Android 图形显示系统汇总

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简介

本文将从整体上分析Android图形显示系统的结构，不深入分析每一层内部的代码实现，更多的是使用流程图和结构图来让大家理解Android是如何绘制、合成图形并显示到屏幕上。 本文将从三个层次进行讲解，大致如下图：

可以理解为上层生产，下层消费模型。

其中每一层之间的数据传递是使用Buffer（图形缓冲区）作为载体：

这里的缓冲区，大家可以理解为带有宽高和像素密度的内存区块。

  1. 从下层往上层理解

1.1 显示屏

显示屏上的内容，是从硬件帧缓冲区读取的，大致读取过程为：从Buffer的起始地址开始，从上往下，从左往右扫描整个Buffer，将内容映射到显示屏上： 当然，屏幕上的内容需要需要不断的更新，如果在同一个Buffer进行读取和写入（合成）操作，将会导致屏幕显示多帧内容。所以硬件层除了提供一个Buffer用于屏幕显示，还提供了一个Buffer用于后台的图形合成，也就是我们常说的双缓冲：

上图中包含两个缓冲区： 前缓冲区：用来显示内容到屏幕的帧缓冲区 后缓冲区：用于后台合成下一帧图形的帧缓冲区

假设前一帧显示完毕，后一帧准备好了，屏幕将会开始读取下一帧的内容，也就是开始读取上图中的后缓冲区的内容：

此时，前后缓冲区进行一次角色互换，之前的后缓冲区变为前缓冲区，进行图形的显示，之前的前缓冲区则变为后缓冲区，进行图形的合成。

然而，理想很丰满，现实很骨感，上面假设“当前一帧显示完毕，后一帧准备好了”的情况，在现实中这两个事件并非同时完成。那么，屏幕扫描缓冲区的速度和系统合成帧的速度之间有什么关系呢，带着这个疑惑我们看看下面两个概念： 屏幕刷新率（HZ）：代表屏幕在一秒内刷新屏幕的次数，Android手机一般为60HZ（也就是1秒刷新60帧，大约16.67毫秒刷新1帧）

系统帧速率（FPS）：代表了系统在一秒内合成的帧数，该值的大小由系统算法和硬件决定。

我们用以下两个假设来分析两者的关系： ① 屏幕刷新速率比系统帧速率快 此时，在前缓冲区内容全部映射到屏幕上之后，后缓冲区尚未准备好下一帧，屏幕将无法读取下一帧，所以只能继续显示当前一帧的图形，「造成一帧显示多次，也就是卡顿。」 ② 系统帧速率比屏幕刷新率快 此时，屏幕未完全把前缓冲区的一帧映射到屏幕，而系统已经在后缓冲区准备好了下一帧，并要求读取下一帧到屏幕，将会导致屏幕上半部分是上一帧的图形，而下半部分是下一帧的图形，「造成屏幕上显示多帧，也就是屏幕撕裂。」

上面两种情况，都会导致问题，根本原因就是两个缓冲区的操作速率不一致，解决办法就是让屏幕控制前后缓冲区的切换，让系统帧速率配合屏幕刷新率的节奏。

那么屏幕是如何控制这个节奏的呢？

垂直同步（VSync）：当屏幕从缓冲区扫描完一帧到屏幕上之后，开始扫描下一帧之前，发出的一个同步信号，该信号用来切换前缓冲区和后缓冲区。

通过上面的分析可以看出，屏幕的显示节奏是固定的，操作系统需要配合屏幕的显示，在固定的时间内准备好下一帧，以供屏幕进行显示。两者通过VSync信号来实现同步。

关于屏幕这一块的知识点讲解到这，不再深入分析，接下来我们将会了解后缓冲区的图形合成者。

1.2 SurfaceFlinger-图形合成者

如果说屏幕是消费者，那么SurfaceFlinger相对屏幕来说就是生产者，其具有如下特性：- 作为上层应用的消费者，硬件层的生产者。

  • 负责图形的合成
  • 和ActivityManagerService一样，是一个系统服务

为了更好的理解SurfaceFlinger这个服务的工作内容，以及他是如何做到一个承上启下的作用，我们通过下面的这个界面分析：

界面很简单，拆开来看，包含微信、悬浮工具箱、通知栏、底部虚拟按键栏：

我们可以先这样理解上面这幅图，上层每一个界面，其实都对应SufaceFlinger里的一个Surface对象，上层将自己的内容绘制在对应的Surface内，接着，SufaceFlinger需要将所有上层对应的Surface内的图形进行合成，具体看下图：

没错，SurfaceFlinger就是将多个Surface里的内容进行合成，最后提交到屏幕的后缓冲区，等待屏幕的下一个垂直同步信号的到来，再显示到屏幕上。

我们会发现SufaceFlinger通过屏幕后缓冲区与屏幕建立联系。同时通过Surface与上层建立联系。从而起到一个承上启下的作用，是Android图形系统结构中的关键组成部分。

为了继续往上层讲，我们需要了解什么是Surface：

  • 对应上层的一个Window（对话框、Activity、状态栏）
  • 作为上层图形绘制的「画板」
  • Canvas是「画笔」，上层通过调用Canvas的API向Surface上绘制图形
  • Surface内部存在多个缓冲区，形成一个BufferQueue

如果说SurfaceFinger是图形的合成者，那么图形的提供者就是上层。文章一开始就提到，图形的传递是通过Buffer作为载体，Surface是对Buffer的进一步封装，也就是说Surface内部具有多个Buffer供上层使用，如何管理这些Buffer呢？请看下面这个模型：

Surface内部提供一个BufferQueue，与上层和SurfaceFlinger形成一个生产者消费者模型，上层对应Producer，SurfaceFlinger对应Consumer。三者通过Buffer产生联系，每个Buffer都有四种状态：

  • Free：可被上层使用
  • Dequeued：出列，正在被上层使用
  • Queued：入列，已完成上层绘制，等待SurfaceFlinger合成
  • Acquired：被获取，SurfaceFlinger正持有该Buffer进行合成

Buffer的一次转移过程大致为：

  1. 从BufferQueue转移到上层
  2. 上层绘制完成再放回BufferQueue
  3. 接着SurfaceFlinger再拿去合成
  4. 最后又放回BufferQueue

如此循环，形成一个Buffer被循环使用的过程。关于SurfaceFlinger以及SurfaceFlinger与上层建立联系的Surface讲解完了，接下来看看上层是如何将图形绘制到Surface的Buffer中。

1.3 上层绘图

上层绘图的大体流程见下图：

之前有说到，Surface里的Buffer作为上层的画板，Canvas作为画笔，通过调用Canvas的API完成图形的绘制，上层通过调用draw方法来调用Canvas的API，当然这里的draw方法并没有真正的将图形绘制到缓冲区，而是记录了一下绘制命令，具体需要了解DisplayList相关只是，后面会对其进行分析。

从流程上看:

  1. 测量View的宽高（Measure）
  2. 设置View的宽高位置（Layout）
  3. 创建显示列表，并执行绘制（Draw）
  4. 生成多边形和纹理
  5. 对多边形和纹理进行栅格化操作

从执行者的角度看：

  1. CPU：Measure，Layout，纹理和多边形生成，发送纹理和多边形到GPU
  2. GPU：将CPU生成的纹理和多边形进行栅格化以及合成

上面说的的纹理和多边形还有栅格化以及合成，这里不做具体的讲解，需要了解的是图形的绘制流程需要经过这些操作。从上面的分析可以看出，上层绘制图形时需要经过CPU计算，再经过GPU计算。

经过上面的分析，整个Android的图形绘制大体流程已经分析完成，接下来将会分析一些流程的具体实现，分析的内容包括：

  • Android 4.1 加入的VSync信号同步到上层以及三缓冲
  • 从上层往下层具体分析每一步流程

  1. VSync以及三缓冲

2.1 Drawing Without VSync

从上面的讲解可以看出，整个绘制流程的节奏，分成两个生产者消费者模型，一个由屏幕和SurfaceFlinger构成，另一个由SurfaceFlinger和上层应用构成，具体流程可以用下图来描述：

其中：

  1. CPU和GPU代表上层的绘制执行者
  2. Composite代表的是SurfaceFlinger对多个Surface的合成
  3. Background Buffer和Front Buffer分别代表的是硬件帧缓冲区中的前缓冲和后缓冲
  4. 显示屏扫描完一帧之后，会发出VSync信号来切换并显示下一帧

上面的流程中，存在一个问题，屏幕的VSync信号只是用来控制帧缓冲区的切换，并未控制上层的绘制节奏，也就是说上层的生产节奏和屏幕的显示节奏是脱离的：

上图中，横轴表示时间，纵轴表示Buffer的使用者，每个长方形表示Buffer的使用，长方形的宽度代表使用时长，VSync代表垂直同步信号，两个VSync信号之间间隔16.6ms。此图描述了Android在4.1系统版本之前，上层的绘图流程在没有VSync信号的时候，出现的绘制问题。

我们从时间为0开始看，当前屏幕显示第0帧，上层CPU开始计算第1帧的纹理，计算完成后，交由GPU进行栅格化。当下一个垂直同步信号到来，屏幕显示下一帧，这时候，上层CPU并未马上开始准备下一帧，而当CPU开始准备下一帧的时候已经太晚了，下一个VSync信号来临的时候，GPU未能绘制完第二帧的处理，导致屏幕再次显示上一帧，造成卡顿：

2.2 Drawing With VSync

因为上层不知道VSync信号已经发出，导致上层未能开始CPU的计算。google在Android 4.1系统中加入了上层接收垂直同步信号的逻辑，大致流程如下：

也就是说，屏幕在显示完一帧后，发出的垂直同步除了通知帧缓冲区的切换之外，该消息还会发送到上层，通知上层开始绘制下一帧。

那么，上层是如何接受这个VSync消息的呢？

2.2.1 Choreographer VSync信号的上层接收者

Google为上层设计了一个Choreographer类，翻译成中文是“编舞者”，是希望通过它来控制上层的绘制（舞蹈）节奏。首先看看Choreographer的类图：

可以发现，Choreographer需要向SurfaceFlinger来注册一个VSync信号的接收器DisplayEventReceiver。同时在Choreographer的内部维护了一个CallbackQueue，用来保存上层关心VSync信号的组件，包括ViewRootImpl，TextView，ValueAnimator等。

再看看上层接收VSync的时序图： 知道了Choreographer是上层用来接收VSync的角色之后，我们需要进一步了解VSync信号是如何控制上层的绘制的：

一般，上层需要绘制新的UI都是因为View的requestLayout或者是invalidate方法被调用触发的，我们以这个为起点，跟踪上层View的绘制流程：

  1. requestLayout或者invalidate触发更新视图请求
  2. 更新请求传递到ViewRootImpl中，ViewRootImpl向主线程MessageQueue中加入一个阻塞器，该阻塞器将会拦截所有同步消息，也就是说此时，我们再通过Handler向主线程MessageQueue发送的所有Message都将无法被执行。
  3. ViewRootImpl向Choreographer注册下一个VSync信号
  4. Choreographer通过DisplayEventReceiver向framework层注册下一个VSync信号
  5. 当底层产生下一个VSync消息时，该信号将会发送给DisplayEventReceiver，最后传递给Choreographer
  6. Choreographer收到VSync信号之后，向主线程MessageQueue发送了一个异步消息，我们在第二步提到，ViewRootImpl向MessageQueue发送了一个同步消息阻塞器。这里Choreographer发送的异步消息，是不会被阻塞器拦截的。
  7. 最后，异步消息的执行者是ViewRootImpl，也就是真正开始绘制下一帧了

至此，底层的VSync控制上层的逻辑就解释完了，此时上层绘制图形的流程与VSync信号的关系可以用下图表示：

时间从屏幕显示第0帧开始，CPU开始准备第1帧图形的处理，好了之后交给GPU进行处理，在上层收到下一个VSync之后，CPU立马开始第2帧的处理，上层绘图的节奏就和VSync信号保持一致了，整个绘图非常流畅。

然而，理想很丰满，现实很骨感，如果CPU和GPU没能在下一个VSync信号到来之前完成下一帧的绘制工作，又会是怎么样的呢？

还是从屏幕显示第A帧开始，时间进入第一个16.6ms，CPU和GPU合成第B帧，当下一个VSync信号到来的时候，GPU未能及时完成第B帧的绘制，此时，GPU占有一个Surface里的Buffer，而同时SurfaceFlinger又持有一个Buffer用于合成显示下一帧到屏幕，这样的话，就导致Surface里的两个缓冲区都被占用了。此时SurfaceFlinger只能使用第A帧已经准备好的Buffer来合成，GPU继续在另一个缓冲区中合成第B帧，此时CPU无法开始下一帧的合成，因为缓冲区用完了。另外一个不好的事情是CPU只有在VSync信号来的时候才开始绘制下一帧，也是就是说在第二个16.6ms时间内，CPU一直处于空闲状态，未进行下一帧的计算。

只有等到第二个VSync信号来了之后，CPU才开始在绘制下一帧。如果CPU和GPU需要合成的图形太多，将会导致连续性的卡顿，如果CPU和GPU大部分时候都无法在16.6ms完成一帧的绘制，将会导致连续的卡顿现象。别着急，请看看Google的决绝方案。

2.3 parallel processing and triple buffering

没错，就是加入第三个Buffer，CPU和GPU还有SurfaceFlinger各占一个Buffer，并行处理图形：

从上图可以看出，在第一个VSync到来时，尽管SurfaceFlinger占了一个Buffer，GPU又占了一个Buffer，CPU仍然可以在第三个Buffer中开始下一帧的计算，整个显示过程就开始时卡顿了一帧，之后都是流畅的。

当然系统并非一直开启三个Buffer，因为Buffer是需要消耗资源的，并且，我们会发现，上图中，GPU处理好的图形，需要跨越两个VSync信号，才能显示。这样的话，给用户的影响是一个延迟的现象。

为了解决该问题，我们需要再次从上层往下层了解Android绘制图形的各个细节，并进行优化。对于应用程序开发人员来说，重点还是上层的优化，对自己的应用程序的内存，UI，数据等进行优化。

总结：

  • Android通过Buffer来保存图形信息，为了让图形显示的更加流程，在提供一一个Buffer用于显示的同时，开辟一个或者多个Buffer用于后台图形的合成。
  • Android4.1之前，VSync信号并未传递给上层，导致生产与消费节奏不统一
  • Android4.1之后，上层开始绘制时机都放到了VSync信号的到来时候
  • 除了在上层引入VSync机制，Anroid在4.1还加入了三缓冲，用来减少卡顿的产生
  • 每个Surface都有自己的绘制流程，需要先经过CPU处理，再经过GPU处理，之后经过SurfaceFlinger与其他Surface绘制好的图形和合成在一起，供屏幕显示
  • VSync信号贯穿整个绘制流程，控制着整个Android图形系统的节奏

以上内容可能有不对的地方，希望各路大神指教！

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