SurfaceFlinger模块

news2024/11/15 17:35:34

SurfaceFlinger是一个系统服务，作用就是接受不同layer的buffer数据进行合成，然后发送到显示设备进行显示。

SurfaceFlinger进程是什么时候起来的？

在之前的Android低版本手机上，SurfaceFlinger进程是在init.rc中启动的，在最新的高版本上SurfaceFlinger进程并不是直接在init.rc文件中启动的，而是通过Android.bp去包含启动surfaceflinger.rc文件，然后在该文件中再去启动SurfaceFlinger进程。

/framework/native/services/surfaceflinger/surfaceflinger.rc

 service surfaceflinger /system/bin/surfaceflinger
     class core animation
     user system
     group graphics drmrpc readproc
     capabilities SYS_NICE
     onrestart restart zygote
     task_profiles HighPerformance
     socket pdx/system/vr/display/client     stream 0666 system graphics u:object_r:pdx_display_client_endpoint_socket:s0
     socket pdx/system/vr/display/manager    stream 0666 system graphics u:object_r:pdx_display_manager_endpoint_socket:s0
     socket pdx/system/vr/display/vsync      stream 0666 system graphics u:object_r:pdx_display_vsync_endpoint_socket:s0

关于init.rc文件的解析和Android.bp的编译脚本执行（Soong编译系统）本文不做深入研究，SurfaceFlinger进程启动了，就会执行到main函数。

/services/surfaceflinger/Main_surfaceflinger.cpp

main函数中，有几个关键的点需要关注。

  1. ProcessState::self() 函数的调用，个人理解是同binder驱动建立链接，获取驱动的版本，通知驱动，可以同时启动15个线程来处理Client的请求。

总结：

（1）构建ProcessState全局对象gProcess

（2）打开binder驱动，建立链接

（3）在驱动内部创建该进程的binder_proc,binder_thread结构，保存该进程的进程信息和线程信息，并加入驱动的红黑树。

（4）获取驱动的版本信息

（5）把该进程最多可同时启动的线程告诉驱动，并保存到改进程的binder_proc结构中

（6）把设备文件/dev/binder映射到内存中

  1. 设置SurfaceFlinger进程的优先级

setpriority(PRIO_PROCESS, 0, PRIORITY_URGENT_DISPLAY);
set_sched_policy(0, SP_FOREGROUND);
if(cpusets_enabled()){
    set_cpuset_policy(0, SP_SYSTEM);
}

关于cpuset的使用，有一些简单的命令如下：

查看cpuset的所有分组

adb shell ls -l /dev/cpuset

查看system-background的cpuset的cpu

adb shell cat /dev/cpuset/system-background/cpus

查看system-background的应用

adb shell cat /dev/cpuset/system-background/tasks

查看SurfaceFlinger的cpuset

adb shell 'cat /proc/(pid of surfaceflinger)/cpuset'

我们也可以自定义cpuset，就是可以根据各自的需求，动态配置自定义的cpuset，例如SurfaceFlinger的线程默认跑到4个小核上，假如有个需求要把SurfaceFlinger的线程跑到大核上，就可以配置自定义cpuset，在进入某个场景的时候，把SurfaceFlinger进程pid配置到自定义的cpuset的tasks中。

3 初始化SurfaceFlinger

// 实例化 surfaceflinger
sp<SurfaceFlinger> flinger = surfaceflinger::createSurfaceFlinger();

// 初始化 surfaceflinger
flinger->init();

// 将 flinger 添加到 ServiceManager 进程中
sp<IServiceManager> sm(defaultServiceManager());
sm->addService(String16(SurfaceFlinger::getServiceName()), flinger, false, IServiceManager::DUMP_FLAG_PRIORITY_CRITICAL | IServiceManager::DUMP_FLAG_PROTO);

//启动 DisplayService
startDisplayService();

// 启动 surfaceflinger
flinger->run();

实例化 surfaceflinger

有个SurfaceFlingerFactory.cpp，类似java中的工厂类，在头文件中定义了好多创建不同对象的函数。

/frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlingerFactory.cpp

sp<SurfaceFlinger> createSurfaceFlinger() {
    static DefaultFactory factory;
    return new SurfaceFlinger(factory);
}
} // namespace android::surfaceflinger

通过SurfaceFlingerFactory.cpp创建了一个SurfaceFlinger对象。

/frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.h

class SurfaceFlinger : public BnSurfaceComposer,
                       public PriorityDumper,
                       private IBinder::DeathRecipient,
                       private HWC2::ComposerCallback,
                       private ISchedulerCallback

SurfaceFlinger继承BnSurfaceComposer，实现ISurfaceComposer接口，实现ComposerCallback，PriorityDumper是一个辅助类，提供了SurfaceFlinger的dump信息。

关于ISurfaceComposer的接口定义和实现，本文不做细节描述。

简单画了SurfaceFlinger的UML图。

  1. ISurfaceComposer 是对SurfaceFlinger进程的binder调用。

  1. HWC2::ComposerCallback，这个是面向底层硬件的回调，这个包含了三个很关键的回调函数，onComposerHotplug函数表示显示屏的热插拔通知给SurfaceFlinger进程的回调， onComposerHalRefresh函数表示底层硬件通知SurfaceFlinger进程HWC刷新的回调，onComposerHalVsync表示底层通知SurfaceFlinger进程同步信号的回调。

我们接下来看下SurfaceFlinger的构造函数。

在SurfaceFlinger中的构造方法中，初始化了大量的全局变量，有一些变量影响了整个代码的执行流程等等，而这些变量都可以在开发者模式中去更改它，就是SurfaceFlinger作为binder的服务端，设置页面中的开发者模式页面做为client端去调用更改，努比亚作为ROM厂商，SurfaceFlinger的代码中还包括了开关高通辅助功能的属性开关等等。

初始化 surfaceflinger

实例化surfaceflinger对象之后，调用该对象的init方法，这个方法里面有几个比较重要的代码。

  1. 构造SkiaRenderEngine渲染引擎

mCompositionEngine->setRenderEngine(renderengine::RenderEngine::create(
        renderengine::RenderEngineCreationArgs::Builder()
                .setPixelFormat(static_cast<int32_t>(defaultCompositionPixelFormat))
                .setImageCacheSize(maxFrameBufferAcquiredBuffers)
                .setUseColorManagerment(useColorManagement)
                .setEnableProtectedContext(enable_protected_contents(false))
                .setPrecacheToneMapperShaderOnly(false)
                .setSupportsBackgroundBlur(mSupportsBlur)
                .setContextPriority(
                        useContextPriority
                                ? renderengine::RenderEngine::ContextPriority::REALTIME
                                : renderengine::RenderEngine::ContextPriority::MEDIUM)
                .build()));

在Android S版本之前，这块的绘制流程都是opengles实现的，在Android S新版本上切换到skia库，mCompositionEngine这个类比较重要，主要负责layer的Client合成就是GPU合成，截图，录屏等核心功能都和这块有关系，Client合成有别于HWC合成，一个是GPU合成，一个是高通的硬件去合成。针对skia库的研究后面有单独的章节进行讲解。

  1. 构造Vsync

// Process any initial hotplug and resulting display changes.
processDisplayHotplugEventsLocked();

上面这个函数会被几个地方调用到，在init方法中，还有binder的调用中和ComposerCallback的回调中，我们重点看这个函数中调用了initScheduler方法，

// start the EventThread
mScheduler = getFactory().createScheduler(*mRefreshRateConfigs, *this);
const auto configs = mVsyncConfiguration->getCurrentConfigs();
const nsecs_t vsyncPeriod = currRefreshRate.getPeriodNsecs();
mAppConnectionHandle =
        mScheduler->createConnection("app", mFrameTimeline->getTokenManager(),
                                     /*workDuration=*/configs.late.appWorkDuration,
                                     /*readyDuration=*/configs.late.sfWorkDuration,
                                     impl::EventThread::InterceptVSyncsCallback());
mSfConnectionHandle =
        mScheduler->createConnection("appSf", mFrameTimeline->getTokenManager(),
                                     /*workDuration=*/std::chrono::nanoseconds(vsyncPeriod),
                                     /*readyDuration=*/configs.late.sfWorkDuration,
                                     [this](nsecs_t timestamp) {
                                         mInterceptor->saveVSyncEvent(timestamp);
                                     });

mEventQueue->initVsync(mScheduler->getVsyncDispatch(), *mFrameTimeline->getTokenManager(),
                       configs.late.sfWorkDuration);

上面把initScheduler方法中几个关键的代码贴出来，这个和Vsync研究密切相关，当我们要研究SurfaceFlinger的合成流程，也就本章节要讲的最核心的流程，合其触发的条件是由Vsync控制的，Vsync很像一个节拍器，SurfaceFlinger中每一帧的合成都需要跟随节拍器，太快或者太慢都会导致屏幕显示异常，一般表现为画面卡顿，不流畅，本章的主要讲解SurfaceFlinger的合成流程，关于Vsync的研究后面有独立章节进行讲解。

  1. 举例讲解一个init函数中高通一个so库的加载。

char layerExtProp[PROPERTY_VALUE_MAX];
property_get("vendor.display.use_layer_ext", layerExtProp, "0");
if(atoi(layerExtProp)){
    mUseLayerExt = true;
}

当我们把vendor.display.use_layer_ext中配置成1，就会把mUseLayerExt的变量置为true，这个变量代表SurfaceFlinger使用liblayerext.qti.so。这个so库是判断当前的layer是不是游戏的layer，所以当这个库加载成功之后，会在BufferLayer对象在构造函数中初始化一个layer的变量mLayerClass。

if(mFlinger->mLayerExt){
    mLayerClass = mFlinger -> mLayerExt ->GetLayerClass(mName);
}

当mLayerClass被初始化成功之后，第三方应用可以通过binder调用，查询SurfaceFlinger进程这个应用的layer是不是游戏的layer，如果是游戏的layer则可以处理自己的逻辑等等，在最新的Android S版本有个AppClassifier应用需要启动，如果被禁止会导致liblayerext.qti.so去判断layer的类型发生异常，这个apk是高通实现的，会监听应用的安装广播，所以会在数据库中存储一份不同应用对应的的类别信息。

  1. 将SurfaceFlinger添加到 ServiceManager进程中

这个逻辑主要是提供给app端通过binder来调用SurfaceFlinger的方法，SurfaceFlinger的onTransact函数会根据app端传递的code做不同的代码处理，下图是onTransact函数中一处code的处理。

case 1034: {
    switch (n = data.readInt32()) {
        case 0:
        case 1:
            enableRefreshRateOverlay(static_cast<bool>(n));
            break;
        default: {
            Mutex::Autolock lock(mStateLock);
            reply->writeBool(mRefreshRateOverlay != nullptr);
        }
    }
    return NO_ERROR;
}

这个code是1034的逻辑，那么是那个app端发出来的么，答案是设置应用中的开发者模式页面中的功能按钮，搜索了Settings应用中关于1034的逻辑，找到了一个ShowRefreshRatePreferenceController.java包含这段逻辑。

/Settings/src/com/android/settings/development/ShowRefreshRatePreferenceController.java

private static final String SHOW_REFRESH_RATE_KEY = "show_refresh_rate";
@VisibleForTesting
static final int SURFACE_FLINGER_CODE = 1034;
public ShowRefreshRatePreferenceController(Context context) {
    super(context);
    mSurfaceFlinger = ServiceManager.getService(SURFACE_FLINGER_SERVICE_KEY);
}
@VisibleForTesting
void updateShowRefreshRateSetting() {
    // magic communication with surface flinger.
    try {
        if (mSurfaceFlinger != null) {
            final Parcel data = Parcel.obtain();
            final Parcel reply = Parcel.obtain();
            data.writeInterfaceToken(SURFACE_COMPOSER_INTERFACE_KEY);
            data.writeInt(SETTING_VALUE_QUERY);
            mSurfaceFlinger.transact(SURFACE_FLINGER_CODE, data, reply, 0 /* flags */);
            final boolean enabled = reply.readBoolean();
            ((SwitchPreference) mPreference).setChecked(enabled);
            reply.recycle();
             data.recycle();
         }
     } catch (RemoteException ex) {
         // intentional no-op
     }
 }

从上面的代码可以看到，App端对SurfaceFlinger进程进行了binder通讯。

  1. 启动 surfaceflinger

voidSurfaceFlinger::run() {
    while (true) {
        mEventQueue->waitMessage();
    }
}
SurfaceFlinger onFirstRef方法
voidSurfaceFlinger::onFirstRef() {
    mEventQueue->init(this);
}

在前面的main函数，SurfaceFlinger指针对象实际上还是一个智能指针，sp强引用指针。这种智能指针在第一次引用的时候，会调用onFirstRef方法，进一步实例化内部需要的对象，这个方法调用了mEventQueue的init方法，而这个对象就是线程安全的MessageQueue对象。

SurfaceFlinger中的MessageQueue和Android应用层开发的MessageQueue设计非常相似，只是个别角色做的事情稍微有一点不同。

SurfaceFlinger的MessageQueue机制的角色：

  1. MessageQueue 同样做为消息队列向外暴露操作接口，不像应用层的MessageQueue一样作为Message链表的队列缓存，而是提供了相应的发送消息的接口以及等待消息方法。

  1. native的Looper是整个MessageQueue的核心，以epoll_event为核心，event_fd为辅助构建一套快速的消息回调机制。

  1. native的Handler则是实现handleMessage方法，当Looper回调的时候，将会调用Handler中的handleMessage方法处理回调函数。

MessageQueue init

/frameworks/native/services/surfaceflinger/Scheduler/MessageQueue.cpp

voidMessageQueue::init(constsp<SurfaceFlinger>&flinger) {
      mFlinger=flinger;
      mLooper=newLooper(true);
      mHandler=newHandler(*this);
  }

该init方法中实例化了Looper和Handle。

void MessageQueue::Handler::handleMessage(const Message& message) {
    switch (message.what) {
        case INVALIDATE:
            mEventMask.fetch_and(~eventMaskInvalidate);
            mQueue.mFlinger->onMessageReceived(message.what, mVsyncId, mExpectedVSyncTime);
            break;
        case REFRESH:
            mEventMask.fetch_and(~eventMaskRefresh);
            mQueue.mFlinger->onMessageReceived(message.what, mVsyncId, mExpectedVSyncTime);
            break;
    }
}

在上面的回调函数，可以看到注册了两种不同的刷新监听，一个是invalidate刷新，一个是refresh刷新。它们最后都会回调到SurfaceFlinger中的onMessageReceived中，换句话说，每当我们需要图元刷新的时候，就会通过mEventQueue的post方法，回调到SurfaceFlinger的主线程进行合成刷新。

以上就是SurfaceFlinger进程初始化的过程，中间提到了一些比较重要的类，接下来会通过几个章节对SurfaceFlinger进程中比较核心的逻辑进行代码讲解。

  1. 第1章 Vsync研究

  1. 第2章 BufferQueue研究

  1. 第3章 SurfaceFlinger动画研究

  1. 第4章 SurfaceFlinger主流程研究（分析handleMessage方法的逻辑）

  1. 第5章 HWC研究

  1. 第6章 Android显示流程研究

  1. 第7章 Skia库研究

  1. 第8章 截图/录屏流程研究

关于SurfaceFlinger的两篇文章都在《努比亚技术团队》简书中的账号发表过，这两篇是本人发表的，由于努比亚技术团队后续的文章不再更新，关于SurfaceFlinger模块的后续文章研究会在本人的博客下持续更新。

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