Android显示系统（01）- 架构分析

一、前言：

Android是基于Linux的，而显示设备的驱动也都是和Linux普通设备一样去管理，也就是说归根结底还是要按照Linux的方式组织数据送给LCD，因此，我们理解Android设计的这一套复杂的显示系统时候，一定要提醒自己目的地在哪儿！

二、显示系统逻辑：

这儿先画个很简单的逻辑图，帮助大家理解:

• APP不断生产数据到内存的FrameBuffer中，CPU控制FrameBuffer中的数据定期送给LCD即可；
• LCD上的一个像素在FrameBuffer中用两个字节描述，比如LCD要显示1920*1080大小图片，那么FrameBuffer分配的大小就应该是1920*1080*2字节；

大家不妨思考两分钟，这个系统最大的问题在哪儿？

...Two minutes later...

最大问题就是只有一个FrameBuffer，朋友请你想一想，APP和LCD同时在访问同一个FrameBuffer，这不就相当于你当着用户的面明目张胆地画图吗？用户火气大一点，你设备都得被摔稀碎。这样就会导致：

• 如果你APP写得快，LCD读的慢，这样就有可能会跳帧，比如：原来的画面是123，APP写完1之后LCD显示了，当APP写完2的时候LCD还没来读，APP写完3的时候LCD又来读了，因此，LCD显示出来的是13；
• 如果APP写得太慢，LCD读的太快，同理，就是卡帧，因此你太慢了；
• 如果APP写得刚好等于LCD读的速度，那么不会有问题，可实际场景中，这种理想化场景几乎不可能一直保持；

那么，怎么改进呢？

就是采用多个FrameBuffer，如下图所示：

• 当APP写FrameBuffer1的时候，LCD在读取FrameBuffer2；

• 完成之后，会将FrameBuffer1和FrameBuffer2进行swap（交换）；

• 然后App写FrameBuffer2，LCD读FrameBuffer1；

一直这样循环即可大功告成！！！

二、Layer：

想象下，如果每个APP都跑去绘图会有什么问题？比如你在小窗口刷视频网站，此时，最顶端的状态栏，最下端的导航栏，以及视频播放窗口这三个都不停去送显，但是状态栏和导航栏几乎是不变的，只有APP的自己视频窗口内容一直在变，他们三个都送显会浪费系统资源。因此，引入Layer（图层）的概念，比如我们可以将状态栏和导航栏打包成一个Layer，让SystemUI进程去负责刷新，APP单独一个Layer去刷新数据，这样，每个Layer在底层都有自己的FrameBuffer，上层只管往里写，最终通过SurfaceFlinger控制HWC去合成为一张图片送显。

三、APP到SurfaceFlinger：

上面了解了一个很潦草的框架图，下面就详细分析下数据怎么准备的，又是最终怎么送给FrameBuffer的。

整个显示系统可以用一个很关键的模块串起来，那就是大名鼎鼎的SurfaceFlinger（下文可能会因为懒，写成SF），它的主要作用就是对多个App的，我们先看一个架构图：

这个图我的重点是在App给SurfaceFlinger送的数据是如何准备的：

• 每个APP都有1到多个buffer，这个buffer是从SF申请来的，SF传给APP的是fd，APP进行mmap即可获得对应buffer；
• APP拿到buffer之后，可以直接往buffer写数据，可以通过2D引擎库（比如skia）或者3D引擎库（OpenGL ES）去准备数据（就是渲染）；
• 准备好数据之后写入到Surface当中（其实上面说的buffer由surface在管理）；
• 这样，每个APP都写好了自己的Surface，Android会将这多个Surface通过Z-Order（前后顺序）结合Layout（布局）进行合成为一张图片；
• 当然SF并不是啥都自己干，它可以通过Gralloc去管理内存，可以通过HWC去合成Surface，也可以调用OpenGL ES去合成；

四、SurfaceFlinger：

SurfaceFlinger作为Android显示系统的核心管理者，涉及的模块特别多，我们先理清楚几个关键模块之间的关系，否则，会只见树木不见森林。

• 主要模块：

  • SurfaceFlinger：将Surface合成起来，管理着两个驱动程序ashmem和frameBuffer；

  • Ashmem：匿名内存模块；

  • Gralloc：负责帧buffer的分配和释放；

  • EGL：为了保证OpenGL ES的平台无关性，封装EGL；

  • OpenGL ES：OpenGL不是一个库，是一种接口协议，如果有gpu会加载gpu对应的libhgl库，如果没有gpu，也可以加载libagl这个纯软件库，通过cpu去完成，具体应该加载软件还是硬件库，会在egl.cfg这个配置文件中配置好；

  • FramebufferNaitveWindow：OpenGL ES是平台无关的，因此，需要在不同的平台系统上进行"本地化"，Android上就是通过FramebufferNaitveWindow这个中介将Android本地的窗口和OpenGL ES的窗口关联起来；

  • HWCComposer：进行Layer合成和负责Vsync信号的产生和控制；

    • 一般情况下芯片都支持硬件HWC；

    • 如果不支持HWC，或者大于支持的Layer个数上限，都使用软件（OpenGL ES）进行合成；

    • 无论是硬件或者软件合成，都必须遵守EGL接口；

  • 也可以使用OpenGL库进行合成；

    • 如果有GPU，那么加载对应的so，编写sharde程序去用GPU（硬件）合成；
    • 没有GPU那么使用纯软件的libGLES_android这个纯软件库去合成；

• Buffer申请：

  • 每个App都有自己的界面，需要将界面数据绘制到1个或者多个buffer里面；

  • 那么，这些buffer哪儿来呢？如果APP自己申请buffer，填充好数据，再通过socket发送给SF，效率非常低，因此，通过让SF自己分配了，然后通过mmap映射出来，这样APP和SF操作同一块内存，APP写入数据SF会马上可以读到；

  • SF里面会调用HAL层的Gralloc模块进行buffer申请；

  • Gralloc模块又会通过驱动层的ashmem申请匿名内存，然后返回句柄fd给HAL，再传递给SF；

  • SF再通过Binder系统将fd传给App；

  • App往buffer里面写好数据之后，通过SurfaceFlinger交给FrameBuffer，才可以显示数据；

五、总结：

本文主要从框架层面对Android显示系统进行了介绍，里面最重要的就是SurfaceFlinger，它管理者众多模块完成了Android每一帧画面的显示。