HWC概述

HWC（hwcomposer）是Android中進行窗口（Layer）合成和顯示的HAL層模塊欣舵，其實現(xiàn)是特定于設(shè)備的视粮，而且通常由顯示設(shè)備制造商 (OEM)完成讨永，為SurfaceFlinger服務(wù)提供硬件支持。

SurfaceFlinger可以使用OpenGL ES合成Layer，這需要占用并消耗GPU資源铣除。大多數(shù)GPU都沒有針對圖層合成進行優(yōu)化，當(dāng)SurfaceFlinger通過GPU合成圖層時鹦付，應(yīng)用程序無法使用GPU進行自己的渲染尚粘。而HWC通過硬件設(shè)備進行圖層合成，可以減輕GPU的合成壓力敲长。

顯示設(shè)備的能力千差萬別背苦，很難直接用API表示硬件設(shè)備支持合成的Layer數(shù)量互捌，Layer是否可以進行旋轉(zhuǎn)和混合模式操作，以及對圖層定位和硬件合成的限制等行剂。因此HWC描述上述信息的流程是這樣的：

1. SurfaceFlinger向HWC提供所有Layer的完整列表秕噪，讓HWC根據(jù)其硬件能力，決定如何處理這些Layer厚宰。
2. HWC會為每個Layer標注合成方式江耀，是通過GPU還是通過HWC合成撬讽。
3. SurfaceFlinger負責(zé)先把所有注明GPU合成的Layer合成到一個輸出Buffer智绸，然后把這個輸出Buffer和其他Layer（注明HWC合成的Layer）一起交給HWC从绘，讓HWC完成剩余Layer的合成和顯示。

雖然每個顯示設(shè)備的能力不同撵幽，但是官方要求每個HWC硬件模塊都應(yīng)該支持以下能力：

1. 至少支持4個疊加層：狀態(tài)欄灯荧、系統(tǒng)欄、應(yīng)用本身和壁紙或者背景盐杂。
2. 疊加層可以大于顯示屏逗载，例如：壁紙
3. 同時支持預(yù)乘每像素（per-pixel）Alpha混合和每平面（per-plane）Alpha混合。
4. 為了支持受保護的內(nèi)容链烈，必須提供受保護視頻播放的硬件路徑厉斟。
5. RGBA packing order, YUV formats, and tiling, swizzling, and stride properties

Tiling：可以把Image切割成MxN個小塊，最后渲染時强衡，再將這些小塊拼接起來擦秽，就像鋪瓷磚一樣。
Swizzling：一種拌和技術(shù)漩勤，表示向量單元可以被任意地重排或重復(fù)感挥。

但是并非所有情況下HWC都比GPU更高效，例如：當(dāng)屏幕上沒有任何變化時越败，尤其是疊加層有透明像素并且需要進行圖層透明像素混合時触幼。在這種情況下，HWC可以要求部分或者全部疊加層都進行GPU合成眉尸，然后HWC持有合成的結(jié)果Buffer域蜗，如果SurfaceFlinger要求合成相同的疊加圖層列表巨双，HWC可以直接顯示之前合成的結(jié)果Buffer噪猾，這有助于提高待機設(shè)備的電池壽命。

HWC也提供了VSync事件筑累，用于管理渲染和圖層合成時機袱蜡，后續(xù)文章會進行介紹。

HWC2實現(xiàn)

Android7.0提供了HWC和HWC2兩個版本慢宗，默認使用HWC坪蚁，但是手機廠商也可以選擇HWC2奔穿，如下所示：

// frameworks\native\services\surfaceflinger\Android.mk
USE_HWC2 := false
ifeq ($(USE_HWC2),true)
    LOCAL_CFLAGS += -DUSE_HWC2
    LOCAL_SRC_FILES += \
        SurfaceFlinger.cpp \
        DisplayHardware/HWComposer.cpp
else
    LOCAL_SRC_FILES += \
        SurfaceFlinger_hwc1.cpp \
        DisplayHardware/HWComposer_hwc1.cpp
endif

SurfaceFlinger通過HWComposer使用HWC硬件能力，HWComposer構(gòu)造函數(shù)通過loadHwcModule方法加載HWC模塊敏晤，并封裝成HWC2::Device結(jié)構(gòu)贱田，如下所示：

// Load and prepare the hardware composer module,HWComposer構(gòu)造函數(shù)中通過此方法加載HWC模塊
void HWComposer::loadHwcModule()
{
    // 定義在hardware.h中，表示一個硬件模塊嘴脾，是HAL層的靈魂
    hw_module_t const* module;
    // 加載硬件廠商提供的hwcomposer模塊男摧，HWC_HARDWARE_MODULE_ID定義在hwcomposer_defs.h中，表示"hwcomposer"
    if (hw_get_module(HWC_HARDWARE_MODULE_ID, &module) != 0) {
        ALOGE("%s module not found, aborting", HWC_HARDWARE_MODULE_ID);
        abort();
    }

    hw_device_t* device = nullptr;
    // 通過硬件廠商提供的open函數(shù)打開一個"composer"硬件設(shè)備译打，HWC_HARDWARE_COMPOSER也定義在hwcomposer_defs.h中耗拓，表示"composer"
    int error = module->methods->open(module, HWC_HARDWARE_COMPOSER, &device); 
    if (error != 0) {
        ALOGE("Failed to open HWC device (%s), aborting", strerror(-error));
        abort();
    }

    uint32_t majorVersion = (device->version >> 24) & 0xF;
    // mHwcDevice是HWC2.h中定義的HWC2::Device，所有與HWC的交互都通過mHwcDevice
    if (majorVersion == 2) { // HWC2奏司，hwc2_device_t是hwcomposer2.h中的結(jié)構(gòu)體
        mHwcDevice = std::make_unique<HWC2::Device>(
                reinterpret_cast<hwc2_device_t*>(device));
    } else { // 設(shè)備是基于HWC1乔询，這里用HWC2去適配，Android7.0及以前默認都是HWC1韵洋，hwc_composer_device_1_t是hwcomposer.h中的結(jié)構(gòu)體
        mAdapter = std::make_unique<HWC2On1Adapter>(
                reinterpret_cast<hwc_composer_device_1_t*>(device));
        mHwcDevice = std::make_unique<HWC2::Device>(
                static_cast<hwc2_device_t*>(mAdapter.get()));
    }
    // 獲取硬件支持的最大虛擬屏幕數(shù)量竿刁，VirtualDisplay可用于錄屏
    mRemainingHwcVirtualDisplays = mHwcDevice->getMaxVirtualDisplayCount();
}

先加載hwcomposer模塊得到hw_module_t，再打開composer設(shè)備得到hw_device_t麻献。hw_module_t和hw_device_t定義在hardware\libhardware\include\hardware\hardware.h们妥，表示一個HAL層模塊和屬于該模塊的一個實現(xiàn)設(shè)備。注意這里是先有HAL模塊勉吻，再有實現(xiàn)此模塊的硬件設(shè)備监婶。

上述通過hw_get_module方法（hardware\libhardware\hardware.c）加載hwcomposer模塊，此模塊由硬件廠商提供實現(xiàn)齿桃，例如：hardware\libhardware\modules\hwcomposer\hwcomposer.cpp是hwcomposer模塊基于HWC1的default實現(xiàn)惑惶，對應(yīng)的共享庫是hwcomposer.default.so；hardware\qcom\display\msm8994\libhwcomposer\hwc.cpp是高通MSM8994基于HWC1的實現(xiàn)短纵，對應(yīng)的共享庫是hwcomposer.msm8994.so带污。
如果是基于HWC2協(xié)議實現(xiàn)，則需要實現(xiàn)hwcomposer2.h中定義的hwc2_device_t接口香到，例如：class VendorComposer : public hwc2_device_t鱼冀。Android7.0的hwcomposer模塊默認都是基于HWC1協(xié)議實現(xiàn)的。
每個HAL層模塊實現(xiàn)都要定義一個HAL_MODULE_INFO_SYM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)悠就，并且該結(jié)構(gòu)的第一個字段必須是hw_module_t千绪，下面是高通MSM8994hwcomposer模塊的定義：

// 高通MSM8994
hwc_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {
    // common表示hw_module_t模塊
    common: {
        tag: HARDWARE_MODULE_TAG,
        version_major: 2,
        version_minor: 0,
        id: HWC_HARDWARE_MODULE_ID, // hwcomposer
        name: "Qualcomm Hardware Composer Module",
        author: "CodeAurora Forum",
        methods: &hwc_module_methods,
        dso: 0,
        reserved: {0},
    }
};

最重要的一點：HWComposer::loadHwcModule方法最終把HWC模塊封裝成了HWC2::Device。

frameworks\native\services\surfaceflinger\DisplayHardware\HWC2.h主要定義了以下三個結(jié)構(gòu)體：

• HWC2::Device：表示硬件合成顯示設(shè)備
• HWC2::Display：表示一個顯示屏幕梗脾，可以是物理顯示屏（可以熱插拔接入或者移除）荸型，也可以是虛擬顯示屏，現(xiàn)在的游戲錄屏一般都是基于虛擬屏幕實現(xiàn)的炸茧。
• HWC2::Layer：表示一個疊加圖層瑞妇，對應(yīng)與應(yīng)用側(cè)的Surface稿静。

它們是對HWC硬件模塊的進一步封裝，方便進行調(diào)用辕狰。HWC2::Device持有一個hwc2_device_t改备，用于連接硬件設(shè)備，它包含了很多HWC2_PFN開頭的函數(shù)指針變量蔓倍，這些函數(shù)指針定義在hwcomposer2.h绍妨。
在HWC2::Device的構(gòu)造函數(shù)中，會通過Device::loadFunctionPointers-> loadFunctionPointer(FunctionDescriptor desc, PFN& outPFN) -> hwc2_device_t::getFunction的調(diào)用鏈從硬件設(shè)備中獲取具體的函數(shù)指針實現(xiàn)柬脸。關(guān)鍵模板函數(shù)如下所示：

// 模板函數(shù)他去，用于向硬件設(shè)備查詢具體的函數(shù)指針實現(xiàn)
template <typename PFN>
[[clang::warn_unused_result]] bool loadFunctionPointer(
    FunctionDescriptor desc, PFN& outPFN) {
    // desc表示一個枚舉類型值
    auto intDesc = static_cast<int32_t>(desc);
    // mHwcDevice表示hwc2_device_t，是硬件驅(qū)動提供的實現(xiàn)
    auto pfn = mHwcDevice->getFunction(mHwcDevice, intDesc);
    if (pfn != nullptr) {
        // 強轉(zhuǎn)函數(shù)指針
        outPFN = reinterpret_cast<PFN>(pfn); 
        return true;
    } else {
        ALOGE("Failed to load function %s", to_string(desc).c_str());
        return false;
    }
}

這些函數(shù)指針主要分為三類：

1. 硬件設(shè)備（Device）相關(guān)的函數(shù)指針
2. 顯示屏幕（Display）相關(guān)的函數(shù)指針
3. 疊加圖層（Layer）相關(guān)的函數(shù)指針

通過上述函數(shù)指針可以與hwc2_device_t表示的硬件合成模塊進行交互倒堕。三類指針分別選取了一個示例：

// Device方法：獲得設(shè)備支持的最大虛擬屏幕個數(shù)
uint32_t Device::getMaxVirtualDisplayCount() const
{
    return mGetMaxVirtualDisplayCount(mHwcDevice);
}
// Display方法：為指定Device的指定Display創(chuàng)建一個Layer
Error Display::createLayer(std::shared_ptr<Layer>* outLayer)
{
    // 表示創(chuàng)建的layer的唯一標識符
    hwc2_layer_t layerId = 0;
    // mDevice.mHwcDevice表示hwc2_device_t灾测，即真正的硬件設(shè)備，mId表示當(dāng)前Display的唯一標識符垦巴，即為指定Device的指定Display創(chuàng)建一個Layer
    int32_t intError = mDevice.mCreateLayer(mDevice.mHwcDevice, mId, &layerId);
    auto error = static_cast<Error>(intError);
    if (error != Error::None) {
        return error;
    }
    // 基于layerId創(chuàng)建HWC2::Layer
    auto layer = std::make_shared<Layer>(shared_from_this(), layerId);
    // 保存當(dāng)前Display所有的Layer
    mLayers.emplace(layerId, layer);
    // 返回創(chuàng)建的HWC2::Layer
    *outLayer = std::move(layer);
    return Error::None;
}
// Layer方法：為指定Device的指定Display的指定Layer指定合成方式
Error Layer::setCompositionType(Composition type)
{
    auto intType = static_cast<int32_t>(type);
    // 為指定Device的指定Display的指定Layer指定合成方式
    int32_t intError = mDevice.mSetLayerCompositionType(mDevice.mHwcDevice,
            mDisplayId, mId, intType);
    return static_cast<Error>(intError);
}

可以通過類圖媳搪，直觀感受下引用關(guān)系。

HWC類圖

HWC2::Device構(gòu)造函數(shù)除了完成獲取函數(shù)指針實現(xiàn)以外骤宣，還會通過Device::registerCallbacks向硬件設(shè)備注冊三個Display的回調(diào)：熱插拔秦爆，刷新和VSync信號，如下所示：

// HWC硬件的幾種回調(diào)描述符
// hardware\libhardware\include\hardware\hwcomposer2.h
enum class Callback : int32_t {
    Invalid = HWC2_CALLBACK_INVALID,
    // 顯示屏幕（Display）的熱插拔
    Hotplug = HWC2_CALLBACK_HOTPLUG,
    // 顯示屏幕（Display）的刷新
    Refresh = HWC2_CALLBACK_REFRESH,
    // 顯示屏幕（Display）的VSync信號
    Vsync = HWC2_CALLBACK_VSYNC,
};
// 注冊熱插拔/刷新/VSync回調(diào)
void Device::registerCallbacks()
{   // Callback枚舉類型如上所示
    registerCallback<HWC2_PFN_HOTPLUG>(Callback::Hotplug, hotplug_hook);
    registerCallback<HWC2_PFN_REFRESH>(Callback::Refresh, refresh_hook);
    registerCallback<HWC2_PFN_VSYNC>(Callback::Vsync, vsync_hook);
}

// 模板函數(shù)憔披，用于向硬件設(shè)備（hwc2_device_t）注冊函數(shù)回調(diào)
template <typename PFN, typename HOOK>
void registerCallback(Callback callback, HOOK hook) {
    // Callback枚舉類型如上所示
    auto intCallback = static_cast<int32_t>(callback);
    // this表示HWC2::Device, hwc2_callback_data_t表示void指針類型
    auto callbackData = static_cast<hwc2_callback_data_t>(this);
    // 把函數(shù)指針強轉(zhuǎn)成統(tǒng)一的void (*)() 函數(shù)指針類型
    auto pfn = reinterpret_cast<hwc2_function_pointer_t>(hook);
    // 向hwc2_device_t注冊函數(shù)回調(diào)等限，callbackData表示透傳的資源
    mRegisterCallback(mHwcDevice, intCallback, callbackData, pfn);
}
    
// 以VSync的靜態(tài)函數(shù)為例
static void vsync_hook(hwc2_callback_data_t callbackData,
            hwc2_display_t displayId, int64_t timestamp) {
    // callbackData表示透傳的void指針，實際指HWC2::Device        
    auto device = static_cast<HWC2::Device*>(callbackData);
    // 通過displayId獲取對應(yīng)的HWC2::Display
    auto display = device->getDisplayById(displayId);
    if (display) {
        // 向外回調(diào)
        device->callVsync(std::move(display), timestamp);
    } else {
        ALOGE("Vsync callback called with unknown display %" PRIu64, displayId);
    }
}

void Device::callVsync(std::shared_ptr<Display> display, nsecs_t timestamp)
{
    // 通過std::function可調(diào)用對象mVsync向外回調(diào)芬膝，該可調(diào)用對象實際是HWComposer通過Device::registerVsyncCallback方法注冊的
    if (mVsync) {
        mVsync(std::move(display), timestamp);
    } else {
        mPendingVsyncs.emplace_back(std::move(display), timestamp);
    }
}   

總結(jié)一下望门，HWC2::Device構(gòu)造函數(shù)向硬件設(shè)備注冊三個Display回調(diào)：熱插拔，刷新和VSync信號锰霜。當(dāng)HWC2::Device收到這些回調(diào)時筹误，會通過監(jiān)聽器向外回調(diào)到對應(yīng)的HWComposer函數(shù)：HWComposer::hotplug/HWComposer::invalidate/HWComposer::vsync。HWComposer再通過這些信息驅(qū)動對應(yīng)工作癣缅，后續(xù)文章進行介紹厨剪。

HWC Layer合成方式

上文提到HWC2::Device中的函數(shù)指針是hardware\libhardware\include\hardware\hwcomposer2.h中定義的，除此之外友存，該頭文件還定義了一些重要的結(jié)構(gòu)體祷膳，這里介紹兩個比較重要的：

// 顯示屏類型
enum class DisplayType : int32_t {
    Invalid = HWC2_DISPLAY_TYPE_INVALID,
    // 物理顯示屏，顯示設(shè)備有一個主屏幕爬立，然后可以通過熱插拔添加或者刪除外接顯示屏
    Physical = HWC2_DISPLAY_TYPE_PHYSICAL,
    // 虛擬顯示屏钾唬，內(nèi)容會渲染到離屏緩沖區(qū)万哪，Android錄屏功能就是基于虛擬屏實現(xiàn)的
    Virtual = HWC2_DISPLAY_TYPE_VIRTUAL,
};

// Layer合成類型侠驯，HWC2_COMPOSITION_XX取自hwc2_composition_t枚舉
enum class Composition : int32_t {
    Invalid = HWC2_COMPOSITION_INVALID,
    Client = HWC2_COMPOSITION_CLIENT,
    Device = HWC2_COMPOSITION_DEVICE,
    SolidColor = HWC2_COMPOSITION_SOLID_COLOR,
    Cursor = HWC2_COMPOSITION_CURSOR,
    Sideband = HWC2_COMPOSITION_SIDEBAND,
};

DisplayType表示顯示屏類型抡秆，上面注釋已經(jīng)介紹，重點看下Layer合成類型：

1. Client：這里的Client是相對于HWC硬件設(shè)備來說的吟策，即不通過HWC來合成圖層儒士，而是通過GPU先把所有的這類圖層合成到client target buffer（一個離屏的圖形緩沖區(qū)，buffer_handle_t表示指向這塊顯存的指針檩坚，顯存由Gralloc模塊分配）着撩，然后再通過Display::setClientTarget把這塊圖形Buffer的地址傳遞給HWC設(shè)備，最后由HWC設(shè)備把其他Layer和這個圖形Buffer進一步合成匾委，并最終展示在Display上拖叙。
2. Device：通過HWC硬件來合成圖層，默認情況下赂乐，SurfaceFlinger會配置每個Layer都通過Device方式合成薯鳍，但是HWC設(shè)備會根據(jù)硬件設(shè)備的性能改變某些圖層的合成方式。
3. SolidColor：HWC設(shè)備將通過Layer::setColor設(shè)置的顏色渲染這個圖層挨措，如果HWC設(shè)備不支持這種合成方式挖滤，那么將會請求SurfaceFlinger改變合成方式為Client。
4. Cursor：與Device類似浅役，但是這個圖層的位置可以通過setCursorPosition異步設(shè)置斩松。如果HWC設(shè)備不支持這種合成方式，那么將會請求SurfaceFlinger改變合成方式為Client或者Device觉既。
5. Sideband：HWC硬件會處理該類圖層的合成惧盹，以及它的緩沖區(qū)更新和內(nèi)容同步，但是只有擁有HWC2_CAPABILITY_SIDEBAND_STREAM能力的設(shè)備才支持這種圖層瞪讼，若設(shè)備不支持岭参，那么將會請求SurfaceFlinger改變合成方式為Client或者Device。

那么一個Layer的合成方式是怎么確定的那尝艘？大致流程如下所示：

Layer合成方式

1. 當(dāng)VSync信號到來時演侯，SurfaceFlinger被喚醒，處理Layer的新建背亥，銷毀和更新秒际，并且為相應(yīng)Layer設(shè)置期望的合成方式。
2. 所有Layer更新后狡汉，SurfaceFlinger調(diào)用validateDisplay娄徊，讓HWC決定每個Layer的合成方式。
3. SurfaceFlinger調(diào)用getChangedCompositionTypes檢查HWC是否對任何Layer的合成方式做出了改變盾戴，若是寄锐，那么SurfaceFlinger則調(diào)整對應(yīng)Layer的合成方式，并且調(diào)用acceptDisplayChanges通知HWC。
4. SurfaceFlinger把所有Client類型的Layer合成到Target圖形緩沖區(qū)橄仆，然后調(diào)用setClientTarget把Target Buffer設(shè)置給HWC剩膘。（如果沒有Client類型的Layer，則可以跳過該方法）
5. 最后盆顾，SurfaceFlinger調(diào)用presentDisplay怠褐，讓HWC完成剩余Layer的合成，并且在顯示屏上展示出最終的合成結(jié)果您宪。

總結(jié)

本篇文章只是簡單介紹了HWC模塊的相關(guān)類：HWComposer奈懒、HWC2::Device、HWC2::Display和HWC2::Layer宪巨，以及它們的關(guān)系磷杏。此外，還著重介紹了Layer的合成方式和合成流程捏卓。后續(xù)文章會更加全面的介紹SurfaceFlinger是如何通過HWC模塊完成Layer合成和上屏的（虛擬屏幕是到離屏緩沖區(qū)）茴丰。

相關(guān)源碼

1. hardware\libhardware\include\hardware\hardware.h
2. hardware\libhardware\hardware.c
3. hardware\libhardware\include\hardware\hwcomposer_defs.h
4. hardware\libhardware\include\hardware\hwcomposer.h
5. hardware\libhardware\include\hardware\hwcomposer2.h
6. frameworks\native\services\surfaceflinger\DisplayHardware\HWC2.h
7. frameworks\native\services\surfaceflinger\DisplayHardware\HWC2.cpp
8. frameworks\native\services\surfaceflinger\DisplayHardware\HWComposer.h
9. frameworks\native\services\surfaceflinger\DisplayHardware\HWComposer.cpp
10. frameworks\native\services\surfaceflinger\SurfaceFlinger.h
11. frameworks\native\services\surfaceflinger\SurfaceFlinger.cpp