Android 图形架构

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概述

要理解Android的图形架构，我们需要先理解window的概念。维基百科中给window的定义是：Window是图形用户界面（GUI）系统中显示器上一个单独的视图区域（可以想象你电脑桌面上一个个窗口）。

因此，Android图形架构的就是把各个应用创建的一个个window组合显示到显示屏上的架构。

首先我们要理解Android系统中以下概念：

Window：代表显示器上一个单独的视图区域的对象。它由WindowManager控制。由view构成。这些view构成一个View Hierarchy结构。而这个View Hierarchy被渲染到WindowFlinger创建给Window的Surface上。

View：代表和用户交互组件的基础模块。一个view占据屏幕上的一个矩形区域，并负责这个区域的图形绘制和交互事件。Android中每个window的view构成一个View Hierarchy结构。

Surface：由SurfaceFlinger创建给WindowManager，并被WindowManager交给Window用来绘制window中view的内容。

这些内容可以由view用canvas绘制，或者采用OpenGL ES等方法。它是指java对象，c++对应的对象是ANativeWindow。

简而言之，就是，Window中的view被绘制或渲染到Surface中，才能被显示在Display上。如图

那么，Window是怎么产生的呢？

每个Activity、DreamService、Dialog、MediaController、Toast或者自定义View在创建时都会创建一个对应的Window。

这些Window可以设置父子关系，如一般的Dialog会是它所属Activity的子Window。这些子Window会拥有自己单独的Surface。

多个Window组合在一起就构成了界面，也就是多个Surface的内容组合在一起就构成了界面的显示，其中Surface的组合则是由SufaceFlinger根据各个Window的z-order之类的元数据组合的，SurfaceFlinger组合之后确定了显示屏上哪个Window需要显示、显示多少、显示在屏上哪个位置等，然后再把组合后的数据传给图形硬件抽象层（HAL）。如图

Surface 如何被渲染（图片来源：Android 官方）

Android graphics components

上面提到，View用Canvas把内容绘制到Surface上，然后显示在界面上，那么被绘制到Surface上的内容是怎么显示的呢？

如上图（Surface 如何被渲染）中显示的，它们通过Buffer Data传递被绘制的内容。

App通过 Canvas 或Media Player或Camera Preview或OpenGL ES生产Graphics Data并渲染到Surface，而SurfaceFlinger把这些Data组合然后通过Hardware Composer显示。

如图：

Android 图形架构

简单来说，就是app生产graphics data，然后SurfaceFlinger合成组合所有的graphics data然后传递给Hardware Composer显示。

graphics data flow（图片来源：Android 官方）

其中，graphic data称为Buffer，生产这些graphic data的Canvas、Media Player、Camera Preview等称为图形流生产方（Image Stream Producers）。

而合成组合这些graphic data的SurfaceFlinger或OpenGL ES apps则称为图形流消耗方（Image Stream Consumers）。

这些graphic data最后通过HWC（Hardware Composer）显示在显示器上。其中一个graphic data称为Buffer，它们组成BufferQueue。

BufferQueue：BufferQueue是一个结合了buffer pool和队列的数据结构，它使用Binder IPC在进程间传递buffers。

BufferQueue的生产方调用IGraphicBufferProducer(SurfaceTexture的一部分)接口来生成graphic buffers。而它的消耗方和GL Consumer一起消耗它并把它渲染到Surface。

SurfaceFlinger & WindowManager

SurfaceFlinger: accepts buffers, composes buffers, and sends buffers to the display. （接收并合成buffers，然后把它们发送给display显示。）

WindowManager: provides SurfaceFlinger with buffers and window metadata, which SurfaceFlinger uses to composite surfaces to the display. （给SurfaceFlinger提供合成surfaces所需的buffers和window metadata。）

Layer: A combination of a surface and a SurfaceControl.

Surface: contains the BufferQueue. 一个供Image Stream生产者和Image Consumer交换buffers的接口。它包含BufferQuene。使应用可以渲染要显示在屏幕上的Images。

SurfaceControl: contains the layer metadata like the display frame. It's uses to manipulate the appeareance of the app on the screen.

Window: containers for view objects. Window objects always backed by surface objects and controlled by WindowManager.

Window metadata: lifecycles, input and focus events, screen orientation, transitions, animations, position, transforms, z-order, and many other aspects of a window. Overseen by the WindowManager.

View: represents the basic building block for user interface components. A view occupies a rectangular area on the screen and is responsible for drawing and event handling.

When an app comes to the foreground, it requestes buffers from WindowManager. WindowManager then sends all of the window metadata to SurfaceFlinger and requests a layer.

SurfaceFlinger creates the layer and sends it to WindowManager. WindowManager then sends ther surface to the app, but keeps the SurfaceControl. 如图：

VSYNC:

APP 可以在任何时候提交buffers，但SurfaceFlinger仅仅在两次display刷新中间被唤醒并接收buffers，这样可减少内存使用，并避免可见的屏幕撕裂（如果显示内容在刷新期间更新，就有可能发生）。

当display处在两次刷新中间时，display会向SufaceFlinger发送VSYNC信号。VSYNC信号表示可以更新display且不用担心产生撕裂。

SurfaceFlinger收到VSYNC信号后，会遍历它的所有visible layers：如果该layer有新的buffer，获取它；如果没有，继续使用旧的buffer；如果该layer没有任何buffer，忽略它。

当所有layer的buffer都被收集完后，SurfaceFlinger向Hardware Composer(HWC)询问这些layer的合成类型，如果得到的结果是客户端合成，则合成。并把output buffer传给HWC。

VSYNC信号可同步display pipeline（显示管道）。display pipeline包含app渲染、SurfaceFlinger合成、HWC在显示器上显示图片。

VSYNC同步app因为要开始渲染而被唤醒的时间、SurfaceFlinger因为要合成屏幕而被唤醒的时间、和显示器刷新周期。

SurfaceFlinger通过setVsyncEnable方法控制HWC是否生成VSYNC事件，当HWC生成VSYNC事件后，会通过回调函数通知SurfaceFlinger。

在VSYNC事件发生时，显示器开始显示第N帧时，SurfaceFlinger开始合成第N+1帧，而app在处理等待的input事件并生成第N+2帧。

WinScope：

可用WinScope web分析WindowManager或SurfaceFlinger在window转换期间和转换后的状态。

使用步骤：

1. 启用

WindowManager:

adb shell cmd window tracing start

SurfaceFlinger：adb shell su root service call SurfaceFlinger 1025 i32 1

2. 停用

WindowManager: adb shell cmd window tracing stop

SurfaceFlinger：adb shell su root service call SurfaceFlinger 1025 i32 0

3. 获取pb文件

WindowManager: adb pull /data/misc/wmtrace/wm_trace.pb wm_trace.pb

SurfaceFlinger：adb pull /data/misc/wmtrace/layers_trace.pb layers_trace.pb

4. 从 Android 源代码库中下载winscope.html：

curl 'https://android.googlesource.com/platform/prebuilts/misc/+/master/common/winscope/winscope.html?format=TEXT' | base64 -d > winscope.html

5. 打开winscope.html

6. 点击右上角的”OPEN FILE“按钮，选择要打开的pb文件，如图：

Analyzing a trace in WinScope

这个trace里面有下面几个部分：

Timeline — 事件的时间轴。

Screen — 显示屏幕上所有的可见Window。

Hierarchy — 包含系统已知的所有window，包括不可见的（这些window没有buffer，但是对其子window有用）。可见window信息的末尾会带有一个V标签。

Properties — 显示Hierarchy选中条目的具体信息。

WindowScope还可以从bug reports中读取WindowManager和SurfaceFlinger的快照，bug reports以proto文件的形式存储在proto文件夹中，用以下命令生成pb文件：

WindowManager: adb exec-out dumpsys window --proto > window_dump.pb

SurfaceFlinger: adb exec-out dumpsys SurfaceFlinger --proto > sf_dump.pb

Surface & SurfaceHolder

Layer：合成中最重要的单元。是Surface和SurfaceControl的结合。每个Layer都有一系列定义和其它layers交互的属性，如Z-order等。

Surface：A surface is an interface for a producer to exchange buffers with a consumer. Surface objects enable apps to render images to be presented on screens.

SurfaceHolder：**提供可以编辑和控制Surface的接口。**大部分和view交互的组件都关联一个SurfaceHolder来操作Surface，如SurfaceView。另外一些如MediaCodec之类的API，直接操作Surface。

View

构建用户界面的基础元素，每个View占据屏幕上的一个矩形，并负责这个矩形区域的绘图和事件处理。

Android的UI框架是一个view hierarchy结构，所有的UI元素经过一系列的测量和布局放置在一个矩形区域内。

View & Window & Surface

Window是图形用户界面（GUI）系统中显示器上一个单独的视图区域。界面上的dialog、activity、status bar都有其对应的Window，每个Window都有其对应的View Hierarchy结构。

当应用到前台时，WindowManager会为每个Window获取一个Surface，并把这个Surface给应用，应用在这块Surface上用Canvas或者其它方法绘制它所属Window中包含的View。

在界面的两次刷新中间时，SurfaceFlinger会根据Z-order等信息合成系统中所有window的显示区域，并最后渲染到屏幕上。

如果一个view要刷新，其实就是往它所属window的Surface的BufferQuene中更新新的buffer内容，等下次SurfaceFlinger遍历时取出来重新合成。

简单的说就是，Windows中的View要被渲染到Surface上才会被显示。

SurfaceView

一般来说一个View会和它所属window中的view共用一块Surface，但是SurfaceView拥有自己单独的Surface。

当SurfaceView所属的window变成可见时，framework会让SurfaceControl向SurfaceFlinger申请一块新的Surface给它。

默认情况下，这块surface会被放在app其它UI surface的后面，如果要把它放在top可以override默认的Z-order。

如果没有SurfaceView，当应用需要使用如GL context（OpenGL ES context）或media decoder（Camera API）这类external buffer source进行渲染时，需要复制buffer source中的buffers，并把它们合成到window对应surface中，才能让它们显示在屏幕上。

而使用SurfaceView的话，SurfaceFlinger直接把source buffers合成到屏幕上。

SurfaceView的surface是BufferQueue的生产方，SurfaceFlinger是消耗方。

SurfaceTexture

SurfaceTexture是Surface和OpenGL ES(GLES) texture的组合。SurfaceTexture提供Surface给GLES渲染。

SurfaceTexture为消耗sources buffers的app持有一个BufferQueue。当source buffers的生产方往BufferQueue里插入一个新buffer时，onFrameAvailable() callback会被调用。

然后app可以调用updateTexImage()，这个方法会释放之前持有的buffer，从队列中获取生产方新插入的buffer，并进行EGL调用使buffer可作为external texture供GLES使用。

SurfaceTexture使用external texture，external texture的优点是能够直接用BufferQueue中的数据进行渲染。

SurfaceTexutre在为external textures创建BufferQueues时会把消耗方的使用标记设置为GRALLOC_USAGE_HW_TEXTURE，以确保GLES可以识别buffer中的数据。

TextureView

TextureView是SurfaceTexture和View的组合。

TextureView类里面封装了一个SurfaceTexture，所以可以接收SurfaceTexture的回调和获取可用buffer。当buffer更新后，TextureView会触发view的invalidate()方法请求重绘。

GLES可以通过把TextureView中的SurfaceTexture传给创建EGL的调用来在TextureView上渲染。

如图，表示一个应用显示Camera preview的数据：

Camera的数据渲染到SurfaceTexture提供给它的Surface上，然后再把这些数据渲染到TextureView所属Window的Surface上，或渲染到SurfaceView自己的Surface上。

SurfaceView or TextureView

SurfaceView有自己专用的Surface，而TextureView和它所属Window上的view共用一块Suface。

在 API 24 及更高版本中，建议使用SurfaceView而不是TextureView。

两者功能类似并且都是 view hierarchy 中的一员。但是，它们实现方法不一样。SurfaceView虽然和其它view共享window的参数，但它的内容在渲染时是透明的。

TextureView具有更好的alpha和rotation处理能力.

SurfaceView在合成视频上分层的UI元素时性能更好：

1. 使用SurfaceView时，系统会为SurfaceView提供一个单独的合在层(layer)，SurfaceFlinger将直接使用这个layer做为一个硬件叠加层和其它window的layer合成在一起。

2. 使用TextureView时，UI工具通过GPU将TextureView中的内容合成到它的view hierarchy中——当TextureView内容更新时，可能会导致其它view的重绘。

比如，放置在TextureView上面的view；而且因为在view的渲染完成后，SurfaceFlinger还要把它所属的app UI layer和其它layer合成在一起，所以导致所有TextureView上的可见像素都被合成了两次。

但TextureView在某些功能的实现上比SurfaceView要简单，比如缩放功能的实现：缩放SurfaceView需要FrameLayout的自定义实现，WindowManager需要告诉SurfaceFlinger新窗口的位置和大小等信息。

而缩放TextureView只需要使用TextureView#setTransform()配置转换矩阵。

EGLSurface & OpenGL ES

OpenGL ES：Open Graphics Libarary Embedded Systems，GLES，免费的、用于在嵌入式和移动系统如手机上渲染图形的跨平台API。

EGL：Embedded Graphics Libarary. EGL是Khronos渲染API（如GLES）与本地窗口系统之间的一个中间接口层。

texture：OpenGL的对象，包含一张或多张拥有相同图片格式的图片。可以做为Shader(着色器)的来源，也可以做为渲染目标。texture图片比光滑的图片多了表面的纹理。

不同设备的窗口系统千变万化，但GLES的API却是不变的，所以需要EGL协调设备的窗口系统和GLES。

Android用GLES来渲染图形，并用EGL来创建GLES的contexts和为GLES渲染提供绘制的地方。GLES方法用来渲染textured多边形，而EGL方法用来把渲染显示在屏幕上。

在使用GLES绘制前，你需要创建GL context。在EGL中，这意味着要创建一个EGLContext和一个EGLSurface。

这个GL context通过thread-local storage的方式被GLES访问操作，而不是当做一个参数被传递给GLES访问操作。渲染代码应该在当前的GLES线程而不是UI线程执行。

EGLSurface（Android）

EGLSurface是操作系统分配的window，它由eglCreateWindowSurface()方法创建。

这个方法不仅创建一个EGLSurface，还会把创建的EGLSurface连接到做为输入参数的Surface的BufferQueue上（做为BufferQueue的生产方），而这个Surface由BufferQueue的消耗方（SurfaceView、SurfaceTexture、TextureView或者ImageReader等）创建。

这样，渲染这个EGLSurface的整个流程是：从BufferQueue中取出一个new buffer，渲染这个buffer，再把被填充的buffer重新插入到BufferQueue中供consumer使用。如下