Android图形显示之FramebufferNativeWindow本地窗口

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：

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：

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。

EGLSurface eglCreateWindowSurface(EGLDisplay dpy, EGLConfig config,
                                    NativeWindowType window,
                                    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

typedef EGLNativeWindowType  NativeWindowType;

#if defined(_WIN32) || defined(__VC32__) && !defined(__CYGWIN__) && !defined(__SCITECH_SNAP__) /* Win32 and WinCE */
typedef HWND    EGLNativeWindowType;
#elif defined(__WINSCW__) || defined(__SYMBIAN32__)  /* Symbian */
typedef void *EGLNativeWindowType;
#elif defined(__ANDROID__) || defined(ANDROID)
typedef struct ANativeWindow*           EGLNativeWindowType;
#elif defined(__unix__)
typedef Window   EGLNativeWindowType;
#else
#error "Platform not recognized"
#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：

struct ANativeWindow
{
#ifdef __cplusplus
    ANativeWindow(): flags(0), minSwapInterval(0), maxSwapInterval(0), xdpi(0), ydpi(0)
    {
        common.magic = ANDROID_NATIVE_WINDOW_MAGIC;
        common.version = sizeof(ANativeWindow);
        memset(common.reserved, 0, sizeof(common.reserved));
    }
    void incStrong(const void* id) const {
        common.incRef(const_cast<android_native_base_t*>(&common));
    }
    void decStrong(const void* id) const {
        common.decRef(const_cast<android_native_base_t*>(&common));
    }
#endif

    struct android_native_base_t common;
    const uint32_t flags;//用于描述该Surface的一些属性
    const int   minSwapInterval;//最小交换间隔时间
    const int   maxSwapInterval;//最大交换间隔时间
    const float xdpi;//水平方向的密度
    const float ydpi;//垂直方向的密度
    intptr_t    oem[4];//为OEM预留
	//设置交换间隔时间
    int     (*setSwapInterval)(struct ANativeWindow* window,int interval);
	//申请一个图形缓冲区buffer
    int     (*dequeueBuffer)(struct ANativeWindow* window,struct ANativeWindowBuffer** buffer);
	//锁定图形缓冲区
    int     (*lockBuffer)(struct ANativeWindow* window,struct ANativeWindowBuffer* buffer);
	//buffer渲染完成后，它调用这个接口来unlock和post buffer
    int     (*queueBuffer)(struct ANativeWindow* window,struct ANativeWindowBuffer* buffer);
	//向本地窗口查询相关信息
    int     (*query)(const struct ANativeWindow* window,int what, int* value);
	//执行本地窗口支持的各种操作
    int     (*perform)(struct ANativeWindow* window,int operation, ... );
	//取消一个已经dequeued的buffer
    int     (*cancelBuffer)(struct ANativeWindow* window,struct ANativeWindowBuffer* buffer);
	//预留
    void* reserved_proc[2];
}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：

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：

class FramebufferNativeWindow 
    : public ANativeObjectBase<
        ANativeWindow, 
        FramebufferNativeWindow, 
        LightRefBase<FramebufferNativeWindow> >
{
    framebuffer_device_t* fbDev; //描述Framebuffer设备
    alloc_device_t* grDev; //描述gpu设备
    sp<NativeBuffer> buffers[NUM_FRAME_BUFFERS];//定义2个图形缓冲区
    sp<NativeBuffer> front; //前台图形缓冲区，即正在渲染的图形缓冲区
    mutable Mutex mutex; 
    Condition mCondition;
    int32_t mNumBuffers; //图形缓冲区个数
    int32_t mNumFreeBuffers; //可以使用的图形缓冲区个数
    int32_t mBufferHead; //
    int32_t mCurrentBufferIndex;//当前图形缓冲区的索引
    bool mUpdateOnDemand;
};

接下来看看FramebufferNativeWindow对象的构造过程：

FramebufferNativeWindow::FramebufferNativeWindow() : BASE(), fbDev(0), grDev(0), mUpdateOnDemand(false)
{
    hw_module_t const* module;
	//加载gralloc模块
    if (hw_get_module(GRALLOC_HARDWARE_MODULE_ID, &module) == 0) {
        int stride;
        int err;
        int i;
		//打开fb设备
        err = framebuffer_open(module, &fbDev);
        ALOGE_IF(err, "couldn't open framebuffer HAL (%s)", strerror(-err));
        //打开gpu设备
        err = gralloc_open(module, &grDev);
        ALOGE_IF(err, "couldn't open gralloc HAL (%s)", strerror(-err));
        //设备打开失败，返回
        if (!fbDev || !grDev)
            return;
        mUpdateOnDemand = (fbDev->setUpdateRect != 0);
        // 初始化变量值
        mNumBuffers = NUM_FRAME_BUFFERS;//2
        mNumFreeBuffers = NUM_FRAME_BUFFERS;//2
        mBufferHead = mNumBuffers-1;//1
#ifdef FRAMEBUFFER_FORCE_FORMAT
        *((uint32_t *)&fbDev->format) = FRAMEBUFFER_FORCE_FORMAT;
#endif
		//创建2个NativeBuffer
        for (i = 0; i < mNumBuffers; i++)
        {
            buffers[i] = new NativeBuffer(fbDev->width, fbDev->height, fbDev->format, GRALLOC_USAGE_HW_FB);
        }
		//为NativeBuffer分配缓冲区
        for (i = 0; i < mNumBuffers; i++)
        {
                err = grDev->alloc(grDev,fbDev->width, fbDev->height, fbDev->format,GRALLOC_USAGE_HW_FB, &buffers[i]->handle, &buffers[i]->stride);
                ALOGE_IF(err, "fb buffer %d allocation failed w=%d, h=%d, err=%s",i, fbDev->width, fbDev->height, strerror(-err));
                if (err)
                {
                        mNumBuffers = i;
                        mNumFreeBuffers = i;
                        mBufferHead = mNumBuffers-1;
                        break;
                }
        }
		//使用Framebuffer的设备描述符来初始化本地窗口ANativeWindow的相关属性
        const_cast<uint32_t&>(ANativeWindow::flags) = fbDev->flags; 
        const_cast<float&>(ANativeWindow::xdpi) = fbDev->xdpi;
        const_cast<float&>(ANativeWindow::ydpi) = fbDev->ydpi;
        const_cast<int&>(ANativeWindow::minSwapInterval) = fbDev->minSwapInterval;
        const_cast<int&>(ANativeWindow::maxSwapInterval) = fbDev->maxSwapInterval;
    } else {
        ALOGE("Couldn't get gralloc module");
    }
	//为本地窗口ANativeWindow设置回调接口函数
    ANativeWindow::setSwapInterval = setSwapInterval;
    ANativeWindow::dequeueBuffer = dequeueBuffer;
    ANativeWindow::lockBuffer = lockBuffer;
    ANativeWindow::queueBuffer = queueBuffer;
    ANativeWindow::query = query;
    ANativeWindow::perform = perform;
}

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：

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。

typedef struct ANativeWindowBuffer
{
//针对C++编译器定义构造函数
#ifdef __cplusplus
    ANativeWindowBuffer() {
        common.magic = ANDROID_NATIVE_BUFFER_MAGIC;
        common.version = sizeof(ANativeWindowBuffer);
        memset(common.reserved, 0, sizeof(common.reserved));
    }
    void incStrong(const void* id) const {
        common.incRef(const_cast<android_native_base_t*>(&common));
    }
    void decStrong(const void* id) const {
        common.decRef(const_cast<android_native_base_t*>(&common));
    }
#endif
    struct android_native_base_t common;//描述EGL版本信息
    int width; //图像宽度
    int height; //图像高度
    int stride; //
    int format; //图像格式
    int usage; //该buffer的用途
    void* reserved[2]; //保留
    buffer_handle_t handle; //该buffer的句柄信息
    void* reserved_proc[8];
} android_native_buffer_t;

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。

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：

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：

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：

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：

int FramebufferNativeWindow::dequeueBuffer(ANativeWindow* window, 
        ANativeWindowBuffer** buffer)
{
    FramebufferNativeWindow* self = getSelf(window);
    Mutex::Autolock _l(self->mutex);
	//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
    framebuffer_device_t* fb = self->fbDev;
    //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
    int index = self->mBufferHead++;
	//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
    if (self->mBufferHead >= self->mNumBuffers)
        self->mBufferHead = 0;
    //如果当前没有空闲的buffer，即mNumFreeBuffers= 0，则线程睡眠等待buffer的释放
    while (!self->mNumFreeBuffers) {
        self->mCondition.wait(self->mutex);
    }
    //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
    self->mNumFreeBuffers--;
	//保存当前申请的buffer在缓冲区数组中的索引位置
    self->mCurrentBufferIndex = index;
    //得到buffer数组中的NativeBuffer对象指针
    *buffer = self->buffers[index].get();
    return 0;
}

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。

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：

int FramebufferNativeWindow::queueBuffer(ANativeWindow* window, ANativeWindowBuffer* buffer)
{
    FramebufferNativeWindow* self = getSelf(window);
    Mutex::Autolock _l(self->mutex);
	//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
    framebuffer_device_t* fb = self->fbDev;
	//从NativeBuffer对象中取出buffer_handle_t
    buffer_handle_t handle = static_cast<NativeBuffer*>(buffer)->handle;
    const int index = self->mCurrentBufferIndex;
	//调用framebuffer_device_t中注册的post函数将已绘制好的buffer渲染到Framebuffer中。
    int res = fb->post(fb, handle);
	//将当前NativeBuffer保存为前台buffer
    self->front = static_cast<NativeBuffer*>(buffer);
	//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
    self->mNumFreeBuffers++;
	//唤醒图形buffer申请出列线程，表示已有空闲buffer可以被申请
    self->mCondition.broadcast();
    return res;
}

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。

static int fb_post(struct framebuffer_device_t* dev, buffer_handle_t buffer)
{	
	//校验buffer_handle_t
    if (private_handle_t::validate(buffer) < 0)
        return -EINVAL;
    //将framebuffer_device_t强制转换为fb_context_t指针
    fb_context_t* ctx = (fb_context_t*)dev;
    //将buffer_handle_t强制转换为private_handle_t指针 
    private_handle_t const* hnd = reinterpret_cast<private_handle_t const*>(buffer);
	//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
    private_module_t* m = reinterpret_cast<private_module_t*>(dev->common.module);
    //如果当前buffer是从Framebuffer中分配的缓冲区
    if (hnd->flags & private_handle_t::PRIV_FLAGS_FRAMEBUFFER) {
        const size_t offset = hnd->base - m->framebuffer->base;
        m->info.activate = FB_ACTIVATE_VBL;
        m->info.yoffset = offset / m->finfo.line_length;
        if (ioctl(m->framebuffer->fd, FBIOPUT_VSCREENINFO, &m->info) == -1) {
            ALOGE("FBIOPUT_VSCREENINFO failed");
            m->base.unlock(&m->base, buffer); 
            return -errno;
        }
        m->currentBuffer = buffer;
    } else {
        // If we can't do the page_flip, just copy the buffer to the front 
        // FIXME: use copybit HAL instead of memcpy
        void* fb_vaddr;
        void* buffer_vaddr;
        m->base.lock(&m->base, m->framebuffer, GRALLOC_USAGE_SW_WRITE_RARELY, 0, 0, m->info.xres, m->info.yres,&fb_vaddr);
        m->base.lock(&m->base, buffer, GRALLOC_USAGE_SW_READ_RARELY, 0, 0, m->info.xres, m->info.yres,&buffer_vaddr);
        memcpy(fb_vaddr, buffer_vaddr, m->finfo.line_length * m->info.yres);
        m->base.unlock(&m->base, buffer); 
        m->base.unlock(&m->base, m->framebuffer); 
    }
    return 0;
}

最后通过FBIOPUT_VSCREENINFO命令进入Framebuffer驱动，将图形渲染显示。