Android SurfaceFlinger中的SharedClient -- 客户端（Surface）和服务端（Layer）之间的显示缓冲区管理(转载)
SurfaceFlinger在系统启动阶段作为系统服务被加载。应用程序中的每个窗口，对应本地代码中的Surface，而Surface又对应于SurfaceFlinger中的各个Layer，SurfaceFlinger的主要作用是为这些Layer申请内存，根据应用程序的请求管理这些Layer显示、隐藏、重画等操作，最终由SurfaceFlinger把所有的Layer组合到一起，显示到显示器上。当一个应用程序需要在一个Surface上进行画图操作时，首先要拿到这个Surface在内存中的起始地址，而这块内存是在SurfaceFlinger中分配的，因为SurfaceFlinger和应用程序并不是运行在同一个进程中，如何在应用客户端（Surface）和服务端（SurfaceFlinger - Layer）之间传递和同步显示缓冲区？这正是本文要讨论的内容。
Surface的创建过程
我们先看看Android如何创建一个Surface，下面的序列图展示了整个创建过程。
图一 Surface的创建过程
创建Surface的过程基本上分为两步：
1. 建立SurfaceSession
第一步通常只执行一次，目的是创建一个SurfaceComposerClient的实例，JAVA层通过JNI调用本地代码，本地代码创建一个SurfaceComposerClient的实例，SurfaceComposerClient通过ISurfaceComposer接口调用SurfaceFlinger的createConnection，SurfaceFlinger返回一个ISurfaceFlingerClient接口给SurfaceComposerClient，在createConnection的过程中，SurfaceFlinger创建了用于管理缓冲区切换的SharedClient，关于SharedClient我们下面再介绍，最后，本地层把SurfaceComposerClient的实例返回给JAVA层，完成SurfaceSession的建立。
2. 利用SurfaceSession创建Surface
JAVA层通过JNI调用本地代码Surface_Init()，本地代码首先取得第一步创建的SurfaceComposerClient实例，通过SurfaceComposerClient，调用ISurfaceFlingerClient接口的createSurface方法，进入SurfaceFlinger，SurfaceFlinger根据参数，创建不同类型的Layer，然后调用Layer的setBuffers()方法，为该Layer创建了两个缓冲区，然后返回该Layer的ISurface接口，SurfaceComposerClient使用这个ISurface接口创建一个SurfaceControl实例，并把这个SurfaceControl返回给JAVA层。
由此得到以下结果：
- JAVA层的Surface实际上对应于本地层的SurfaceControl对象，以后本地代码可以使用JAVA传入的SurfaceControl对象，通过SurfaceControl的getSurface方法，获得本地Surface对象；
- Android为每个Surface分配了两个图形缓冲区，以便实现Page-Flip的动作；
- 建立SurfaceSession时，SurfaceFlinger创建了用于管理两个图形缓冲区切换的SharedClient对象，SurfaceComposerClient可以通过ISurfaceFlingerClient接口的getControlBlock()方法获得这个SharedClient对象，查看SurfaceComposerClient的成员函数_init:
- void SurfaceComposerClient::_init(
- const sp<ISurfaceComposer>& sm, const sp<ISurfaceFlingerClient>& conn)
- {
- ......
- mClient = conn;
- if (mClient == 0) {
- mStatus = NO_INIT;
- return;
- }
- mControlMemory = mClient->getControlBlock();
- mSignalServer = sm;
- mControl = static_cast<SharedClient *>(mControlMemory->getBase());
- }
获得Surface对应的显示缓冲区
虽然在SurfaceFlinger在创建Layer时已经为每个Layer申请了两个缓冲区，但是此时在JAVA层并看不到这两个缓冲区，JAVA层要想在Surface上进行画图操作，必须要先把其中的一个缓冲区绑定到Canvas中，然后所有对该Canvas的画图操作最后都会画到该缓冲区内。下图展现了绑定缓冲区的过程：
图二 绑定缓冲区的过程
开始在Surface画图前，Surface.java会先调用lockCanvas()来得到要进行画图操作的Canvas，lockCanvas会进一步调用本地层的Surface_lockCanvas，本地代码利用JAVA层传入的SurfaceControl对象，通过getSurface()取得本地层的Surface对象，接着调用该Surface对象的lock()方法，lock()返回了改Surface的信息，其中包括了可用缓冲区的首地址vaddr，该vaddr在Android的2D图形库Skia中，创建了一个bitmap，然后通过Skia库中Canvas的API：Canvas.setBitmapDevice(bitmap)，把该bitmap绑定到Canvas中，最后把这个Canvas返回给JAVA层，这样JAVA层就可以在该Canvas上进行画图操作，而这些画图操作最终都会画在以vaddr为首地址的缓冲区中。
再看看在Surface的lock()方法中做了什么：
- dequeueBuffer(&backBuffer)获取backBuffer
- SharedBufferClient->dequeue()获得当前空闲缓冲区的编号
- 通过缓冲区编号获得真正的GraphicBuffer:backBuffer
- 如果还没有对Layer中的buffer进行映射（Mapper），getBufferLocked通过ISurface接口重新重新映射
- 获取frontBuffer
- 根据两个Buffer的更新区域，把frontBuffer的内容拷贝到backBuffer中，这样保证了两个Buffer中显示内容的同步
- backBuffer->lock() 获得backBuffer缓冲区的首地址vaddr
- 通过info参数返回vaddr
释放Surface对应的显示缓冲区
画图完成后，要想把Surface的内容显示到屏幕上，需要把Canvas中绑定的缓冲区释放，并且把该缓冲区从变成可投递（因为默认只有两个buffer，所以实际上就是变成了frontBuffer），SurfaceFlinger的工作线程会在适当的刷新时刻，把系统中所有的frontBuffer混合在一起，然后通过OpenGL刷新到屏幕上。下图展现了解除绑定缓冲区的过程：
图三 解除绑定缓冲区的过程
- JAVA层调用unlockCanvasAndPost
- 进入本地代码：Surface_unlockCanvasAndPost
- 本地代码利用JAVA层传入的SurfaceControl对象，通过getSurface()取得本地层的Surface对象
- 绑定一个空的bitmap到Canvas中
- 调用Surface的unlockAndPost方法
- 调用GraphicBuffer的unlock()，解锁缓冲区
- 在queueBuffer()调用了SharedBufferClient的queue()，把该缓冲区更新为可投递状态
SharedClient 和 SharedBufferStack
从前面的讨论可以看到，Canvas绑定缓冲区时，要通过SharedBufferClient的dequeue方法取得空闲的缓冲区，而解除绑定并提交缓冲区投递时，最后也要调用SharedBufferClient的queue方法通知SurfaceFlinger的工作线程。实际上，在SurfaceFlinger里，每个Layer也会关联一个SharedBufferServer，SurfaceFlinger的工作线程通过SharedBufferServer管理着Layer的缓冲区，在SurfaceComposerClient建立连接的阶段，SurfaceFlinger就已经为该连接创建了一个SharedClient 对象，SharedClient 对象中包含了一个SharedBufferStack数组，数组的大小是31，每当创建一个Surface，就会占用数组中的一个SharedBufferStack，然后SurfaceComposerClient端的Surface会创建一个SharedBufferClient和该SharedBufferStack关联，而SurfaceFlinger端的Layer也会创建SharedBufferServer和SharedBufferStack关联，实际上每对SharedBufferClient/SharedBufferServer是控制着同一个SharedBufferStack对象，通过SharedBufferStack，保证了负责对Surface的画图操作的应用端和负责刷新屏幕的服务端（SurfaceFlinger）可以使用不同的缓冲区，并且让他们之间知道对方何时锁定/释放缓冲区。
SharedClient和SharedBufferStack的代码和头文件分别位于：
/frameworks/base/libs/surfaceflinger_client/SharedBufferStack.cpp
/frameworks/base/include/private/surfaceflinger/SharedBufferStack.h
图四 客户端和服务端缓冲区管理
继续研究SharedClient、SharedBufferStack、SharedBufferClient、SharedBufferServer的诞生过程。
1. SharedClient
- 在createConnection阶段，SurfaceFlinger创建Client对象：
- sp<ISurfaceFlingerClient> SurfaceFlinger::createConnection()
- {
- Mutex::Autolock _l(mStateLock);
- uint32_t token = mTokens.acquire();
- sp<Client> client = new Client(token, this);
- if (client->ctrlblk == 0) {
- mTokens.release(token);
- return 0;
- }
- status_t err = mClientsMap.add(token, client);
- if (err < 0) {
- mTokens.release(token);
- return 0;
- }
- sp<BClient> bclient =
- new BClient(this, token, client->getControlBlockMemory());
- return bclient;
- }
- 再进入Client的构造函数中，它分配了4K大小的共享内存，并在这块内存上构建了SharedClient对象：
- Client::Client(ClientID clientID, const sp<SurfaceFlinger>& flinger)
- : ctrlblk(0), cid(clientID), mPid(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;
- }
- }
- 回到createConnection中，通过Client的getControlBlockMemory()方法获得共享内存块的IMemoryHeap接口，接着创建ISurfaceFlingerClient的子类BClient，BClient的成员变量mCblk保存了IMemoryHeap接口指针；
- 把BClient返回给SurfaceComposerClient，SurfaceComposerClient通过ISurfaceFlingerClient接口的getControlBlock()方法获得IMemoryHeap接口指针，同时保存在SurfaceComposerClient的成员变量mControlMemory中；
- 继续通过IMemoryHeap接口的getBase ()方法获取共享内存的首地址，转换为SharedClient指针后保存在SurfaceComposerClient的成员变量mControl中；
- 至此，SurfaceComposerClient的成员变量mControl和SurfaceFlinger::Client.ctrlblk指向了同一个内存块，该内存块上就是SharedClient对象。
2. SharedBufferStack、SharedBufferServer、SharedBufferClient
SharedClient对象中有一个SharedBufferStack数组：
SharedBufferStack surfaces[ NUM_LAYERS_MAX ];
NUM_LAYERS_MAX 被定义为31，这样保证了SharedClient对象的大小正好满足4KB的要求。创建一个新的Surface时，进入SurfaceFlinger的createSurface函数后，先取在createConnection阶段创建的Client对象，通过Client在0--NUM_LAYERS_MAX 之间取得一个尚未被使用的编号，这个编号实际上就是SharedBufferStack数组的索引：
- int32_t id = client->generateId(pid);
然后以Client对象和索引值以及其他参数，创建不同类型的Layer对象，一普通的Layer对象为例：
- layer = createNormalSurfaceLocked(client, d, id,
- w, h, flags, format);
在createNormalSurfaceLocked中创建Layer对象：
- sp<Layer> layer = new Layer(this, display, client, id);
构造Layer时会先构造的父类LayerBaseClient，LayerBaseClient中创建了SharedBufferServer对象，SharedBufferStack 数组的索引值和SharedClient被传入SharedBufferServer对象中。
- LayerBaseClient::LayerBaseClient(SurfaceFlinger* flinger, DisplayID display,
- const sp<Client>& client, int32_t i)
- : LayerBase(flinger, display), lcblk(NULL), client(client), mIndex(i),
- mIdentity(uint32_t(android_atomic_inc(&sIdentity)))
- {
- lcblk = new SharedBufferServer(
- client->ctrlblk, i, NUM_BUFFERS,
- mIdentity);
- }
自此，Layer通过lcblk成员变量(SharedBufferServer)和SharedClient共享内存区建立了关联，并且每个Layer对应于SharedBufferStack 数组中的一项。
回到SurfaceFlinger的客户端Surface.cpp中，Surface的构造函数如下：
- Surface::Surface(const sp<SurfaceControl>& surface)
- : mClient(surface->mClient), mSurface(surface->mSurface),
- mToken(surface->mToken), mIdentity(surface->mIdentity),
- mFormat(surface->mFormat), mFlags(surface->mFlags),
- mBufferMapper(GraphicBufferMapper::get()), mSharedBufferClient(NULL),
- mWidth(surface->mWidth), mHeight(surface->mHeight)
- {
- mSharedBufferClient = new SharedBufferClient(
- mClient->mControl, mToken, 2, mIdentity);
- init();
- }
SharedBufferClient构造参数mClient->mControl就是共享内存块中的SharedClient对象，mToken就是SharedBufferStack 数组索引值。
到这里我们终于知道，Surface中的mSharedBufferClient成员和Layer中的lcblk成员(SharedBufferServer)，通过SharedClient中的同一个SharedBufferStack，共同管理着Surface（Layer）中的两个缓冲区。
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