BufferQueue研究

news2024/9/20 8:41:25

我们在工作的过程中，肯定听过分析卡顿或者冻屏问题的时候，定位到APP卡在dequeueBuffer方法里面，或者也听身边的同事老说3Buffer等信息。所以3Buffer是什么鬼？

什么是BufferQueue?

搞Android，你一定知道Graphic Buffer和 Buffer Queue, 你的笔记中肯定也有下面这张Graphic Buffer的状态迁移图。

系统中有两类Buffer Queue，如下图所示：

  1. Layer背后的Buffer Queue

第一类，也是最为大家所熟知的，就是Layer背后的BufferQueue，用来连接App与SurfaceFlinger。App为Producer端，而 SurfaceFlinger 为 Consumer 端。

App 绘制时，先从 Buffer Queue 中 dequeue（调用 Producer 的 dequeueBuffer()函数）出来一块图形缓冲，绘制完成后，再把绘制好的图形缓冲 queue（调用 Producer 的 queueBuffer()函数）到 Buffer Queue 中，并通知 SurfaceFlinger来消费。SurfaceFlinger 收到通知后，从 Buffer Queue 中 acquire 一块绘制过的 Buffer，然后进行合成处理：要么进行 GPU合成，要么交给 HWC 去合成。

合成完成之后，这个块 Buffer 就恢复自由身，会被返回到 Buffer Queue 中（调用 Consumer 的 releaseBuffer()函数），以备下一次使用。

但是在Android S代码上面，谷歌对SurfaceFlinger的代码进行了重构，从个人理解是为了减少SF的负责，Android S开始强制App端创建BufferQueue，也就是强制Client端分配Buffer。

在Android S的代码中引入了一个BLASTBufferQueue.java(后面简称BBQ)这个类，ViewRootImpl.java在调用relayoutWindow函数的时候，会创建BBQ这个对象。

Surface getOrCreateBLASTSurface() {
    if (!mSurfaceControl.isValid()) {
        return null;
    }

    Surface ret = null;
    if (mBlastBufferQueue == null) {
        mBlastBufferQueue = new BLASTBufferQueue(mTag, mSurfaceControl,
            mSurfaceSize.x, mSurfaceSize.y,
            mWindowAttributes.format);
        // We only return the Surface the first time, as otherwise
        // it hasn't changed and there is no need to update.
        ret = mBlastBufferQueue.createSurface();
    } else {
        mBlastBufferQueue.update(mSurfaceControl,
            mSurfaceSize.x, mSurfaceSize.y,
            mWindowAttributes.format);
    }

    return ret;
}

在BBQ对象初初始化的时候，会调用nativeCreate方法，BBQ对象会在构造方法中传入SurfaceControl对象，而这样就会和SurfaceFlinger创建了一个连接通道。SurfaceControl.java封装了很多Client调用的binder接口，而服务端是SurfaceFlinger。

通过nativeCreate本地方法，通过JNI（android_graphics_BLASTBufferQueue.cpp）的nativeCreate方法，创建了native层的BBQ。

static jlong nativeCreate(JNIEnv* env, jclass clazz, jstring jName, jlong surfaceControl,
                          jlong width, jlong height, jint format) {
    String8 str8;
    if (jName) {
        const jchar* str16 = env->GetStringCritical(jName, nullptr);
        if (str16) {
            str8 = String8(reinterpret_cast<const char16_t*>(str16), env->GetStringLength(jName));
            env->ReleaseStringCritical(jName, str16);
            str16 = nullptr;
        }
    }
    std::string name = str8.string();
    sp<BLASTBufferQueue> queue =
            new BLASTBufferQueue(name, reinterpret_cast<SurfaceControl*>(surfaceControl), width,
                                 height, format);
    queue->incStrong((void*)nativeCreate);
    return reinterpret_cast<jlong>(queue.get());
}

BLASTBufferQueue::BLASTBufferQueue(const std::string& name, const sp<SurfaceControl>& surface,
                                   int width, int height, int32_t format)
      : mSurfaceControl(surface),
        mSize(width, height),
        mRequestedSize(mSize),
        mFormat(format),
        mNextTransaction(nullptr) {
    createBufferQueue(&mProducer, &mConsumer);
    // since the adapter is in the client process, set dequeue timeout
    // explicitly so that dequeueBuffer will block
    mProducer->setDequeueTimeout(std::numeric_limits<int64_t>::max());

    // safe default, most producers are expected to override this
    mProducer->setMaxDequeuedBufferCount(2);
    mBufferItemConsumer = new BLASTBufferItemConsumer(mConsumer,
                                                      GraphicBuffer::USAGE_HW_COMPOSER |
                                                              GraphicBuffer::USAGE_HW_TEXTURE,
                                                      1, false);
    static int32_t id = 0;
    mName = name + "#" + std::to_string(id);
    auto consumerName = mName + "(BLAST Consumer)" + std::to_string(id);
    mQueuedBufferTrace = "QueuedBuffer - " + mName + "BLAST#" + std::to_string(id);
    id++;
    mBufferItemConsumer->setName(String8(consumerName.c_str()));
    mBufferItemConsumer->setFrameAvailableListener(this);
    mBufferItemConsumer->setBufferFreedListener(this);
    mBufferItemConsumer->setDefaultBufferSize(mSize.width, mSize.height);
    mBufferItemConsumer->setDefaultBufferFormat(convertBufferFormat(format));
    mBufferItemConsumer->setBlastBufferQueue(this);

    ComposerService::getComposerService()->getMaxAcquiredBufferCount(&mMaxAcquiredBuffers);
    mBufferItemConsumer->setMaxAcquiredBufferCount(mMaxAcquiredBuffers);

    mTransformHint = mSurfaceControl->getTransformHint();
    mBufferItemConsumer->setTransformHint(mTransformHint);
    SurfaceComposerClient::Transaction()
            .setFlags(surface, layer_state_t::eEnableBackpressure,
                      layer_state_t::eEnableBackpressure)
            .setApplyToken(mApplyToken)
            .apply();
    mNumAcquired = 0;
    mNumFrameAvailable = 0;
    BQA_LOGV("BLASTBufferQueue created width=%d height=%d format=%d mTransformHint=%d", width,
             height, format, mTransformHint);
}

从上面的代码中，createBufferQueue创建了BufferQueue，同时也创建了Graphic Buffer的生产者和消费者。其中有个代码mProducer -> setMaxDequeuedBufferCount(2)，这个就和3Buffer有关系了，我们先整理下Buffer的运转过程，如图所示：

  1. App的RenderThread 调用 Producer.dequeueBuffer()在BufferQueue中拿到一个空闲的Buffer。

  1. App的RenderThread调用Producer.queueBuffer将绘制好的 Buffer 入列。注意，此时入列的 Buffer 可能还未绘制完成，即 GPU 可能还在进行绘制工作。

  1. 最终调用到 Procuder 的 Bn 端，即 SurfaceFliner 进程里的某个 Binder 线程里。在 Bn 端，会通过调用SurfaceFlinger的SetTransactionState方法，把当前的带有Buffer信息的State保存到一个TransactionQueue队列中。

  1. 当带有Buffer信息的Layer信息保存到队列中， 这个动作称作“上帧”。所以我么可以在 systrace 上看到该Layer待消费的 Buffer 数目+1。

  1. 而 Buffer Queue 的消费者就是 SurfaceFlinger，所以在下一个 Vsync信号到来后，在 SurfaceFlinger 的 handleMessageInvalidate()函数中，调用 acquireBuffer()去取 Buffer，取走之后，BufferQueue 中待消费的 Buffer 便减少一个。

  1. 因为有上帧，所以要重新进行合成，SurfaceFlinger 调用onMessageRefresh()函数去做合成，一般是 HWC 合成，直接把 Buffer 交给 HWC。合成完成后，在 postComposition()里，会调用binder接口进行通讯。

  1. App端的binder收到消息后调用releaseBuffer()释放 Buffer，如 systrace 所示，这里释放的是上一帧的 Buffer。

上面图中7个步骤就是一个buffer详细的转运过程。

  1. DisplayDevice 背后的Buffer Queue

第二类Buffer Queue是GPU合成特有的，一般在游戏APP渲染过程中会遇到，这个Buffer Queue隐藏在DisplayDevice之后，是在SurfaceFlinger为每个接入系统的显示屏创建DisplayDevice实例时创建的。

执行在SurfaceFlinger::processDisplayAdded函数中。

void SurfaceFlinger::processDisplayAdded(const wp<IBinder>& displayToken,
                                         const DisplayDeviceState& state) {
    ......

    sp<compositionengine::DisplaySurface> displaySurface;
    sp<IGraphicBufferProducer> producer;
    sp<IGraphicBufferProducer> bqProducer;
    sp<IGraphicBufferConsumer> bqConsumer;
    getFactory().createBufferQueue(&bqProducer, &bqConsumer, /*consumerIsSurfaceFlinger =*/false);

    ......
}

这个函数是为DisplaySurface创建BufferQueue， createBufferQueue函数是指向BufferQueue::createBufferQueue，传入的第三个参数 consumerIsSurfaceFlinger 为false，表示BufferQueue的消费者不是SurfaceFlinger。

void SurfaceFlinger::processDisplayAdded(const wp<IBinder>& displayToken,
                                         const DisplayDeviceState& state) {
    ......
    if (state.isVirtual()) {
        const auto displayId = VirtualDisplayId::tryCast(compositionDisplay->getId());
        LOG_FATAL_IF(!displayId);
        auto surface = sp<VirtualDisplaySurface>::make(getHwComposer(), *displayId, state.surface,
                                                       bqProducer, bqConsumer, state.displayName);
        displaySurface = surface;
        producer = std::move(surface);
    } else {
        ALOGE_IF(state.surface != nullptr,
                 "adding a supported display, but rendering "
                 "surface is provided (%p), ignoring it",
                 state.surface.get());
        const auto displayId = PhysicalDisplayId::tryCast(compositionDisplay->getId());
        LOG_FATAL_IF(!displayId);
        displaySurface =
                sp<FramebufferSurface>::make(getHwComposer(), *displayId, bqConsumer,
                                             state.physical->activeMode->getSize(),
                                             ui::Size(maxGraphicsWidth, maxGraphicsHeight));
        producer = bqProducer;
    }
    ......
}

除了虚拟盘，主屏或者外屏采用FrameBufferSurface，继承自ConsumerBase，把BufferQueueConsumer封装到FrameBufferSurface里面。

  1. Buffer共享

  1. Buffer分配

  1. Buffer同步：fence

后面三个点的内容还在整理中，等整理完毕，再同步到这章内容中。

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