,起到了承上启下的作用。官方提供了一个架构图,如下所示:
该图可能较抽象,我们通过一个实例理解下这层关系,下图是微信添加朋友的弹窗界面:
我们可以通过adb shell dumpsys SurfaceFlinger
查看该界面包含几个窗口(Surface):
从SurfaceFlinger
的dump信息可以看到:
com.tencent.mm/com.tencent.mm.ui.LauncherUI#0
是微信的主窗口,并且铺满了整个屏幕(0,0,1080,2340)
。PopupWindow:7020633#0
是弹起的PopupWindow
,它是一个独立的窗口(Surface),屏幕坐标范围是(599,210,1058,983)
。StatusBar#0
表示系统状态栏,由系统进程负责绘制,屏幕坐标范围是(0,0,1080,80)
,即此状态栏高80像素。NavigationBar#0
表示系统导航栏,由系统进程负责绘制,屏幕坐标范围是(0,2214,1080,2340)
,即此导航栏高126像素。Device
,即HWC
硬件模块负责合成这些Layer。SurfaceFlinger
会合成上述所有图层(Layer),并送显到内嵌的Display 0
。本篇文章从上到下简述了Android图形系统的流转流程,以及承载图形数据流转的重要结构:BufferQueue
,最后通过dump信息论证了多Surface实例。