Android 13 VSYNC重学习

IT先森2024-05-29 23:05

Android 13 VSYNC重学习

引言

学无止境，一个字干就完事！

源码参考基于Android 13 aosp！

一. Android VSync模块开胃菜

在开始正式的分析之前，我们先简单对Android的Vsync模块简单介绍下,如下图所示，其中:

  • HW_VSync是由屏幕产生的脉冲信号，用于控制屏幕的刷新
  • VSync-app和VSync-sf统称为软件VSync，它们是由SurfaceFlinger通过模拟硬件VSync而产生的VSync信号量，再分发给app和sf用来控制它们的合成节奏

二. Android VSync小结

这里有几点需要补充:

  • VSync-sf是没有对应的EventThread和DispSyncSource

  • VSync-app和VSync-appSf各自都有对应的EventThread和DispSyncSource

  • VSync-sf和VSync-app以及Sync-appSf通过Scheduler的成员mVsyncSchedule指向的VSyncDispatchTimerQueue实例对象关联

Android下VSync设计，牵涉的核心关系图如下:

2.1 VSync信号的分类

VSync信号分为两种：硬件VSync信号HW-VSync和软件VSync信号SW-VSync。SW-VSync信号由SW-VSync模型产生。HW-VSync信号负责对SW-VSync模型进行校准。

2.2 HW-Vsync信号的开启

三种场景下会开启硬件VSync信号HW-VSync会对软件VSync信号SW-VSync进行校准

  • SurfaceFlinger初始化。

  • 连续两次请求VSync-app信号的时间间隔超过750ms。

  • SurfaceFlinger合成后，添加FenceTime到VSyncTracker中导致模型计算误差过大。

2.3 SW-VSync模型与计算

谷歌官方采用一元线性回归分析预测法(最小二乘法)，通过采样的HW-VSync信号样本(屏幕刷新率)，计算对应的SW-VSync信号周期。最终得到一条y=bx+a的拟合曲线。其中，b称为回归系数，a称为截距。SW-VSync模型就是这这条曲线的回归系数和截距。

2.4 SW-VSync信号的分类

SW-VSync信号也分为两种，VSync-sf信号和Vsync-app信号。这两个信号，各司其职:

  • VSync-sf信号用于控制SurfaceFlinger的Layer合成
    • VSync-app信号用于控制App渲染UI

VSync-sf信号和VSync-app信号是在SW-VSync信号的基础上通过叠加不同的偏移量产生，这些偏移量被称为VSync相位偏移。由于偏移量不同VSync-sf信号和VSync-app信号的回调时机也不同。

三. VSync-sf的申请和分发

VSync-sf用于控制SurfaceFlinger合成和渲染一帧图像。当SurfaceFlinger上帧时(BufferQueue中有新的GraphicBuffer)，SurfaceFlinger会触发MessageQueue的scheduleFrame方法。接下来我们看下，VSync-sf是如何完成从申请到分发的流程。

3.1 VSync-sf的申请

c 复制代码 
SurfaceFlinger::scheduleCommit(...)//请求上帧
    mScheduler->scheduleFrame()//MessageQueue.cpp
        mVsync.registration->schedule()//这里的registration实现是VSyncCallbackRegistration，定义在Scheduler/VSyncDispatchTimerQueue.cpp
            mDispatch.get().schedule()//这里的mDispatch指向VSyncDispatchTimerQueue对象


/**
 * @brief 
 * 
 * @param token 
 * @param scheduleTiming 
 * @return ScheduleResult 
 * 1）根据CallbackToken找到所有满足要求的VSyncDispatchTimerQueueEntry。VSyncDispatchTimerQueueEntry是VSyncDispatchTimerQueue中对外部VSync信号请求的封装。
 * 2）遍历调用VSyncDispatchTimerQueue的schedule方法，计算下一次VSync信号的发送时间。
 * 3）对发射时间进行定时，等待下一次VSync信号的发送
 */
ScheduleResult VSyncDispatchTimerQueue::schedule(CallbackToken token,
                                                 ScheduleTiming scheduleTiming) {
              ...
              //根据CallbackToken找到所有满足要求的VSyncDispatchTimerQueueEntry。VSyncDispatchTimerQueueEntry是VSyncDispatchTimerQueue中对外部VSync信号请求的封装。
              auto it = mCallbacks.find(token);
              auto& callback = it->second;
              
              //遍历调用VSyncDispatchTimerQueue的schedule方法，计算下一次VSync信号的发送时间
              result = callback->schedule(scheduleTiming, mTracker, now);
              
              //对发射时间进行定时，等待下一次VSync-sf信号的发送
              rearmTimerSkippingUpdateFor(now, it);
                VSyncDispatchTimerQueue::setTimer()

void VSyncDispatchTimerQueue::setTimer(nsecs_t targetTime, nsecs_t /*now*/) {
    mIntendedWakeupTime = targetTime;
    mTimeKeeper->alarmAt(std::bind(&VSyncDispatchTimerQueue::timerCallback, this),
                         mIntendedWakeupTime);
    mLastTimerSchedule = mTimeKeeper->now();
}     



/**
 * @brief 
 * 1）遍历CallbackMap找到达到唤醒时间的VSyncDispatchTimerQueueEntry，并封装成Invocation，加入Invocation列表。
 * 2）遍历Invocation列表，通过Invocation获取VSyncDispatchTimerQueueEntry，并调用VSyncDispatchTimerQueueEntry的callback方法分发VSync信号。
 */
 //Scheduler/VSyncDispatchTimerQueue.cpp
void VSyncDispatchTimerQueue::timerCallback() {
    struct Invocation {
        std::shared_ptr<VSyncDispatchTimerQueueEntry> callback;
        nsecs_t vsyncTimestamp;
        nsecs_t wakeupTimestamp;
        nsecs_t deadlineTimestamp;
    };
    std::vector<Invocation> invocations;
    {
        std::lock_guard lock(mMutex);
        auto const now = mTimeKeeper->now();
        mLastTimerCallback = now;
        for (auto it = mCallbacks.begin(); it != mCallbacks.end(); it++) {
            auto& callback = it->second;
            auto const wakeupTime = callback->wakeupTime();
            if (!wakeupTime) {
                continue;
            }

            auto const readyTime = callback->readyTime();

            auto const lagAllowance = std::max(now - mIntendedWakeupTime, static_cast<nsecs_t>(0));
            if (*wakeupTime < mIntendedWakeupTime + mTimerSlack + lagAllowance) {
                callback->executing();
                invocations.emplace_back(Invocation{callback, *callback->lastExecutedVsyncTarget(),
                                                    *wakeupTime, *readyTime});
            }
        }

        mIntendedWakeupTime = kInvalidTime;
        rearmTimer(mTimeKeeper->now());
    }

    for (auto const& invocation : invocations) {
        invocation.callback->callback(invocation.vsyncTimestamp, invocation.wakeupTimestamp,
                                      invocation.deadlineTimestamp);
    }
}

}

3.2 VSync-sf的分发

那么VSync-df的callback是怎么注册到VSyncDispatchTimerQueue的呢，这个我们看下:

c 复制代码 
SurfaceFlinger::initScheduler(...)
    mScheduler->initVsync(...)//实现在Scheduler/MessageQueue.cpp中
        mVsync.registration = std::make_unique<
            scheduler::VSyncCallbackRegistration>(dispatch,
                                                  std::bind(&MessageQueue::vsyncCallback, this,
                                                            std::placeholders::_1,
                                                            std::placeholders::_2,
                                                            std::placeholders::_3),
                                                  "sf");//这里的dispatch指向VSyncDispatchTimerQueue
 
 //Scheduler/VSyncDispatchTimerQueue.cpp
 VSyncCallbackRegistration::VSyncCallbackRegistration(VSyncDispatch& dispatch,
                                                     VSyncDispatch::Callback callback,
                                                     std::string callbackName)
      : mDispatch(dispatch),
        mToken(dispatch.registerCallback(std::move(callback), std::move(callbackName))),
        mValidToken(true) {}       
        

VSyncDispatchTimerQueue::CallbackToken VSyncDispatchTimerQueue::registerCallback(
        Callback callback, std::string callbackName) {
    std::lock_guard lock(mMutex);
    return CallbackToken{//最终注册到了mCallbacks中
            mCallbacks
                    .emplace(++mCallbackToken,
                             std::make_shared<VSyncDispatchTimerQueueEntry>(std::move(callbackName),
                                                                            std::move(callback),
                                                                            mMinVsyncDistance))
                    .first->first};
}

所以最后VSync-sf的分发会调用到MessageQueue::vsyncCallback中，我们看下它的实现:

c 复制代码 
//Scheduler/MessageQueue.cpp
MessageQueue::vsyncCallback(...)
    mHandler->dispatchFrame(vsyncId, vsyncTime)
        mQueue.mLooper->sendMessage(this, Message())
        
        
//Handle的handleMessage接收前面发过来的消息
void MessageQueue::Handler::handleMessage(const Message&) {
    mFramePending.store(false);

    const nsecs_t frameTime = systemTime();
    auto& compositor = mQueue.mCompositor;//这里的compositor实现类是SurfaceFlinger

    if (!compositor.commit(frameTime, mVsyncId, mExpectedVsyncTime)) {
        return;
    }

    compositor.composite(frameTime, mVsyncId);
    compositor.sample();
}

四. VSync-app的申请和分发

在开始后续的章节编写前，我们先重点申明下:

VSync-app用于控制App的UI渲染

VSync-app用于控制App的UI渲染

VSync-app用于控制App的UI渲染

4.1 VSync-app的申请

当Choreographer通过FrameDisplayEventReceiver调用scheduleVsync方法时，会触发VSync-app信号的申请。在FrameDisplayEventReceiver的scheduleVsync方法中，会调用nativeScheduleVsync方法。

FrameDisplayEventReceiver的nativeScheduleVsync方法对应的native实现为android_view_DisplayEventReceiver的nativeScheduleVsync函数。

在nativeScheduleVsync函数中，主要做了两件事：

  • 获取native层的DisplayEventDispatcher。

  • 调用DisplayEventDispatcher的scheduleVsync方法，请求VSync信号。

在DisplayEventDispatcher的scheduleVsync方法中，会调用DisplayEventReceiver的requestNextVsync方法。

在DisplayEventReceiver的requestNextVsync方法中，会调用IDisplayEventConnection的requestNextVsync方法。

IDisplayEventConnection是一个Binder类，对应bn端的实现类为BnDisplayEventConnection。而EventThreadConnection继承自BnDisplayEventConnection，因此实际调用的是EventThreadConnection的requestNextVsync方法。

在EventThreadConnection的requestNextVsync方法中，会调用EventThread的requestNextVsync方法。

在EventThread的requestNextVsync方法中，主要做了三件事：

  • 开启硬件VSync信号对软件VSync信号进行校准。

  • 标记EventThreadConnection的vsyncRequest，为后续信号分发做准备。

  • 唤起EventThread对应的线程继续执行VSync信号的分发。

c 复制代码 
//Scheduler/EventThread.cpp
void EventThread::requestNextVsync(const sp<EventThreadConnection>& connection) {
    if (connection->resyncCallback) {
        /**
         * @brief 
         * 调用到Scheduler::resync
         * 开启硬件Vsync信号对软件Vsync信号进行校准
         */
        connection->resyncCallback();
    }

    std::lock_guard<std::mutex> lock(mMutex);

    if (connection->vsyncRequest == VSyncRequest::None) {
        connection->vsyncRequest = VSyncRequest::Single;
        mCondition.notify_all();//唤起EventThread中的线程
    } else if (connection->vsyncRequest == VSyncRequest::SingleSuppressCallback) {
        connection->vsyncRequest = VSyncRequest::Single;
    }
}

在EventThread的threadMain中，会通过VSyncCallbackRegistration请求或取消VSync信号。

如果是请求VSync信号，会调用VSyncCallbackRegistration的schedule方法。在VSyncCallbackRegistration的schedule方法，会调用VSyncDispatch的schedule方法。

c 复制代码 
void EventThread::threadMain(std::unique_lock<std::mutex>& lock) {

        if (mState != nextState) {
            if (mState == State::VSync) {
                mVSyncSource->setVSyncEnabled(false);
            } else if (nextState == State::VSync) {
                mVSyncSource->setVSyncEnabled(true);
            }

            mState = nextState;
        }
    
}

之后的流程与VSync-sf信号的申请流程相同。在VSyncDispatchTimerQueue的schedule方法中，会调用scheduleLocked方法。

在VSyncDispatchTimerQueue的scheduleLocked方法中，主要做了三件事：

  • 根据CallbackToken找到所有满足要求的VSyncDispatchTimerQueueEntry。VSyncDispatchTimerQueueEntry是VSyncDispatchTimerQueue中对外部VSync信号请求的封装。

  • 遍历调用VSyncDispatchTimerQueue的schedule方法，计算下一次VSync信号的发送时间。

  • 对发射时间进行定时，等待下一次VSync信号的发送。

4.2 VSync-app的分发

当定时时间到达时，TimerKeeper会回调VSyncDispatchTimerQueue的timerCallback方法。

在VSyncDispatchTimerQueue的timerCallback方法方法中，主要做了两件事：

  • 遍历CallbackMap找到达到唤醒时间的VSyncDispatchTimerQueueEntry，并封装成Invocation，加入Invocation列表。

  • 遍历Invocation列表，通过Invocation获取VSyncDispatchTimerQueueEntry，并调用VSyncDispatchTimerQueueEntry的callback方法分发VSync信号。

在VSyncDispatchTimerQueueEntry的callback方法中，会调用类型为CallbackRepeater::callbackk，然后在该方法中接着调用mCallback(vsyncTime, wakeupTime, readyTime)方法，而这里的mCallback(指向DispSyncSource::onVsyncCallback，最后回调EventThread的onVSyncEvent方法。

对于上述的分发流程是不是还有点懵逼，我们反过来看看VSync-app分发的注册，其核心是DispSyncSource和EventThread以及VSyncDispatchTimerQueue的各种回调callback流程:

c 复制代码 
//Scheduler/VSyncDispatchTimerQueue.cpp
VSyncDispatchTimerQueue::CallbackToken VSyncDispatchTimerQueue::registerCallback(
        Callback callback, std::string callbackName) {
    std::lock_guard lock(mMutex);
    return CallbackToken{
            mCallbacks
                    .emplace(++mCallbackToken,
                             std::make_shared<VSyncDispatchTimerQueueEntry>(std::move(callbackName),
                                                                            std::move(callback),
                                                                            mMinVsyncDistance))
                    .first->first};
}

//Scheduler/VSyncDispatchTimerQueue.cpp
VSyncCallbackRegistration::VSyncCallbackRegistration(VSyncDispatch& dispatch,
                                                     VSyncDispatch::Callback callback,
                                                     std::string callbackName)
      : mDispatch(dispatch),
        mToken(dispatch.registerCallback(std::move(callback), std::move(callbackName))),
        mValidToken(true) {}


//Scheduler/DispSyncSource.cpp
class CallbackRepeater {
public:
    CallbackRepeater(VSyncDispatch& dispatch, VSyncDispatch::Callback cb, const char* name,
                     std::chrono::nanoseconds workDuration, std::chrono::nanoseconds readyDuration,
                     std::chrono::nanoseconds notBefore)
          : mName(name),
            mCallback(cb),
            //VSyncCallbackRegistration mRegistration GUARDED_BY(mMutex);
            mRegistration(dispatch,
                          std::bind(&CallbackRepeater::callback, this, std::placeholders::_1,
                                    std::placeholders::_2, std::placeholders::_3),
                          mName),
            mStarted(false),
            mWorkDuration(workDuration),
            mReadyDuration(readyDuration),
            mLastCallTime(notBefore) {}

    ~CallbackRepeater() {
        std::lock_guard lock(mMutex);
        mRegistration.cancel();
    }

    void start(std::chrono::nanoseconds workDuration, std::chrono::nanoseconds readyDuration) {
        std::lock_guard lock(mMutex);
        mStarted = true;
        mWorkDuration = workDuration;
        mReadyDuration = readyDuration;

        auto const scheduleResult = 
                mRegistration.schedule({.workDuration = mWorkDuration.count(),
                                        .readyDuration = mReadyDuration.count(),
                                        .earliestVsync = mLastCallTime.count()});
        LOG_ALWAYS_FATAL_IF((!scheduleResult.has_value()), "Error scheduling callback");
    }

    void stop() {
        std::lock_guard lock(mMutex);
        LOG_ALWAYS_FATAL_IF(!mStarted, "DispSyncInterface misuse: callback already stopped");
        mStarted = false;
        mRegistration.cancel();
    }

    void dump(std::string& result) const {
        std::lock_guard lock(mMutex);
        const auto relativeLastCallTime =
                mLastCallTime - std::chrono::steady_clock::now().time_since_epoch();
        StringAppendF(&result, "\t%s: ", mName.c_str());
        StringAppendF(&result, "mWorkDuration=%.2f mReadyDuration=%.2f last vsync time ",
                      mWorkDuration.count() / 1e6f, mReadyDuration.count() / 1e6f);
        StringAppendF(&result, "%.2fms relative to now (%s)\n", relativeLastCallTime.count() / 1e6f,
                      mStarted ? "running" : "stopped");
    }

private:
    void callback(nsecs_t vsyncTime, nsecs_t wakeupTime, nsecs_t readyTime) {
        {
            std::lock_guard lock(mMutex);
            mLastCallTime = std::chrono::nanoseconds(vsyncTime);
        }

        mCallback(vsyncTime, wakeupTime, readyTime);

        {
            std::lock_guard lock(mMutex);
            if (!mStarted) {
                return;
            }
            auto const scheduleResult =
                    mRegistration.schedule({.workDuration = mWorkDuration.count(),
                                            .readyDuration = mReadyDuration.count(),
                                            .earliestVsync = vsyncTime});
            LOG_ALWAYS_FATAL_IF(!scheduleResult.has_value(), "Error rescheduling callback");
        }
    }

    const std::string mName;
    scheduler::VSyncDispatch::Callback mCallback;

    mutable std::mutex mMutex;
    VSyncCallbackRegistration mRegistration GUARDED_BY(mMutex);
    bool mStarted GUARDED_BY(mMutex) = false;
    std::chrono::nanoseconds mWorkDuration GUARDED_BY(mMutex) = 0ns;
    std::chrono::nanoseconds mReadyDuration GUARDED_BY(mMutex) = 0ns;
    std::chrono::nanoseconds mLastCallTime GUARDED_BY(mMutex) = 0ns;
};



mAppConnectionHandle =
            mScheduler->createConnection("app" .....)
            Scheduler::createConnection()
                auto vsyncSource = makePrimaryDispSyncSource(connectionName, workDuration, readyDuration)
                    return std::make_unique<scheduler::DispSyncSource>(mVsyncSchedule->getDispatch(),
                                                       mVsyncSchedule->getTracker(), workDuration,
                                                       readyDuration, traceVsync, name);
                        //std::unique_ptr<CallbackRepeater> mCallbackRepeater;
                        mCallbackRepeater =
                                std::make_unique<CallbackRepeater>(vSyncDispatch,
                                                                   std::bind(&DispSyncSource::onVsyncCallback, this,
                                                                             std::placeholders::_1,
                                                                             std::placeholders::_2,
                                                                             std::placeholders::_3),
                                                                   name, workDuration, readyDuration,
                                                                   std::chrono::steady_clock::now().time_since_epoch());      
                mVSyncSource->setCallback(this);//为DispVsyncSource设置回调
                     void DispSyncSource::setCallback(VSyncSource::Callback* callback) {
                        std::lock_guard lock(mCallbackMutex);
                        mCallback = callback;
                    }               
                    
 //最终整理出来的Vsync-app分发流程为,各种弯弯绕绕:
 VSyncDispatchTimerQueue::timerCallback()//Scheduler/VSyncDispatchTimerQueue.cpp
               invocation.callback->callback(...)//这里的callback指向VSyncDispatchTimerQueueEntry::callback，Scheduler/VSyncDispatchTimerQueue.cpp
                    mCallback(vsyncTimestamp, wakeupTimestamp, deadlineTimestamp)//这里的 mCallback指向CallbackRepeater::callback，实现在Scheduler/DispSyncSource.cpp 
                        mCallback(vsyncTime, wakeupTime, readyTime)//这里的callback指向DispSyncSource::onVsyncCallback。是现在Scheduler/DispSyncSource.cpp
                            callback = mCallback;
                            callback->onVSyncEvent(targetWakeupTime, {vsyncTime, readyTime})//这里的callback指向EventThread::onVSyncEvent

在EventThread的onVSyncEvent方法中，主要做了三件事：

  • 调用makeVSync函数，创建Event。

  • 将Event加入到vector<DisplayEventReceiver::Event> 中。

  • 唤醒等待线程，执行threadMain方法。

c 复制代码 
void EventThread::onVSyncEvent(nsecs_t timestamp, VSyncSource::VSyncData vsyncData) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mMutex);

    LOG_FATAL_IF(!mVSyncState);
    //包装为DisplayEventReceiver::Event对象，存入mPendingEvents尾部
    mPendingEvents.push_back(makeVSync(mVSyncState->displayId, timestamp, ++mVSyncState->count,
                                       vsyncData.expectedPresentationTime,
                                       vsyncData.deadlineTimestamp));
    //唤醒线程
    mCondition.notify_all();
}

我们接下来看EventThread是如何处理分发事件的:

c 复制代码 
//Scheduler/EventThread.cpp
void EventThread::threadMain(std::unique_lock<std::mutex>& lock) {
    DisplayEventConsumers consumers;

    while (mState != State::Quit) {
        std::optional<DisplayEventReceiver::Event> event;
        // Determine next event to dispatch.
        if (!mPendingEvents.empty()) {
            event = mPendingEvents.front();
            mPendingEvents.pop_front();        
            ...
        }
        
        // Find connections that should consume this event.
        auto it = mDisplayEventConnections.begin();
        while (it != mDisplayEventConnections.end()) {
            if (const auto connection = it->promote()) {
                vsyncRequested |= connection->vsyncRequest != VSyncRequest::None;
                //用来在任务的循环执行中保存当前Vsync信号的消费者
                if (event && shouldConsumeEvent(*event, connection)) {
                    consumers.push_back(connection);//这里的consumers就是待分发的目标
                }

                ++it;
            } else {
                it = mDisplayEventConnections.erase(it);
            }
        }        

        /**
         * @brief 
         * 在该方法中，会循环分发信号，主要做了五件事情
         * 1) 从Vsync信息队列中获取消息
         * 2）收集监听Vsync信号的EventThreadConnection，并加入到consumers中
         * 3) 调用dispatchEvent方法来分发Vsync信号
         * 4）计算当前状态，根据状态请求或取消下一次VSync信号
         * 5）如果没有Vsync信号需要分发，线程进入等待状态
         */
        if (!consumers.empty()) {
            dispatchEvent(*event, consumers);
                consumer->postEvent(copy)
                    DisplayEventReceiver::sendEvents(...)
            consumers.clear();
        }

最终VSync-app分发的事件会被Choreographer模块接收，开始安排应用相关的渲染UI逻辑！

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