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Android-Surface之双缓冲及SurfaceView解析

概述

注:本文基于Android 10源码,为了文章的简洁性,引用源码的地方可能有所删减。文中内容如有错误欢迎指出,共同进步!觉得不错的留个赞再走哈~

上一篇 Android-Surface之创建流程及软硬件绘制 介绍了一下 Surface 的创建流程以及 Android 软硬件绘制的流程,可以将流程总结为下图:

Android 软硬件绘制流程

这篇文章再看看在 View 绘制过程中所用到的双缓冲技术,双缓冲的使用范围非常广泛,比如说在屏幕图像显示的时候就应用到了双缓冲 -- 分为屏幕前缓冲区和屏幕后缓冲区,此外还有三缓冲的概念...这篇文章主要看看 View 在绘制的过程中是怎么使用双缓冲的。

双缓冲(View绘制过程)

一般来说将双缓冲用到的两块缓冲区称为 -- 前缓冲区(front buffer) 和 后缓冲区(back buffer)。显示器显示的数据来源于 front buffer 前缓存区,而每一帧的数据都绘制到 back buffer 后缓存区,在 Vsync 信号到来后会交互缓存区的数据(指针指向),这时 front buffer 和 back buffer 的称呼及功能倒转。

软件绘制中的双缓冲

通过之前 Android-Surface之创建流程及软硬件绘制 的解析知道软件绘制可分为三个步骤:

  1. Surface.lockCanvas: 会调用到 Native 层的 Surface.lock 方法
  2. View.draw: 将绘制数据写入缓存区
  3. Surface.unlockCanvasAndPost: 会调用到 Native 层 Surface.unlockAndPost 方法

双缓冲的解析可以从 Native 层的 Surface.lock 方法开始看起:

status_t Surface::lock(ANativeWindow_Buffer* outBuffer, ARect* inOutDirtyBounds) {
    ANativeWindowBuffer* out;
    // 通过生产者从 QueueBuffer 队列中取出一块空闲的图形缓存区--GraphicBuffer
    status_t err = dequeueBuffer(&out, &fenceFd);
    // 将 GraphicBuffer 赋值给后缓存区 backBuffer
    sp<GraphicBuffer> backBuffer(GraphicBuffer::getSelf(out));
    const Rect bounds(backBuffer->width, backBuffer->height);
    // 计算新的脏区--1处图
    Region newDirtyRegion;
    if (inOutDirtyBounds) {
        // App 通过调用 lockCanvas(Rect inOutDirty) 传递了一个脏区
        // 则将传入的 inOutDirty 作为新的脏区
        newDirtyRegion.set(static_cast<Rect const&>(*inOutDirtyBounds));
        newDirtyRegion.andSelf(bounds);
    } else {// 否则将后缓存区大小作为脏区
        newDirtyRegion.set(bounds);
    }
    // 将正在显示的 mPostedBuffer 缓存区赋值给 frontBuffer 前缓存区
    const sp<GraphicBuffer>& frontBuffer(mPostedBuffer);
    // 是否需要将前缓存区拷贝到后缓存区
    // 前缓存区有内容 && 前后缓存区的长宽及格式一样
    // 第一次绘制时 frontBuffer 是没内容的
    const bool canCopyBack = (frontBuffer != 0 &&
            backBuffer->width  == frontBuffer->width &&
            backBuffer->height == frontBuffer->height &&
            backBuffer->format == frontBuffer->format);

    if (canCopyBack) {
        // 可以拷贝时--2处图
        // copy the area that is invalid and not repainted this round
        const Region copyback(mDirtyRegion.subtract(newDirtyRegion));
        if (!copyback.isEmpty()) {
            copyBlt(backBuffer, frontBuffer, copyback, &fenceFd);
        }
    } else {
        // 不能拷贝时,后缓存区直接取新脏区的区域,确保重绘整个区域
        newDirtyRegion.set(bounds);
        mDirtyRegion.clear();
        Mutex::Autolock lock(mMutex);
        for (size_t i=0 ; i<NUM_BUFFER_SLOTS ; i++) {
            mSlots[i].dirtyRegion.clear();
        }
    }
    // 锁定 backBuffer
    status_t res = backBuffer->lockAsync(GRALLOC_USAGE_SW_READ_OFTEN | GRALLOC_USAGE_SW_WRITE_OFTEN,
                newDirtyRegion.bounds(), &vaddr, fenceFd);
    if (res != 0) {
        err = INVALID_OPERATION;
    } else {
        // 将后缓存区赋值给 mLockedBuffer
        mLockedBuffer = backBuffer;
        outBuffer->width  = backBuffer->width;
        outBuffer->height = backBuffer->height;
        outBuffer->stride = backBuffer->stride;
        outBuffer->format = backBuffer->format;
        outBuffer->bits   = vaddr;
    }
    return err;
}
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上图的注释都比较清晰了,看一下上面标数字的 1 和 2 处逻辑:

软件绘制双缓冲

在拷贝后,后缓存区浅绿色的部分就是要重绘的区域,而绿色区域是之前前缓存区显示的内容,与脏区相交的部分要重绘,未相交的区域则不需要重绘,下次显示时接着使用该区域即可。

接下来看看 Surface.unlockAndPost 方法,其中 mLockedBuffer 在 lock 方法中被赋值为 backBuffer:

status_t Surface::unlockAndPost() {
    int fd = -1;
    // 解锁 mLockedBuffer
    status_t err = mLockedBuffer->unlockAsync(&fd);
    // 将绘制后的缓存区入队列,等待被合成显示
    err = queueBuffer(mLockedBuffer.get(), fd);
    // 赋值给 mPostedBuffer,代表要被显示的数据
    mPostedBuffer = mLockedBuffer;
    mLockedBuffer = 0;
    return err;
}
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小结

Surface.lock:

  1. 将出队列的空闲缓存区 GraphicBuffer 赋给后缓存区 backBuffer,将正在显示的 mPostedBuffer 赋给前缓存区。
  2. 计算新的脏区,并确定是否需要将前缓存区拷贝到后缓存区,依此计算出后缓存区 backBuffer 的最终数据。然后将 backBuffer 与应用层的 Canvas 关联,当操作 Canvas 绘图时会将数据绘制到 backBuffer 上。
  3. 锁定 backBuffer 且将 backBuffer 指针赋值给 mLockedBuffer。

Surface.unlockAndPost:

  1. 将存有绘制数据的 mLockedBuffer 解锁并将其赋值给 mPostedBuffer。
  2. 将 mLockedBuffer 入 BufferQueue 队列,等待被合成显示,在这里便相当于交换了前后缓冲区的指针,等到下次绘制时,接着重复上面的步骤。

硬件绘制中的双缓冲

由之前的解析可以知道硬件绘制最终会调用 CanvasContext.draw 方法来绘制:

void CanvasContext::draw() {
    SkRect dirty;
    mDamageAccumulator.finish(&dirty);
    Frame frame = mRenderPipeline->getFrame();
    // 计算脏区
    SkRect windowDirty = computeDirtyRect(frame, &dirty);
    // 渲染
    bool drew = mRenderPipeline->draw(frame, windowDirty, dirty, mLightGeometry, &mLayerUpdateQueue,
                                      mContentDrawBounds, mOpaque, mWideColorGamut, mLightInfo,
                                      mRenderNodes, &(profiler()));
    // 交换缓存区
    bool didSwap = mRenderPipeline->swapBuffers(frame, drew, windowDirty, mCurrentFrameInfo, &requireSwap);
    // ...
}
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具体的代码比较复杂(看不太懂了),通过相关的调用大概可以看出硬件绘制时应该也是存在双缓冲的,有兴趣的话可以再深入看看,有大佬知道的欢迎指点!

SurfaceView

概述

SurfaceView 是一种较之 TextView, Button 等更为特殊的 View, 它不与其宿主的 Window 共享一个 Surface, 而是有自己的独立 Surface。并且它可以在一个独立的线程中绘制 UI。因此 SurfaceView 一般用来实现比较复杂的图像或动画/视频的显示。

这里插入一个内容,关于 View 为啥不能在子线程中操作 UI 的话可以看看 ViewRootImpl.checkThread 这个方法,参考 ViewRootImpl.checkThread 方法 其实就是因为每次操作 UI 都会去 check 线程,当然前提是 ViewRootImpl 已经被实例化了~

  • SurfaceView 在绘图时实现了双缓冲机制(独立的 Surface)
  • 普通 View 在绘图时会绘制到 Bitmap 中,然后通过其所在 Window 的 Surface 对象实现双缓冲。

一般来说,每个 Window 都有对应的 Surface 绘制表面,它在 SurfaceFlinger 服务中对应一个 Layer。而对于存在 SurfaceView 的 Window 来说,它除了自己的 Surface 以外还会有另一个 SurfaceView 独有的 Surface 绘制表面,在 SurfaceFlinger 服务中也会存在着两个 Layer 分别对应它们。查看 SurfaceView 的源码可以看到 SurfaceView 类似于 ViewRootImpl 一样其内部都有一个单独的 Surface 实例,于是结合之前 Android-Surface之创建流程及软硬件绘制 的解析,就能理解刚才对 SurfaceView 的描述了。

SurfaceView 官方注释有一段: The surface is Z ordered so that it is behind the window holding its SurfaceView; the SurfaceView punches a hole in its window to allow its surface to be displayed.

翻译一下大体意思是:Surface 是按照 Z 轴顺序排列的,SurfaceView 的 Surface 位于其宿主窗口的 Surface 后面;SurfaceView 在其窗口上打一个孔,以显示其 Surface。这个孔实际上是 SurfaceView 在其宿主窗口上设置了一块透明区域。

示例

接下来看一个使用 SurfaceView 的示例:

class MySurfaceView(context: Context?, attrs: AttributeSet?, defStyleAttr: Int) :
    SurfaceView(context, attrs, defStyleAttr), SurfaceHolder.Callback, Runnable {

    companion object {
        private const val TAG = "MySurfaceView"
    }

    private val surfaceHolder: SurfaceHolder = holder
    private var canvas: Canvas? = null

    @Volatile
    private var canDoDraw = false
    private val drawThread = Thread(this)
    private val lock = Object()

    private var xx = 0f
    private var yy = 400f
    private val path = Path()
    private val paint = Paint()

    constructor(context: Context?) : this(context, null, 0)
    constructor(context: Context?, attrs: AttributeSet?) : this(context, attrs, 0)

    init {
        surfaceHolder.addCallback(this)
        isFocusable = true
        isFocusableInTouchMode = true
        keepScreenOn = true
        path.moveTo(xx, yy)
        paint.style = Paint.Style.STROKE
        paint.strokeWidth = 10f
        paint.color = Color.RED
        drawThread.start()
    }

    override fun surfaceCreated(holder: SurfaceHolder?) {
        Log.d(TAG, "surfaceCreated")
        setCanDraw(true)
    }

    override fun surfaceChanged(holder: SurfaceHolder?, format: Int, width: Int, height: Int) {
        Log.d(TAG, "surfaceChanged")
    }

    override fun surfaceDestroyed(holder: SurfaceHolder?) {
        Log.d(TAG, "surfaceDestroyed")
        canDoDraw = false
        // 注意当APP到后台时会 destroy Surface, 回到前台会重新调用 surfaceCreated
        // 因此这里不能移除回调,否则会黑屏
        // surfaceHolder.removeCallback(this)
    }

    override fun onTouchEvent(event: MotionEvent?): Boolean {
        Log.d(TAG, "onTouchEvent")
        setCanDraw(!canDoDraw)
        return super.onTouchEvent(event)
    }

    private fun setCanDraw(canDraw: Boolean) {
        if (canDraw) {
            synchronized(lock) {
                try {
                    lock.notifyAll()
                } catch (e: Exception) {
                }
            }
        }
        canDoDraw = canDraw
    }

    override fun run() {
        while (true) {
            synchronized(lock) {
                if (!canDoDraw) {
                    try {
                        lock.wait()
                    } catch (e: Exception) {
                        e.printStackTrace()
                    }
                }
            }
            draw()
            xx += 1
            yy = (100 * sin(xx * 2 * Math.PI / 180) + 400).toFloat()
            path.lineTo(xx, yy)
        }
    }

    private fun draw() {
        try {
            canvas = surfaceHolder.lockCanvas()
            canvas?.drawColor(Color.WHITE)
            canvas?.drawPath(path, paint)
        } catch (e: Exception) {
            e.printStackTrace()
        } finally {
            surfaceHolder.unlockCanvasAndPost(canvas ?: return)
        }
    }
}
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源码解析

先看一下 SurfaceHolder 这个接口:

public interface SurfaceHolder {
    public interface Callback {
        // 首次创建 Surface 后会调用此方法,在这个回调里应该开始绘制任务
        // 只有一个线程可以绘制到 Surface 中,如果渲染任务将在另一个线程中进行则不能在此处绘制 Surface
        public void surfaceCreated(SurfaceHolder holder);

        // 当 Surface 结构更改(format or size)后会调用此方法,在这个回调里应该更新 Surface 的图像
        public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width, int height);

        // 在 Surface destroy 之前会调用此方法,在这个回调以后不应该尝试访问此 Surface
        public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder);
    }

    public void addCallback(Callback callback);
    public void removeCallback(Callback callback);
    // 是否正在通过 Callback 方法创建 Surface
    public boolean isCreating();
    public void setType(int type); // Sets the surface's type.
    public void setFixedSize(int width, int height);
    public void setSizeFromLayout();
    public void setFormat(int format);
    // Enable or disable option to keep the screen turned on while this surface is displayed.
    public void setKeepScreenOn(boolean screenOn); // 默认 false
    public Canvas lockCanvas();
    public Canvas lockCanvas(Rect dirty);
    default Canvas lockHardwareCanvas() {
        throw new IllegalStateException("This SurfaceHolder doesn't support lockHardwareCanvas");
    }
    public void unlockCanvasAndPost(Canvas canvas);
    public Rect getSurfaceFrame();
    public Surface getSurface();
}
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可以看出 SurfaceHolder 是用来管理 Surface 的类。接下来看下 SurfaceView 的 draw 源码:

@Override
public void draw(Canvas canvas) {
    if (mDrawFinished && !isAboveParent()) {
        // draw() is not called when SKIP_DRAW is set
        if ((mPrivateFlags & PFLAG_SKIP_DRAW) == 0) {
            // punch a whole in the view-hierarchy below us
            canvas.drawColor(0, PorterDuff.Mode.CLEAR);
        }
    }
    super.draw(canvas);
}

@Override
protected void dispatchDraw(Canvas canvas) {
    if (mDrawFinished && !isAboveParent()) {
        // draw() is not called when SKIP_DRAW is set
        if ((mPrivateFlags & PFLAG_SKIP_DRAW) == PFLAG_SKIP_DRAW) {
            // punch a whole in the view-hierarchy below us
            canvas.drawColor(0, PorterDuff.Mode.CLEAR);
        }
    }
    super.dispatchDraw(canvas);
}
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SurfaceView 方法中 draw 和 dispatchDraw 的参数 canvas 是从宿主的 Surface 中获取的,因此在该 canvas 上绘制的内容都会出现在宿主的 Surface 上。

所以可以看到 SurfaceView.draw 和 SurfaceView.dispatchDraw 方法的逻辑是:如果当前 SurfaceView 不是用作宿主窗口面板,则 SurfaceView 在其宿主窗口 Surface 上的操作只是清空 Canvas 区域,因为 SurfaceView 的内容是需要展现在自己单独的 Surface 上的(像上面的示例一样,通过其 Surface 拿到一个 Canvas 并在一个独立线程在其上进行绘制)。

接着看一下 SurfaceView 中 SurfaceHolder 的实现:

public class SurfaceView extends View implements ViewRootImpl.WindowStoppedCallback {
    final ArrayList<SurfaceHolder.Callback> mCallbacks = new ArrayList<>();
    final ReentrantLock mSurfaceLock = new ReentrantLock();
    final Surface mSurface = new Surface();

    public SurfaceHolder getHolder() {
        return mSurfaceHolder;
    }

    private final SurfaceHolder mSurfaceHolder = new SurfaceHolder() {
        @Override
        public void addCallback(Callback callback) {
            synchronized (mCallbacks) { // 添加回调
                if (mCallbacks.contains(callback) == false) {
                    mCallbacks.add(callback);
                }
            }
        }

        @Override
        public void setFixedSize(int width, int height) {
            if (mRequestedWidth != width || mRequestedHeight != height) {
                mRequestedWidth = width;
                mRequestedHeight = height;
                requestLayout(); // 重新 layout
            }
        }

        @Override
        public void setKeepScreenOn(boolean screenOn) {
            runOnUiThread(() -> SurfaceView.this.setKeepScreenOn(screenOn));
        }

        @Override
        public Canvas lockCanvas() {
            return internalLockCanvas(null, false);
        }

        @Override
        public Canvas lockCanvas(Rect inOutDirty) {
            return internalLockCanvas(inOutDirty, false);
        }

        @Override
        public Canvas lockHardwareCanvas() {
            return internalLockCanvas(null, true);
        }

        // 锁定 Surface
        private Canvas internalLockCanvas(Rect dirty, boolean hardware) {
            mSurfaceLock.lock();

            Canvas c = null;
            if (!mDrawingStopped && mSurfaceControl != null) {
                try {
                    if (hardware) { // 硬件渲染
                        c = mSurface.lockHardwareCanvas();
                    } else { // 软件渲染
                        c = mSurface.lockCanvas(dirty);
                    }
                } catch (Exception e) {
                    Log.e(LOG_TAG, "Exception locking surface", e);
                }
            }

            if (c != null) {
                mLastLockTime = SystemClock.uptimeMillis();
                return c;
            }

            // 当返回 null 时使 internalLockCanvas 被调用的间隔超过100ms
            long now = SystemClock.uptimeMillis();
            long nextTime = mLastLockTime + 100;
            if (nextTime > now) {
                try {
                    Thread.sleep(nextTime-now);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                now = SystemClock.uptimeMillis();
            }
            mLastLockTime = now;
            mSurfaceLock.unlock();

            return null;
        }

        @Override
        public void unlockCanvasAndPost(Canvas canvas) {
            mSurface.unlockCanvasAndPost(canvas);
            mSurfaceLock.unlock();
        }

        @Override
        public Surface getSurface() {
            return mSurface;
        }

        // ...
    }
}
复制代码

可以看出调用 SurfaceHolder 的 lock 和 unlock 系列方法都是调用到了 Surface 中的方法。除了 lockHardwareCanvas 方法,其他的在 Android-Surface之创建流程及软硬件绘制 中都已经看过了:

// Surface
public Canvas lockHardwareCanvas() {
    synchronized (mLock) {
        checkNotReleasedLocked();
        if (mHwuiContext == null) {
            mHwuiContext = new HwuiContext(false);
        }
        return mHwuiContext.lockCanvas(nativeGetWidth(mNativeObject), nativeGetHeight(mNativeObject));
    }
}

// HwuiContext
Canvas lockCanvas(int width, int height) {
    if (mCanvas != null) {
        throw new IllegalStateException("Surface was already locked!");
    }
    mCanvas = mRenderNode.start(width, height);
    return mCanvas;
}
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可以看到 HwuiContext.lockCanvas 是使用硬件加速的方式,其调用的 RenderNode.start 之前已经看过了,与之对应的 RenderNode.end 方法是在这里调用的:

// Surface
public void unlockCanvasAndPost(Canvas canvas) {
    synchronized (mLock) {
        checkNotReleasedLocked();

        if (mHwuiContext != null) { // 不为空时
            mHwuiContext.unlockAndPost(canvas);
        } else {
            unlockSwCanvasAndPost(canvas);
        }
    }
}

// HwuiContext
void unlockAndPost(Canvas canvas) {
    if (canvas != mCanvas) {
        throw new IllegalArgumentException("canvas object must be the same instance that "
                + "was previously returned by lockCanvas");
    }
    mRenderNode.end(mCanvas);
    mCanvas = null;
    nHwuiDraw(mHwuiRenderer);
}
复制代码

即 SurfaceView 的绘制兼顾了软件绘制和硬件加速绘制。另外在 SurfaceView.updateSurface 方法中会更新 Surface 的状态并将其回调给 SurfaceHolder.Callback 相关方法,具体逻辑便不给出了。

总结

关于 Surface 的解析到这里就差不多了,后面我会将 Android 图形系统中涉及到的这几篇文章整体总结一下,如有遗漏的内容有时间也会接着补充。源码解读可能会存在错误的地方,有发现的朋友欢迎指正,一键三连哈!