Android基础系列-----------GUI系统之Android的UI显示概述

转自http://blog.csdn.net/luoshengyang

一、双缓冲(Double Buffer)

双缓冲甚至是多缓冲，在许多情况下都很有用。一般需要使用双缓冲区的地方都是由于“生产者”和“消费者”供需不一致所造成的。这样的情况在很多地方可能会发生，使用多缓冲可以很好的解决。举几个常见的例子：

例 1. 在网络传输过程中数据的接收，有时可能数据来的太快来不及接收导致数据丢失。这是由于“发送者”和“接收者”速度不一致所致，在他们之间安排一个或多个缓冲区来存放来不及接收的数据，让速度较慢的“接收者”可以慢慢地取完数据不至于丢失。

例2. 再如，计算机中的三级缓存结构：外存（硬盘）、内存、高速缓存（介于CPU和内存之间，可能由多级）。从左到右他们的存储容量不断减小，但速度不断提升，当然价格也是越来越贵。作为“生产者”的 CPU 处理速度很快，而内存存取速度相对CPU较慢，如果直接在内存中存取数据，他们的速度不一致会导致 CPU 能力下降。因此在他们之间又增加的高速缓存来作为缓冲区平衡二者速度上的差异。

例3. 在图形图像显示过程中，计算机从显示缓冲区取数据然后显示，很多图形的操作都很复杂需要大量的计算，很难访问一次显示缓冲区就能写入待显示的完整图形数据，通常需要多次访问显示缓冲区，每次访问时写入最新计算的图形数据。而这样造成的后果是一个需要复杂计算的图形，你看到的效果可能是一部分一部分地显示出来的，造成很大的闪烁不连贯。而使用双缓冲，可以使你先将计算的中间结果存放在另一个缓冲区中，等全部的计算结束，该缓冲区已经存储了完整的图形之后，再将该缓冲区的图形数据一次性复制到显示缓冲区。

例1 中使用双缓冲是为了防止数据丢失，例2 中使用双缓冲是为了提高 CPU 的处理效率，而例3使用双缓冲是为了防止显示图形时的闪烁延迟等不良体验。

这里，主要以双缓冲在图形图像显示中的应用做说明。



注意，显示缓冲区是和显示器一起的，显示器只负责从显示缓冲区取数据显示。我们通常所说的在显示器上画一条直线，其实就是往该显示缓冲区中写入数据。显示器通过不断的刷新（从显示缓冲区取数据），从而使显示缓冲区中数据的改变及时的反映到显示器上。这也是显示复杂图形时造成延迟的原因，比如现在要显示从屏幕中心向外发射的一簇射线，开始编写代码用一个循环从0度开始到360度，每隔一定角度画一条从圆心开始向外的直线。每次画线其实是往显示缓冲区写入数据，如果还没有画完，显示器就从显示缓冲区取数据显示图形，此时看到的是一个不完整的图形，然后继续画线，等到显示器再次取显示缓冲区数据显示时，图形比上次完整了一些，依次下去直到显示完整的图形。你看到图形不是一次性完整地显示出来，而是每次显示一部分，从而造成闪烁。

二、Android的UI系统显示过程

Android设备的显示屏被抽象为一个帧缓冲区（Frame Buffer），而Android系统中的SurfaceFlinger服务就是通过向这个帧缓冲区写入内容来绘制应用程序的用户界面的。Android系统在硬件抽象层中提供了一个Gralloc模块，封装了对帧缓冲区的所有访问操作。

Linux内核在启动的过程中会创建一个类别和名称分别为“graphics”和“fb0”的设备，用来描述系统中的第一个帧缓冲区，即第一个显示屏，其中，数字0表示从设备号。注意，系统中至少要存在一个显示屏，因此，名称为“fb0”的设备是肯定会存在的，否则的话，就是出错了。Android系统和Linux内核本身的设计都是支持多个显示屏的，不过，在Android目前的实现中，只支持一个显示屏。

init进程在启动的过程中，会启动另外一个进程ueventd来管理系统的设备文件。当ueventd进程启动起来之后，会通过netlink接口来和Linux内核通信，以便可以获得内核中的硬件设备变化通知。而当ueventd进程发现内核中创建了一个类型和名称分别为“graphics”和“fb0”的设备的时候，就会这个设备创建一个/dev/graphics/fb0设备文件。这样，用户空间的应用程序就可以通过设备文件/dev/graphics/fb0来访问内核中的帧缓冲区，即在设备的显示屏中绘制指定的画面。注意，用户空间的应用程序一般是通过内存映射的方式来访问设备文件/dev/graphics/fb0的。

用户空间的应用程序在使用帧缓冲区之间，首先要加载Gralloc模块，并且获得一个gralloc设备和一个fb设备。有了gralloc设备之后，用户空间中的应用程序就可以申请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来，以便可以向里面写入要绘制的画面的内容。最后，用户空间中的应用程序就通过fb设备来将前面已经准备好了的图形缓冲区渲染到帧缓冲区中去，即将图形缓冲区的内容绘制到显示屏中去。相应地，当用户空间中的应用程序不再需要使用一块图形缓冲区的时候，就可以通过gralloc设备来释放它，并且将它从地址空间中解除映射。也即为了在屏幕中绘制一个指定的画面，需要：

1. 分配一个匹配屏幕大小的图形缓冲区

2. 将分配好的图形缓冲区注册（映射）到当前进程的地址空间来

3. 将要绘制的画面的内容写入到已经注册好的图形缓冲区中去，并且渲染（拷贝）到系统帧缓冲区中去

为了实现以上三个操作，还需要：

1. 加载Gralloc模块

2. 打开Gralloc模块中的gralloc设备和fb设备

其中，gralloc设备负责分配图形缓冲区，Gralloc模块负责注册图形缓冲区，而fb设备负责渲染图形缓冲区。

三、Android应用程序与SurfaceFlinger服务的关系概述

SurfaceFlinger按英文翻译过来就Surface投递者。就是把上层所画的各个surface 进行处理然后传给底层硬件来显示的一个功能。
SurfaceFlinger服务运行在Android系统的System进程中，它负责管理Android系统的帧缓冲区（Frame Buffer）。Android应用程序为了能够将自己的UI绘制在系统的帧缓冲区上，它们就必须要与SurfaceFlinger服务进行通信，如图所示：



注意，Android应用程序与SurfaceFlinger服务是运行在不同的进程中的，因此，它们采用Binder进程间通信机制来进行通信。 在上图中，每一个Android应用程序与SurfaceFlinger服务都有一个连接，这个连接都是通过一个类型为Client的Binder对象来描述的。这些Client对象是Android应用程序连接到SurfaceFlinger服务的时候由SurfaceFlinger服务创建的，而当Android应用程序成功连接到SurfaceFlinger服务之后，就可以获得一个对应的Client对象的Binder代理接口了。有了这些Binder代理接口之后，Android应用程序就可以通知SurfaceFlinger服务来绘制自己的UI了。

Android应用程序在通知SurfaceFlinger服务来绘制自己的UI的时候，需要将UI元数据传递给SurfaceFlinger服务，例如，要绘制UI的区域、位置等信息。一个Android应用程序可能会有很多个窗口，而每一个窗口都有自己的UI元数据，因此，Android应用程序需要传递给SurfaceFlinger服务的UI元数据是相当可观的。在这种情况下，通过Binder进程间通信机制来在Android应用程序与SurfaceFlinger服务之间传递UI元数据是不合适的，这时候Android系统的匿名共享内存机制（Anonymous
Shared Memory）就派上用场了。

在每一个Android应用程序与SurfaceFlinger服务之间的连接上加上一块用来传递UI元数据的匿名共享内存，如下所示：



用来描述Android应用程序的UI元数据的SharedClient



在每一个SharedClient里面，有至多31个SharedBufferStack。字面上来看，SharedBufferStack就是共享缓冲区堆栈。怎么理解呢？首先，Shared表明这个堆栈共享的。那么由谁来共享呢？当然就是Android应用程序和SurfaceFlinger服务了。其次，Buffer表明这个堆栈的内容是缓冲区。什么样的缓冲区呢？当然就是用来描述UI元数据的缓冲区了。再者，Stack表明用来描述UI元数据的缓冲区是需要按照一定的规则来访问的。综合起来，我们就可以认为每一个SharedBufferStack就是用来描述一系列需要按照一定规则来访问的缓冲区。

好像还是不能理解SharedBufferStack？好吧，回忆一下，一般我们就绘制UI的时候，都会采用一种称为“双缓冲”的技术。双缓冲意味着要使用两个缓冲区，其中一个称为Front Buffer，另外一个称为Back Buffer。UI总是先在Back Buffer中绘制，然后再和Front Buffer交换，渲染到显示设备中。这下就可以理解SharedBufferStack的含义了吧？SurfaceFlinger服务只不过是将传统的“双缓冲”技术升华和抽象为了一个SharedBufferStack。可别小看了这个升华和抽象，有了SharedBufferStack之后，SurfaceFlinger服务就可以使用N个缓冲区技术来绘制UI了。N值的取值范围为2到16。例如，在Android
2.3中，N的值等于2，而在Android 4.1中，据说就等于3了。

我们还可以再进一步地理解SharedBufferStack。在SurfaceFlinger服务中，每一个SharedBufferStack都对应一个Surface，即一个窗口。这样，我们就可以知道为什么每一个SharedClient里面包含的是一系列SharedBufferStack而不是单个SharedBufferStack：一个SharedClient对应一个Android应用程序，而一个Android应用程序可能包含有多个窗口，即Surface。从这里也可以看出，一个Android应用程序至多可以包含31个Surface。

SharedBufferStack的结构示意图



为了方便描述，我们假设图中的SharedBufferStack有5个Buffer，其中，Buffer-1和Buffer-2是已经使用了的，而Buffer-3、Buffer-4和Buffer-5是空闲的。指针head和tail分别指向空闲缓冲区列表的头部和尾部，而指针queue_head指向已经使用了的缓冲区列表的头部。从这里就可以看出，从指针tail到head之间的Buffer即为空闲缓冲区表，而从指针head到queue_head之间的Buffer即为已经使用了的缓冲区列表。注意，图中的5个Buffer是循环使用的。

空闲缓冲区比较好理解，接下来我们重点解释一下那些已经被使用了的缓冲区，图中的Buffer-1和Buffer-2。前面我们说过，SharedBufferStack中的缓冲区只是用来描述UI元数据的，这意味着它们不包含真正的UI数据。真正的UI数据保存在GraphicBuffer中，后面再描述GaphicBuffer。因此，为了完整地描述一个UI，SharedBufferStack中的每一个已经使用了的缓冲区都对应有一个GraphicBuffer，用来描述真正的UI数据。当SurfaceFlinger服务绘制Buffer-1和Buffer-2的时候，就会找到与它们所对应的GraphicBuffer，这样就可以将对应的UI绘制出来了。

当Android应用程序需要更新一个Surface的时候，它就会找到与它所对应的SharedBufferStack，并且从它的空闲缓冲区列表的尾部取出一个空闲的Buffer。假设这个取出来的空闲Buffer的编号为index。接下来Android应用程序就请求SurfaceFlinger服务为这个编号为index的Buffer分配一个图形缓冲区GraphicBuffer。SurfaceFlinger服务分配好图形缓冲区GraphicBuffer之后，会将它的编号设置为index，然后再将这个图形缓冲区GraphicBuffer返回给Android应用程序访问。Android应用程序得到了SurfaceFlinger服务返回的图形缓冲区GraphicBuffer之后，就在里面写入UI数据。写完之后，就将与它所对应的缓冲区，即编号为index的Buffer，插入到对应的SharedBufferStack的已经使用了的缓冲区列表的头部去。这一步完成了之后，Android应用程序就通知SurfaceFlinger服务去绘制那些保存在已经使用了的缓冲区所描述的图形缓冲区GraphicBuffer了。用图中的例子来说，SurfaceFlinger服务需要绘制的是编号为1和2的Buffer所对应的图形缓冲区GraphicBuffer。由于SurfaceFlinger服务知道编号为1和2的Buffer所对应的图形缓冲区GraphicBuffer在哪里，因此，Android应用程序只需要告诉SurfaceFlinger服务要绘制的Buffer的编号就OK了。当一个已经被使用了的Buffer被绘制了之后，它就重新变成一个空闲的Buffer了。

SharedBufferStack是在Android应用程序和SurfaceFlinger服务之间共享的，但是，Android应用程序和SurfaceFlinger服务使用SharedBufferStack的方式是不一样的，具体来说，就是Android应用程序关心的是它里面的空闲缓冲区列表，而SurfaceFlinger服务关心的是它里面的已经使用了的缓冲区列表。从SurfaceFlinger服务的角度来看，保存在SharedBufferStack中的已经使用了的缓冲区其实就是在排队等待渲染。

为了方便SharedBufferStack在Android应用程序和SurfaceFlinger服务中的访问，Android系统分别使用SharedBufferClient和SharedBufferServer来描述SharedBufferStack，其中，SharedBufferClient用来在Android应用程序这一侧访问SharedBufferStack的空闲缓冲区列表，而SharedBufferServer用来在SurfaceFlinger服务这一侧访问SharedBufferStack的排队缓冲区列表。

在SharedBufferClient看来， 只要SharedBufferStack中的available的buffer的数量大于0，SharedBufferClient就会将指针tail往前移一步，并且减少available的值，以便可以获得一个空闲的Buffer。当Android应用程序往这个空闲的Buffer写入好数据之后，它就会通过SharedBufferClient来将它添加到SharedBufferStack中的排队缓冲区列表的尾部去，即指针queue_head的下一个位置上。

在SharedBufferServer看来，当Android应用程序通知SurfaceFlinger服务更新UI的时候，只要对应的SharedBufferStack中的queued的缓冲区的数量大于0，SharedBufferServer就会将指针head的下一个Buffer绘制出来，并且将指针head向前移一步，以及将queued的值减1。

上面我们多次提到了图形缓冲区GraphicBuffer，它是什么东东呢？看下图：



图形缓冲区Graphic的结构示意图

每一个GraphicBuffer内部都包含有一块用来保存UI数据的缓冲区，这块缓冲区使用一个buffer_handle_t对象来描述。由HAL层的Gralloc模块分配的图形缓冲区的是使用一个buffer_handle_t对象来描述的，而由buffer_handle_t对象所描述的图形缓冲区要么是在系统帧缓冲区（Frame Buffer）或者匿名共享内存（Anonymous Shared Memory）中分配的。这样，我们就可以将SurfaceFlinger服务与HAL层中的Gralloc模块关联起来了。



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。

Android图形系统中一个重要的概念和线索是surface。View及其子类（如TextView, Button）要画在surface上。每个surface创建一个Canvas对象 （但属性时常改变），用来管理view在surface上的绘图操作，如画点画线。每个canvas对象对应一个bitmap，存储画在surface上的内容。每个Surface通常对应两个buffer，一个front
buffer, 一个back buffer其中，back buffer就是canvas绘图时对应的bitmap。因此，绘画总是在back buffer上，需要更新时，则将back buffer和front buffer互换。每个surface又对应一个layer, SurfaceFlinger负责将各个layer的front buffer合成（composite）绘制到屏幕上。