Android圖形渲染原理上

對于Android開發(fā)者來說，我們或多或少有了解過Android圖像顯示的知識點，剛剛學(xué)習(xí)Android開發(fā)的人會知道，在Actvity的onCreate方法中設(shè)置我們的View后，再經(jīng)過onMeasure，onLayout，onDraw的流程，界面就顯示出來了；對Android比較熟悉的開發(fā)者會知道，onDraw流程分為軟件繪制和硬件繪制兩種模式，軟繪是通過調(diào)用Skia來操作，硬繪是通過調(diào)用Opengl ES來操作；對Android非常熟悉的開發(fā)者會知道繪制出來的圖形數(shù)據(jù)最終都通過GraphiBuffer內(nèi)共享內(nèi)存?zhèn)鬟f給SurfaceFlinger去做圖層混合，圖層混合完成后將圖形數(shù)據(jù)送到幀緩沖區(qū)，于是，圖形就在我們的屏幕顯示出來了。

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但我們所知道的Activity或者是應(yīng)用App界面的顯示，只屬于Android圖形顯示的一部分。同樣可以在Android系統(tǒng)上展示圖像的WebView，F(xiàn)lutter，或者是通過Unity開發(fā)的3D游戲，他們的界面又是如何被繪制和顯現(xiàn)出來的呢？他們和我們所熟悉的Acitvity的界面顯示又有什么異同點呢？我們可以不借助Activity的setView或者InflateView機制來實現(xiàn)在屏幕上顯示出我們想要的界面嗎？Android系統(tǒng)顯示界面的方式又和IOS，或者Windows等系統(tǒng)有什么區(qū)別呢？……

去探究這些問題，比僅僅知道Acitvity的界面是如何顯示出來更加的有價值，因為想要回答這些問題，就需要我們真正的掌握Android圖像顯示的底層原理，當(dāng)我們掌握了底層的顯示原理后，我們會發(fā)現(xiàn)WebView，F(xiàn)lutter或者未來會出現(xiàn)的各種新的圖形顯示技術(shù)，原來都是大同小異。

我會花三篇文章的篇幅，去深入的講解Android圖形顯示的原理，OpenGL ES和Skia的繪制圖像的方式，他們?nèi)绾问褂茫约八麄冊贏ndroid中的使用場景，如開機動畫，Activity界面的軟件繪制和硬件繪制，以及Flutter的界面繪制。那么，我們開始對Android圖像顯示原理的探索吧。

在講解Android圖像的顯示之前，我會先講一下屏幕圖像的顯示原理，畢竟我們圖像，最終都是在手機屏幕上顯示出來的，了解這一塊的知識會讓我們更容易的理解Android在圖像顯示上的機制。

圖像顯示的完整過程，分為下面幾個階段：

圖像數(shù)據(jù)→CPU→顯卡驅(qū)動→顯卡（GPU）→顯存（幀緩沖）→顯示器

我詳細介紹一下這幾個階段：

實際上顯卡驅(qū)動，顯卡和顯存，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊都是屬于顯卡的模塊。但為了能能詳細的講解經(jīng)歷的步驟，這里做了拆分。

當(dāng)顯存中有數(shù)據(jù)后，顯示器又是怎么根據(jù)顯存里面的數(shù)據(jù)來進行界面的顯示的呢？這里以LCD液晶屏為例，顯卡會將顯存里的數(shù)據(jù)，按照從左至右，從上到下的順序同步到屏幕上的每一個像素晶體管，一個像素晶體管就代表了一個像素。

如果我們的屏幕分辨率是1080x1920像素，就表示有1080x1920個像素像素晶體管，每個橡素點的顏色越豐富，描述這個像素的數(shù)據(jù)就越大，比如單色，每個像素只需要1bit，16色時，只需要4bit，256色時，就需要一個字節(jié)。那么1080x1920的分辨率的屏幕下，如果要以256色顯示，顯卡至少需要1080x1920個字節(jié)，也就是2M的大小。

剛剛說了，屏幕上的像素數(shù)據(jù)是從左到右，從上到下進行同步的，當(dāng)這個過程完成了，就表示一幀繪制完成了，于是會開始下一幀的繪制，大部分的顯示屏都是以60HZ的頻率在屏幕上繪制完一幀，也就是16ms，并且每次繪制新的一幀時，都會發(fā)出一個垂直同步信號（VSync）。我們已經(jīng)知道，圖像數(shù)據(jù)都是放在幀緩沖中的，如果幀緩沖的緩沖區(qū)只有一個，那么屏幕在繪制這一幀的時候，圖像數(shù)據(jù)便沒法放入幀緩沖中了，只能等待這一幀繪制完成，在這種情況下，會有很大了效率問題。所以為了解決這一問題，幀緩沖引入兩個緩沖區(qū)，即 雙緩沖機制 。雙緩沖雖然能解決效率問題，但會引入一個新的問題。當(dāng)屏幕這一幀還沒繪制完成時，即屏幕內(nèi)容剛顯示一半時，GPU 將新的一幀內(nèi)容提交到幀緩沖區(qū)并把兩個緩沖區(qū)進行交換后，顯卡的像素同步模塊就會把新的一幀數(shù)據(jù)的下半段顯示到屏幕上，造成畫面撕裂現(xiàn)象。

為了解決撕裂問題，就需要在收到垂直同步的時候才將幀緩沖中的兩個緩沖區(qū)進行交換。Android4.1黃油計劃中有一個優(yōu)化點，就是CPU和GPU都只有收到垂直同步的信號時，才會開始進行圖像的繪制操作，以及緩沖區(qū)的交換工作。

我們已經(jīng)了解了屏幕圖像顯示的原理了，那么接著開始對Android圖像顯示的學(xué)習(xí)。

從上一章已經(jīng)知道，計算機渲染界面必須要有GPU和幀緩沖。對于Linux系統(tǒng)來說，用戶進程是沒法直接操作幀緩沖的，但我們想要顯示圖像就必須要操作幀緩沖，所以Linux系統(tǒng)設(shè)計了一個虛擬設(shè)備文件，來作為對幀緩沖的映射，通過對該文件的I/O讀寫，我們就可以實現(xiàn)讀寫屏操作。幀緩沖對應(yīng)的設(shè)備文件于/dev/fb* ，*表示對多個顯示設(shè)備的支持， 設(shè)備號從0到31，如/dev/fb0就表示第一塊顯示屏，/dev/fb1就表示第二塊顯示屏。對于Android系統(tǒng)來說，默認使用/dev/fb0這一個設(shè)幀緩沖作為主屏幕，也就是我們的手機屏幕。我們Android手機屏幕上顯示的圖像數(shù)據(jù)，都是存儲在/dev/fb0里，早期AndroidStuio中的DDMS工具實現(xiàn)截屏的原理就是直接讀取/dev/fb0設(shè)備文件。

我們知道了手機屏幕上的圖形數(shù)據(jù)都存儲在幀緩沖中，所以Android手機圖像界面的原理就是將我們的圖像數(shù)據(jù)寫入到幀緩沖內(nèi)。那么，寫入到幀緩沖的圖像數(shù)據(jù)是怎么生成的，又是怎樣加工的呢？圖形數(shù)據(jù)是怎樣送到幀緩沖去的，中間經(jīng)歷了哪些步驟和過程呢？了解了這幾個問題，我們就了解了Android圖形渲染的原理，那么帶著這幾個疑問，接著往下看。

想要知道圖像數(shù)據(jù)是怎么產(chǎn)生的，我們需要知道 圖像生產(chǎn)者 有哪些，他們分別是如何生成圖像的，想要知道圖像數(shù)據(jù)是怎么被消費的，我們需要知道 圖像消費者 有哪些，他們又分別是如何消費圖像的，想要知道中間經(jīng)歷的步驟和過程，我們需要知道 圖像緩沖區(qū) 有哪些，他們是如何被創(chuàng)建，如何分配存儲空間，又是如何將數(shù)據(jù)從生產(chǎn)者傳遞到消費者的，圖像顯示是一個很經(jīng)典的消費者生產(chǎn)者的模型，只有對這個模型各個模塊的擊破，了解他們之間的流動關(guān)系，我們才能找到一條更容易的路徑去掌握Android圖形顯示原理。我們看看谷歌提供的官方的架構(gòu)圖是怎樣描述這一模型的模塊及關(guān)系的。

如圖， 圖像的生產(chǎn)者 主要有MediaPlayer，CameraPrevier，NDK，OpenGl ES。MediaPlayer和Camera Previer是通過直接讀取圖像源來生成圖像數(shù)據(jù)，NDK（Skia），OpenGL ES是通過自身的繪制能力生產(chǎn)的圖像數(shù)據(jù)； 圖像的消費者 有SurfaceFlinger，OpenGL ES Apps，以及HAL中的Hardware Composer。OpenGl ES既可以是圖像的生產(chǎn)者，也可以是圖像的消費者，所以它也放在了圖像消費模塊中； 圖像緩沖區(qū) 主要有Surface以及前面提到幀緩沖。

Android圖像顯示的原理，會僅僅圍繞 圖像的生產(chǎn)者 ， 圖像的消費者 ， 圖像緩沖區(qū) 來展開，在這一篇文章中，我們先看看Android系統(tǒng)中的圖像消費者。

SurfaceFlinger是Android系統(tǒng)中最重要的一個圖像消費者，Activity繪制的界面圖像，都會傳遞到SurfaceFlinger來，SurfaceFlinger的作用主要是接收圖像緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，然后交給HWComposer或者OpenGL做合成，合成完成后，SurfaceFlinger會把最終的數(shù)據(jù)提交給幀緩沖。

那么SurfaceFlinger是如何接收圖像緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)的呢？我們需要先了解一下Layer（層）的概念，一個Layer包含了一個Surface，一個Surface對應(yīng)了一塊圖形緩沖區(qū)，而一個界面是由多個Surface組成的，所以他們會一一對應(yīng)到SurfaceFlinger的Layer中。SurfaceFlinger通過讀取Layer中的緩沖數(shù)據(jù)，就相當(dāng)于讀取界面上Surface的圖像數(shù)據(jù)。Layer本質(zhì)上是 Surface和SurfaceControl的組合 ，Surface是圖形生產(chǎn)者和圖像消費之間傳遞數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，SurfaceControl是Surface的控制類。

前面在屏幕圖像顯示原理中講到，為了防止圖像的撕裂，Android系統(tǒng)會在收到VSync垂直同步時才會開始處理圖像的繪制和合成工作，而Surfaceflinger作為一個圖像的消費者，同樣也是遵守這一規(guī)則，所以我們通過源碼來看看SurfaceFlinger是如何在這一規(guī)則下，消費圖像數(shù)據(jù)的。

SurfaceFlinger專門創(chuàng)建了一個EventThread線程用來接收VSync。EventThread通過Socket將VSync信號同步到EventQueue中，而EventQueue又通過回調(diào)的方式，將VSync信號同步到SurfaceFlinger內(nèi)。我們看一下源碼實現(xiàn)。

上面主要是SurfaceFlinger初始化接收VSYNC垂直同步信號的操作，主要有這幾個過程：

經(jīng)過上面幾個步驟，我們接收VSync的初始化工作都準(zhǔn)備好了，EventThread也開始運轉(zhuǎn)了，接著看一下EventThread的運轉(zhuǎn)函數(shù)threadLoop做的事情。

threadLoop主要是兩件事情

mConditon又是怎么接收VSync的呢？我們來看一下

可以看到，mCondition的VSync信號實際是DispSyncSource通過onVSyncEvent回調(diào)傳入的，但是DispSyncSource的VSync又是怎么接收的呢？在上面講到的SurfaceFlinger的init函數(shù)，在創(chuàng)建EventThread的實現(xiàn)中，我們可以發(fā)現(xiàn)答案—— mPrimaryDispSync 。

DispSyncSource的構(gòu)造方法傳入了mPrimaryDispSync，mPrimaryDispSync實際是一個DispSyncThread線程，我們看看這個線程的threadLoop方法

DispSyncThread的threadLoop會通過mPeriod來判斷是否進行阻塞或者進行VSync回調(diào)，那么mPeriod又是哪兒被設(shè)置的呢？這里又回到SurfaceFlinger了，我們可以發(fā)現(xiàn)在SurfaceFlinger的 resyncToHardwareVsync 函數(shù)中有對mPeriod的賦值。

可以看到，這里最終通過HWComposer，也就是硬件層拿到了period。終于追蹤到了VSync的最終來源了， 它從HWCompser產(chǎn)生，回調(diào)至DispSync線程，然后DispSync線程回調(diào)到DispSyncSource，DispSyncSource又回調(diào)到EventThread，EventThread再通過Socket分發(fā)到MessageQueue中 。

我們已經(jīng)知道了VSync信號來自于HWCompser，但SurfaceFlinger并不會一直監(jiān)聽VSync信號，監(jiān)聽VSync的線程大部分時間都是休眠狀態(tài)，只有需要做合成工作時，才會監(jiān)聽VSync，這樣即保證圖像合成的操作能和VSync保持一致，也節(jié)省了性能。SurfaceFlinger提供了一些主動注冊監(jiān)聽VSync的操作函數(shù)。

可以看到，只有當(dāng)SurfaceFlinger調(diào)用 signalTransaction 或者 signalLayerUpdate 函數(shù)時，才會注冊監(jiān)聽VSync信號。那么signalTransaction或者signalLayerUpdate什么時候被調(diào)用呢？它可以由圖像的生產(chǎn)者通知調(diào)用，也可以由SurfaceFlinger根據(jù)自己的邏輯來判斷是否調(diào)用。

現(xiàn)在假設(shè)App層已經(jīng)生成了我們界面的圖像數(shù)據(jù)，并調(diào)用了 signalTransaction 通知SurfaceFlinger注冊監(jiān)聽VSync，于是VSync信號便會傳遞到了MessageQueue中了，我們接著看看MessageQueue又是怎么處理VSync的吧。

MessageQueue收到VSync信號后，最終回調(diào)到了SurfaceFlinger的 onMessageReceived 中，當(dāng)SurfaceFlinger接收到VSync后，便開始以一個圖像消費者的角色來處理圖像數(shù)據(jù)了。我們接著看SurfaceFlinger是以什么樣的方式消費圖像數(shù)據(jù)的。

VSync信號最終被SurfaceFlinger的onMessageReceived函數(shù)中的INVALIDATE模塊處理。

INVALIDATE的流程如下：

handleMessageTransaction的處理比較長，處理的事情也比較多，它主要做的事情有這些

handleMessageRefresh函數(shù)，便是SurfaceFlinger真正處理圖層合成的地方，它主要下面五個步驟。

我會詳細介紹每一個步驟的具體操作

合成前預(yù)處理會判斷Layer是否發(fā)生變化，當(dāng)Layer中有新的待處理的Buffer幀（mQueuedFrames0），或者mSidebandStreamChanged發(fā)生了變化， 都表示Layer發(fā)生了變化，如果變化了，就調(diào)用signalLayerUpdate，注冊下一次的VSync信號。如果Layer沒有發(fā)生變化，便只會做這一次的合成工作，不會注冊下一次VSync了。

重建Layer棧會遍歷Layer，計算和存儲每個Layer的臟區(qū)， 然后和當(dāng)前的顯示設(shè)備進行比較，看Layer的臟區(qū)域是否在顯示設(shè)備的顯示區(qū)域內(nèi)，如果在顯示區(qū)域內(nèi)的話說明該layer是需要繪制的，則更新到顯示設(shè)備的VisibleLayersSortedByZ列表中，等待被合成

rebuildLayerStacks中最重要的一步是 computeVisibleRegions ，也就是對Layer的變化區(qū)域和非透明區(qū)域的計算，為什么要對變化區(qū)域做計算呢？我們先看看SurfaceFlinger對界面顯示區(qū)域的分類：

還是以這張圖做例子，可以看到我們的狀態(tài)欄是半透明的，所以它是一個opaqueRegion區(qū)域，微信界面和虛擬按鍵是完全不透明的，他是一個visibleRegion，除了這三個Layer外，還有一個我們看不到的Layer——壁紙，它被上方visibleRegion遮擋了，所以是coveredRegion

對這幾個區(qū)域的概念清楚了，我們就可以去了解computeVisibleRegions中做的事情了，它主要是這幾步操作：

程序員的開源月刊《HelloGitHub》第 68 期

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