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SurfaceFlinger 和 Hardware Composer

擁有圖形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的確不錯(cuò)刑桑，如果還能在設(shè)備屏幕上查看它們就更是錦上添花了。這正是 SurfaceFlinger 和 Hardware Composer HAL 的用武之地善茎。

SurfaceFlinger

SurfaceFlinger 的作用是接受來自多個(gè)來源的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)硬梁，對(duì)它們進(jìn)行合成佩憾，然后發(fā)送到顯示設(shè)備度陆。以前亮蒋，該過程通過軟件到硬件幀緩沖區(qū)（例如/dev/graphics/fb0）的位塊傳輸來實(shí)現(xiàn)，但是這樣的日子已經(jīng)遠(yuǎn)去负甸。

當(dāng)應(yīng)用進(jìn)入前臺(tái)時(shí)流强，WindowManager 服務(wù)會(huì)向 SurfaceFlinger 請(qǐng)求一個(gè)繪圖 Surface。SurfaceFlinger 會(huì)創(chuàng)建一個(gè)其主要組件為 BufferQueue 的層呻待，而 SurfaceFlinger 是其消耗方打月。生產(chǎn)方端的 Binder 對(duì)象通過 WindowManager 傳遞到應(yīng)用，然后應(yīng)用可以開始直接將幀發(fā)送到 SurfaceFlinger蚕捉。

注意：盡管本部分使用 SurfaceFlinger 術(shù)語奏篙，但 WindowManager 會(huì)使用術(shù)語“窗口”（而不是“層”）…而將“層”用來表示其他內(nèi)容。（有人認(rèn)為 SurfaceFlinger 實(shí)際上應(yīng)稱為 LayerFlinger迫淹。）

大多數(shù)應(yīng)用通常在屏幕上有三個(gè)層：屏幕頂部的狀態(tài)欄秘通、底部或側(cè)面的導(dǎo)航欄以及應(yīng)用的界面。有些應(yīng)用會(huì)擁有更多或更少的層（例如敛熬，默認(rèn)主屏幕應(yīng)用有一個(gè)單獨(dú)的壁紙層肺稀，而全屏游戲可能會(huì)隱藏狀態(tài)欄）。每個(gè)層都可以單獨(dú)更新应民。狀態(tài)欄和導(dǎo)航欄由系統(tǒng)進(jìn)程渲染盹靴，而應(yīng)用層由應(yīng)用渲染，兩者之間不進(jìn)行協(xié)調(diào)瑞妇。

設(shè)備顯示會(huì)按一定速率刷新稿静，在手機(jī)和平板電腦上通常為每秒 60 幀。如果顯示內(nèi)容在刷新期間更新辕狰，則會(huì)出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象改备；因此，請(qǐng)務(wù)必只在周期之間更新內(nèi)容蔓倍。在可以安全更新內(nèi)容時(shí)悬钳，系統(tǒng)便會(huì)收到來自顯示設(shè)備的信號(hào)盐捷。由于歷史原因，我們將該信號(hào)稱為 VSYNC 信號(hào)默勾。

刷新率可能會(huì)隨時(shí)間而變化碉渡，例如，一些移動(dòng)設(shè)備的刷新率范圍在 58 fps 到 62 fps 之間母剥，具體要視當(dāng)前條件而定滞诺。對(duì)于連接了 HDMI 的電視，刷新率在理論上可以下降到 24 Hz 或 48 Hz环疼，以便與視頻相匹配习霹。由于每個(gè)刷新周期只能更新屏幕一次，因此以 200 fps 的刷新率為顯示設(shè)備提交緩沖區(qū)只是在做無用功炫隶，因?yàn)榇蠖鄶?shù)幀永遠(yuǎn)不會(huì)被看到淋叶。SurfaceFlinger 不會(huì)在應(yīng)用提交緩沖區(qū)時(shí)執(zhí)行操作，而是在顯示設(shè)備準(zhǔn)備好接收新的緩沖區(qū)時(shí)才會(huì)喚醒伪阶。

當(dāng) VSYNC 信號(hào)到達(dá)時(shí)煞檩，SurfaceFlinger 會(huì)遍歷它的層列表，以尋找新的緩沖區(qū)栅贴。如果找到新的緩沖區(qū)斟湃，它會(huì)獲取該緩沖區(qū)；否則筹误，它會(huì)繼續(xù)使用以前獲取的緩沖區(qū)。SurfaceFlinger 總是需要可顯示的內(nèi)容癣缅，因此它會(huì)保留一個(gè)緩沖區(qū)厨剪。如果在某個(gè)層上沒有提交緩沖區(qū)，則該層會(huì)被忽略友存。

SurfaceFlinger 在收集可見層的所有緩沖區(qū)之后祷膳，便會(huì)詢問 Hardware Composer 應(yīng)如何進(jìn)行合成。

Hardware Composer

Hardware Composer HAL (HWC) 是在 Android 3.0 中推出的屡立，并且多年來一直都在不斷演進(jìn)直晨。它主要是用來確定通過可用硬件來合成緩沖區(qū)的最有效方法。作為 HAL膨俐，其實(shí)現(xiàn)是特定于設(shè)備的勇皇，而且通常由顯示設(shè)備硬件原始設(shè)備制造商 (OEM) 完成。

當(dāng)考慮疊加平面時(shí)焚刺，很容易發(fā)現(xiàn)這種方法的好處敛摘。它的目的是在顯示硬件（而不是 GPU）中將多個(gè)緩沖區(qū)合成在一起。例如乳愉，假設(shè)有一部處于縱向模式的普通 Android 手機(jī)兄淫，其狀態(tài)欄在頂部屯远，導(dǎo)航欄在底部，其他地方為應(yīng)用內(nèi)容捕虽。每個(gè)層的內(nèi)容都在單獨(dú)的緩沖區(qū)中慨丐。您可以使用以下任一方法處理合成：

將應(yīng)用內(nèi)容渲染到暫存緩沖區(qū)中，然后在其上渲染狀態(tài)欄泄私，再在其上渲染導(dǎo)航欄房揭，最后將暫存緩沖區(qū)傳送到顯示硬件。

將三個(gè)緩沖區(qū)全部傳送到顯示硬件挖滤，并告知它從不同的緩沖區(qū)讀取屏幕不同部分的數(shù)據(jù)崩溪。

后一種方法可以顯著提高效率。

顯示處理器功能差異很大斩松。疊加層的數(shù)量（無論層是否可以旋轉(zhuǎn)或混合）以及對(duì)定位和疊加的限制很難通過 API 表達(dá)伶唯。HWC 會(huì)嘗試通過一系列決策來適應(yīng)這種多樣性：

SurfaceFlinger 向 HWC 提供一個(gè)完整的層列表，并詢問“您希望如何處理這些層惧盹？”

HWC 的響應(yīng)方式是將每個(gè)層標(biāo)記為疊加層或 GLES 合成乳幸。

SurfaceFlinger 會(huì)處理所有 GLES 合成，將輸出緩沖區(qū)傳送到 HWC钧椰，并讓 HWC 處理其余部分粹断。

由于硬件供應(yīng)商可以定制決策代碼，因此可以在每臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)最佳性能嫡霞。

當(dāng)屏幕上的內(nèi)容沒有變化時(shí)瓶埋，疊加平面的效率可能會(huì)低于 GL 合成。當(dāng)疊加層內(nèi)容具有透明像素且疊加層混合在一起時(shí)诊沪，尤其如此养筒。在此類情況下，HWC 可以選擇為部分或全部層請(qǐng)求 GLES 合成端姚，并保留合成的緩沖區(qū)晕粪。如果 SurfaceFlinger 返回要求合成同一組緩沖區(qū)，HWC 可以繼續(xù)顯示先前合成的暫存緩沖區(qū)渐裸。這可以延長閑置設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間巫湘。

運(yùn)行 Android 4.4 或更高版本的設(shè)備通常支持 4 個(gè)疊加平面。嘗試合成多于疊加層的層會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)其中一些層使用 GLES 合成昏鹃，這意味著應(yīng)用使用的層數(shù)會(huì)對(duì)功耗和性能產(chǎn)生重大影響尚氛。

虛擬顯示設(shè)備

SurfaceFlinger 支持一個(gè)主要顯示設(shè)備（即內(nèi)置在手機(jī)或平板電腦中的顯示屏）、一個(gè)外部顯示設(shè)備（如通過 HDMI 連接的電視）以及一個(gè)或多個(gè)令合成的輸出在系統(tǒng)中可用的虛擬顯示設(shè)備洞渤。虛擬顯示設(shè)備可用于記錄屏幕或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送屏幕怠褐。

虛擬顯示設(shè)備可以與主顯示設(shè)備共享相同的一組層（層堆疊），也可擁有自己的一組層您宪。虛擬顯示設(shè)備沒有 VSYNC奈懒，因此主顯示設(shè)備的 VSYNC 用于為所有顯示設(shè)備觸發(fā)合成奠涌。

在舊版本的 Android 中，虛擬顯示設(shè)備總是通過 GLES 合成磷杏，而 Hardware Composer 管理的合成僅用于主要顯示設(shè)備溜畅。在 Android 4.4 中，Hardware Composer 能夠參與虛擬顯示設(shè)備合成极祸。

正如您所預(yù)期的慈格，為虛擬顯示設(shè)備生成的幀會(huì)寫入 BufferQueue。

案例研究：screenrecord

screenrecord 命令可讓您將屏幕上顯示的所有內(nèi)容作為一個(gè) .mp4 文件記錄在磁盤上遥金。為此浴捆，我們必須從 SurfaceFlinger 接收合成的幀，將它們寫入視頻編碼器稿械，然后將已編碼的視頻數(shù)據(jù)寫入一個(gè)文件选泻。視頻編解碼器由單獨(dú)的進(jìn)程 (mediaserver) 進(jìn)行管理，因此我們必須在系統(tǒng)中移動(dòng)大量圖形緩沖區(qū)美莫。為了使其更具挑戰(zhàn)性页眯，我們嘗試以全分辨率錄制 60 fps 的視頻。高效完成這項(xiàng)工作的關(guān)鍵是 BufferQueue厢呵。

MediaCodec 類允許應(yīng)用以緩沖區(qū)中的原始字節(jié)或通過Surface來提供數(shù)據(jù)窝撵。當(dāng) screenrecord 請(qǐng)求訪問視頻編碼器時(shí)，mediaserver 會(huì)創(chuàng)建一個(gè) BufferQueue襟铭，將其自身連接到消耗方端碌奉，然后將生產(chǎn)方端作為 Surface 傳回到 screenrecord。

然后寒砖，screenrecord 命令要求 SurfaceFlinger 創(chuàng)建一個(gè)鏡像主顯示設(shè)備的虛擬顯示設(shè)備（即赐劣，它具有完全相同的層），并指示它將輸出發(fā)送到來自 mediaserver 的 Surface入撒。在這種情況下隆豹，SurfaceFlinger 是緩沖區(qū)的生產(chǎn)方椭岩，而不是消耗方茅逮。

配置完成后，screenrecord 會(huì)等待顯示編碼數(shù)據(jù)判哥。在應(yīng)用繪制時(shí)献雅，其緩沖區(qū)會(huì)前往 SurfaceFlinger，SurfaceFlinger 將它們合成為單個(gè)緩沖區(qū)塌计，然后直接發(fā)送到 mediaserver 中的視頻編碼器挺身。screenrecord 進(jìn)程甚至從未看到過完整的幀。在內(nèi)部锌仅，mediaserver 具有自己的移動(dòng)緩沖區(qū)的方式章钾，這種方式還通過句柄傳遞數(shù)據(jù)墙贱，從而最大限度地降低開銷。

案例研究：模擬輔助顯示設(shè)備

WindowManager 可以要求 SurfaceFlinger 創(chuàng)建一個(gè)可見層贱傀，將 SurfaceFlinger 作為其 BufferQueue 消耗方惨撇。也可以要求 SurfaceFlinger 創(chuàng)建一個(gè)虛擬顯示設(shè)備，同樣以 SurfaceFlinger 作為其 BufferQueue 生產(chǎn)方府寒。如果連接它們并配置渲染到可見層的虛擬顯示設(shè)備魁衙，會(huì)出現(xiàn)什么情況？

創(chuàng)建一個(gè)閉合循環(huán)株搔，其中合成的屏幕顯示在窗口中剖淀。該窗口現(xiàn)在是合成輸出的一部分，因此在下一次刷新時(shí)纤房，該窗口中的合成圖像也會(huì)顯示窗口內(nèi)容（然后一直循環(huán)下去）纵隔。要實(shí)際查看該過程，請(qǐng)?jiān)谠O(shè)置中啟用開發(fā)者選項(xiàng)帆卓，選擇模擬輔助顯示設(shè)備巨朦，然后啟用一個(gè)窗口。另外有個(gè)好處是剑令，可使用 screenrecord 捕獲啟用顯示設(shè)備的操作糊啡，然后逐幀播放。

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Last updated 九月 13, 2017.