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Android Systrace 基础知识(5) - SurfaceFlinger 解读

本文是 Android Systrace 系列文章的第五篇,主要是对 Android 系统中的 SurfaceFlinger 进行简单介绍,介绍了 SurfaceFlinger 中几个比较重要的线程,包括 Vsync 信号的解读、应用的 Buffer 展示、卡顿判定等,由于 Vsync 这一块在Systrace 基础知识 - Vsync 解读[1] 和 Android 基于 Choreographer 的渲染机制详解[2] 这两篇文章里面已经介绍过,这里就不再做详细的讲解了。

本系列的目的是通过 Systrace 这个工具,从另外一个角度来看待 Android 系统整体的运行,同时也从另外一个角度来对 Framework 进行学习。也许你看了很多讲 Framework 的文章,但是总是记不住代码,或者不清楚其运行的流程,也许从 Systrace 这个图形化的角度,你可以理解的更深入一些。

系列文章目录

  1. Systrace 简介[3]
  2. Systrace 基础知识 - Systrace 预备知识[4]
  3. Systrace 基础知识 - Why 60 fps ?[5]
  4. Systrace 基础知识 - SystemServer 解读[6]
  5. Systrace 基础知识 - SurfaceFlinger 解读[7]
  6. Systrace 基础知识 - Input 解读[8]
  7. Systrace 基础知识 - Vsync 解读[9]
  8. Systrace 基础知识 - Vsync-App :基于 Choreographer 的渲染机制详解[10]
  9. Systrace 基础知识 - MainThread 和 RenderThread 解读[11]
  10. Systrace 基础知识 - Binder 和锁竞争解读[12]
  11. Systrace 基础知识 - Triple Buffer 解读[13]
  12. Systrace 基础知识 - CPU Info 解读[14]

正文

这里直接上官方对于 SurfaceFlinger 流程的定义[15]

  1. 大多数应用在屏幕上一次显示三个层:屏幕顶部的状态栏、底部或侧面的导航栏以及应用界面。有些应用会拥有更多或更少的层(例如,默认主屏幕应用有一个单独的壁纸层,而全屏游戏可能会隐藏状态栏)。每个层都可以单独更新。状态栏和导航栏由系统进程渲染,而应用层由应用渲染,两者之间不进行协调。
  2. 设备显示会按一定速率刷新,在手机和平板电脑上通常为 60 fps。如果显示内容在刷新期间更新,则会出现撕裂现象;因此,请务必只在周期之间更新内容。在可以安全更新内容时,系统便会收到来自显示设备的信号。由于历史原因,我们将该信号称为 VSYNC 信号。
  3. 刷新率可能会随时间而变化,例如,一些移动设备的帧率范围在 58 fps 到 62 fps 之间,具体要视当前条件而定。对于连接了 HDMI 的电视,刷新率在理论上可以下降到 24 Hz 或 48 Hz,以便与视频相匹配。由于每个刷新周期只能更新屏幕一次,因此以 200 fps 的帧率为显示设备提交缓冲区就是一种资源浪费,因为大多数帧会被舍弃掉。SurfaceFlinger 不会在应用每次提交缓冲区时都执行操作,而是在显示设备准备好接收新的缓冲区时才会唤醒。
  4. 当 VSYNC 信号到达时,SurfaceFlinger 会遍历它的层列表,以寻找新的缓冲区。如果找到新的缓冲区,它会获取该缓冲区;否则,它会继续使用以前获取的缓冲区。SurfaceFlinger 必须始终显示内容,因此它会保留一个缓冲区。如果在某个层上没有提交缓冲区,则该层会被忽略。
  5. SurfaceFlinger 在收集可见层的所有缓冲区之后,便会询问 Hardware Composer 应如何进行合成。」

---- 引用自SurfaceFlinger 和 Hardware Composer[16]

下面是上述流程所对应的流程图, 简单地说, SurfaceFlinger 最主要的功能:「SurfaceFlinger 接受来自多个来源的数据缓冲区,对它们进行合成,然后发送到显示设备。」

SurfaceFlinger 的工作流程

那么 Systrace 中,我们关注的重点就是上面这幅图对应的部分

  1. App 部分
  2. BufferQueue 部分
  3. SurfaceFlinger 部分
  4. HWComposer 部分

这四部分,在 Systrace 中都有可以对应的地方,以时间发生的顺序排序就是 1、2、3、4,下面我们从 Systrace 的这四部分来看整个渲染的流程

App 部分

关于 App 部分,其实在Systrace 基础知识 - MainThread 和 RenderThread 解读[17]这篇文章里面已经说得比较清楚了,不清楚的可以去这篇文章里面看,其主要的流程如下图:

App 一帧的流程

从 SurfaceFlinger 的角度来看,App 部分主要负责生产 SurfaceFlinger 合成所需要的 Surface。

App 与 SurfaceFlinger 的交互主要集中在三点

  1. Vsync 信号的接收和处理
  2. RenderThread 的 dequeueBuffer
  3. RenderThread 的 queueBuffer

Vsync 信号的接收和处理

关于这部分内容可以查看Android 基于 Choreographer 的渲染机制详解[18] 这篇文章,App 和 SurfaceFlinger 的第一个交互点就是 Vsync 信号的请求和接收,如上图中第一条标识,Vsync-App 信号到达,就是指的是 SurfaceFlinger 的 Vsync-App 信号。应用收到这个信号后,开始一帧的渲染准备

Vsync 信号的接收和处理

RenderThread 的 dequeueBuffer

dequeue 有出队的意思,dequeueBuffer 顾名思义,就是从队列中拿出一个 Buffer,这个队列就是 SurfaceFlinger 中的 BufferQueue。如下图,应用开始渲染前,首先需要通过 Binder 调用从 SurfaceFlinger 的 BufferQueue 中获取一个 Buffer,其流程如下:

「App 端的 Systrace 如下所示」

App 端的 Buffer 操作

「SurfaceFlinger 端的 Systrace 如下所示」

SurfaceFlinger 端的 Buffer 操作

RenderThread 的 queueBuffer

queue 有入队的意思,queueBuffer 顾名思义就是讲 Buffer 放回到 BufferQueue,App 处理完 Buffer 后(写入具体的 drawcall),会把这个 Buffer 通过 eglSwapBuffersWithDamageKHR -> queueBuffer 这个流程,将 Buffer 放回 BufferQueue,其流程如下

「App 端的 Systrace 如下所示」file:///Users/gaojack/blog/source/images/15822960954718.jpg

「SurfaceFlinger 端的 Systrace 如下所示」

通过上面三部分,大家应该对下图中的流程会有一个比较直观的了解了

BufferQueue 部分

BufferQueue 部分其实在Systrace 基础知识 - Triple Buffer 解读[19] 这里有讲,如下图,结合上面那张图,每个有显示界面的进程对应一个 BufferQueue,使用方创建并拥有 BufferQueue 数据结构,并且可存在于与其生产方不同的进程中,BufferQueue 工作流程如下:

BufferQueue 的工作流程

上图主要是 dequeue、queue、acquire、release ,在这个例子里面,App 是「生产者」,负责填充显示缓冲区(Buffer);SurfaceFlinger 是「消费者」,将各个进程的显示缓冲区做合成操作

  1. dequeue(生产者发起) :当生产者需要缓冲区时,它会通过调用 dequeueBuffer() 从 BufferQueue 请求一个可用的缓冲区,并指定缓冲区的宽度、高度、像素格式和使用标记。
  2. queue(生产者发起):生产者填充缓冲区并通过调用 queueBuffer() 将缓冲区返回到队列。
  3. acquire(消费者发起) :消费者通过 acquireBuffer() 获取该缓冲区并使用该缓冲区的内容
  4. release(消费者发起) :当消费者操作完成后,它会通过调用 releaseBuffer() 将该缓冲区返回到队列

SurfaceFlinger 部分

工作流程

从最前面我们知道 SurfaceFlinger 的主要工作就是合成:

❝当 VSYNC 信号到达时,SurfaceFlinger 会遍历它的层列表,以寻找新的缓冲区。如果找到新的缓冲区,它会获取该缓冲区;否则,它会继续使用以前获取的缓冲区。SurfaceFlinger 必须始终显示内容,因此它会保留一个缓冲区。如果在某个层上没有提交缓冲区,则该层会被忽略。SurfaceFlinger 在收集可见层的所有缓冲区之后,便会询问 Hardware Composer 应如何进行合成。

其 Systrace 主线程可用看到其主要是在收到 Vsync 信号后开始工作

SurfaceFlinger 流程

其对应的代码如下,主要是处理两个 Message

  1. MessageQueue::INVALIDATE --- 主要是执行 handleMessageTransaction 和 handleMessageInvalidate 这两个方法
  2. MessageQueue::REFRESH --- 主要是执行 handleMessageRefresh 方法

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp

void SurfaceFlinger::onMessageReceived(int32_t what) NO_THREAD_SAFETY_ANALYSIS {
    ATRACE_CALL();
    switch (what) {
        case MessageQueue::INVALIDATE: {
            ......
            bool refreshNeeded = handleMessageTransaction();
            refreshNeeded |= handleMessageInvalidate();
            ......
            break;
        }
        case MessageQueue::REFRESH: {
            handleMessageRefresh();
            break;
        }
    }
}

//handleMessageInvalidate 实现如下
bool SurfaceFlinger::handleMessageInvalidate() {
    ATRACE_CALL();
    bool refreshNeeded = handlePageFlip();

    if (mVisibleRegionsDirty) {
        computeLayerBounds();
        if (mTracingEnabled) {
            mTracing.notify("visibleRegionsDirty");
        }
    }

    for (auto& layer : mLayersPendingRefresh) {
        Region visibleReg;
        visibleReg.set(layer->getScreenBounds());
        invalidateLayerStack(layer, visibleReg);
    }
    mLayersPendingRefresh.clear();
    return refreshNeeded;
}

//handleMessageRefresh 实现如下, SurfaceFlinger 的大部分工作都是在handleMessageRefresh 中发起的
void SurfaceFlinger::handleMessageRefresh() {
    ATRACE_CALL();

    mRefreshPending = false;

    const bool repaintEverything = mRepaintEverything.exchange(false);
    preComposition();
    rebuildLayerStacks();
    calculateWorkingSet();
    for (const auto& [token, display] : mDisplays) {
        beginFrame(display);
        prepareFrame(display);
        doDebugFlashRegions(display, repaintEverything);
        doComposition(display, repaintEverything);
    }

    logLayerStats();

    postFrame();
    postComposition();

    mHadClientComposition = false;
    mHadDeviceComposition = false;
    for (const auto& [token, displayDevice] : mDisplays) {
        auto display = displayDevice->getCompositionDisplay();
        const auto displayId = display->getId();
        mHadClientComposition =
                mHadClientComposition || getHwComposer().hasClientComposition(displayId);
        mHadDeviceComposition =
                mHadDeviceComposition || getHwComposer().hasDeviceComposition(displayId);
    }

    mVsyncModulator.onRefreshed(mHadClientComposition);

    mLayersWithQueuedFrames.clear();
}

handleMessageRefresh 中按照重要性主要有下面几个功能

1 . 准备工作

a . preComposition();

b . rebuildLayerStacks();

c. calculateWorkingSet();

2 . 合成工作

a . begiFrame(display);

b . prepareFrame(display);

c . doDebugFlashRegions(display, repaintEverything);

d . doComposition(display, repaintEverything);

3 . 收尾工作

a . logLayerStats();

b . postFrame();

c . postComposition();

由于显示系统有非常庞大的细节,这里就不一一进行讲解了,如果你的工作在这一部分,那么所有的流程都需要熟悉并掌握,如果只是想熟悉流程,那么不需要太深入,知道 SurfaceFlinger 的主要工作逻辑即可

掉帧

通常我们通过 Systrace 判断应用是否「掉帧」的时候,一般是直接看 SurfaceFlinger 部分,主要是下面几个步骤

1 . SurfaceFlinger 的主线程在每个 Vsync-SF 的时候是否没有合成?

2 . 如果没有合成操作,那么需要看没有合成的原因:

a . 因为 SurfaceFlinger 检查发现没有可用的 Buffer 而没有合成操作?

b . 因为 SurfaceFlinger 被其他的工作占用(比如截图、HWC 等)?

3 . 如果有合成操作,那么需要看对应的 App 的 可用 Buffer 个数是否正常:如果 App 此时可用 Buffer 为 0,那么看 App 端为何没有及时 queueBuffer(这就一般是应用自身的问题了),因为 SurfaceFlinger 合成操作触发可能是其他的进程有可用的 Buffer

关于这一部分的 Systrace 怎么看,在 Systrace 基础知识 - Triple Buffer 解读-掉帧检测[20] 部分已经有比较详细的解读,大家可以过去看这一段

HWComposer 部分

关于 HWComposer 的功能部分我们就直接看官方的介绍[21]即可

1 . Hardware Composer HAL (HWC) 用于确定通过可用硬件来合成缓冲区的最有效方法。作为 HAL,其实现是特定于设备的,而且通常由显示设备硬件原始设备制造商 (OEM) 完成。

2 . 当您考虑使用叠加平面时,很容易发现这种方法的好处,它会在显示硬件(而不是 GPU)中合成多个缓冲区。例如,假设有一部普通 Android 手机,其屏幕方向为纵向,状态栏在顶部,导航栏在底部,其他区域显示应用内容。每个层的内容都在单独的缓冲区中。您可以使用以下任一方法处理合成(后一种方法可以显著提高效率):

a . 将应用内容渲染到暂存缓冲区中,然后在其上渲染状态栏,再在其上渲染导航栏,最后将暂存缓冲区传送到显示硬件。

b . 将三个缓冲区全部传送到显示硬件,并指示它从不同的缓冲区读取屏幕不同部分的数据。

3 . 显示处理器功能差异很大。叠加层的数量(无论层是否可以旋转或混合)以及对定位和叠加的限制很难通过 API 表达。为了适应这些选项,HWC 会执行以下计算(由于硬件供应商可以定制决策代码,因此可以在每台设备上实现最佳性能):

a . SurfaceFlinger 向 HWC 提供一个完整的层列表,并询问“您希望如何处理这些层?”

b . HWC 的响应方式是将每个层标记为叠加层或 GLES 合成。

c . SurfaceFlinger 会处理所有 GLES 合成,将输出缓冲区传送到 HWC,并让 HWC 处理其余部分。

4 . 当屏幕上的内容没有变化时,叠加平面的效率可能会低于 GL 合成。当叠加层内容具有透明像素且叠加层混合在一起时,尤其如此。在此类情况下,HWC 可以选择为部分或全部层请求 GLES 合成,并保留合成的缓冲区。如果 SurfaceFlinger 返回来要求合成同一组缓冲区,HWC 可以继续显示先前合成的暂存缓冲区。这可以延长闲置设备的电池续航时间。

5 . 运行 Android 4.4 或更高版本的设备通常支持 4 个叠加平面。尝试合成的层数多于叠加层数会导致系统对其中一些层使用 GLES 合成,这意味着应用使用的层数会对能耗和性能产生重大影响。

-------- 引用自SurfaceFlinger 和 Hardware Composer[22]

我们继续接着看 SurfaceFlinger 主线程的部分,对应上面步骤中的第三步,下图可以看到 SurfaceFlinger 与 HWC 的通信部分

这也对应了最上面那张图的后面部分

不过这其中的细节非常多,这里就不详细说了。至于为什么要提 HWC,因为 HWC 不仅是渲染链路上重要的一环,其性能也会影响整机的性能,Android 中的卡顿丢帧原因概述 - 系统篇[23] 这篇文章里面就有列有 HWC 导致的卡顿问题(性能不足,中断信号慢等问题)

想了解更多 HWC 的知识,可以参考这篇文章Android P 图形显示系统(一)硬件合成HWC2[24],当然,作者的Android P 图形显示系[25]这个系列大家可以仔细看一下

参考文章

  1. Android P 图形显示系统(一)硬件合成HWC2[26]
  2. Android P 图形显示系统[27]
  3. SurfaceFlinger 的定义[28]
  4. surfacefliner[29]

https://mp.weixin.qq.com/s/yZlyA984B9SRKw5lClqvNQ

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