Android应用程序与SurfaceFlinger服务之间的共享UI元数据(SharedClient)的创建过程分析

简介:

 在前面一篇文章中,我们分析了Android应用程序与SurfaceFlinger服务的连接过程。Android应用程序成功连接上SurfaceFlinger服务之后,还需要一块匿名共享内存来和SurfaceFlinger服务共享它的UI元数据,以便使得SurfaceFlinger服务可以正确地为它创建以及渲染Surface。在本文中,我们将详细地分析这块用来保存UI元数据的匿名共享内存的创建过程。

       在Android应用程序与SurfaceFlinger服务的关系概述和学习计划一文中提到,用来保存Android应用程序的UI元数据的匿名共享内存最终是被结构化为一个SharedClient对象来访问的。每一个与UI有关的Android应用程序进程有且仅有一个SharedClient对象,而且这些SharedClient对象是由Android应用程序请求SurfaceFlinger服务创建的:Android应用程序首先获得SurfaceFlinger服务的一个Binder代理接口,然后再通过这个代理接口得到另外一个类型为UserClient的Binder代理接口,最后就可以通过后一个Binder代理接口来获得一个SharedClient对象。

       由于每一个与UI有关的Android应用程序进程有且仅有一个SharedClient对象,因此,Android系统就通过一个单例模式的类来专负责创建和管理这个SharedClient对象。这个类的名称为SurfaceClient,定义在frameworks/base/libs/surfaceflinger_client/Surface.cpp文件中,如下所示:

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class  SurfaceClient :  public  Singleton<SurfaceClient>
{
     // all these attributes are constants
     sp<ISurfaceComposer> mComposerService;
     sp<ISurfaceComposerClient> mClient;
     status_t mStatus;
     SharedClient* mControl;
     sp<IMemoryHeap> mControlMemory;
     SurfaceClient()
         : Singleton<SurfaceClient>(), mStatus(NO_INIT)
     {
         sp<ISurfaceComposer> sf(ComposerService::getComposerService());
         mComposerService = sf;
         mClient = sf->createClientConnection();
         if  (mClient != NULL) {
             mControlMemory = mClient->getControlBlock();
             if  (mControlMemory != NULL) {
                 mControl = static_cast<SharedClient *>(
                         mControlMemory->getBase());
                 if  (mControl) {
                     mStatus = NO_ERROR;
                 }
             }
         }
     }
     friend  class  Singleton<SurfaceClient>;
public :
     status_t initCheck()  const  {
         return  mStatus;
     }
     SharedClient* getSharedClient()  const  {
         return  mControl;
     }
     ssize_t getTokenForSurface( const  sp<ISurface>& sur)  const  {
         // TODO: we could cache a few tokens here to avoid an IPC
         return  mClient->getTokenForSurface(sur);
     }
     void  signalServer()  const  {
         mComposerService->signal();
     }
};

      当SurfaceClient类的静态成员函数getInstance第一次被调用的时候,系统就会在对应的应用程序进程中创建一个SurfaceClient对象,即会调用SurfaceClient类的构造函数。SurfaceClient类的构造函数首先会调用ComposerService类的静态成员函数getComposerService来获得一个SurfaceFlinger服务的代理接口,并且保存在SurfaceClient类的成员变量mComposerService中,以便以后可以使用。ComposerService类的静态成员函数getComposerService在前面Android应用程序与SurfaceFlinger服务的连接过程分析一文中已经分析过了,这里不再详述。有了SurfaceFlinger服务的代理接口sf之后,SurfaceClient类的构造函数接着就可以调用它的成员函数createClientConnection来获得一个类型为UserClient的Binder代理接口,这个Binder代理接口实现了ISurfaceComposerClient接口,因此,我们可以将它保存在SurfaceClient类的成员变量mClient中。最后,SurfaceClient类的构造函数就调用前面获得的类型为ISurfaceComposerClient的Binder代理接口mClient的成员函数getControlBlock来获得一块用来描述应用程序UI元数据的匿名共享内存mControlMemory ,并且将这些匿名共享内存强制转化为一个SharedClient对象mControl,以便后面可以方便地访问UI元数据。


       以上就是Android应用程序与SurfaceFlinger服务之间的共享UI元数据(SharedClient)的创建过程的总体描述,接下来我们再详细分析每一步的实现。现在,我们继续分析一下SurfaceClient类的其余成员函数的实现:

       1. 成员函数initCheck用来检查一个Android应用程序进程是否已经成功地请求SurfaceFlinger服务创建了一块用来描述UI元数据的SharedClient对象了。

       2. 成员函数getSharedClient用来返回用来描述UI元数据的SharedClient对象mControl。

       3. 成员函数getTokenForSurface用来返回由参数sur所描述的一个Surface的Token值。这个Token值由SurfaceFlinger服务来创建和管理,并且可以通过前面所获得的类型为UserClient的Binder代理接口mClient的成员函数getTokenSurface来获得。

       4. 成员函数signalServer用来通知SurfaceFlinger服务更新Android应用程序UI,这是通过调用SurfaceFlinger服务的代理接口mComposerService的成员函数signal来实现的,实际上就是向SurfaceFlinger服务发送一个信号,以便可以将它唤醒起来更新UI。

       介绍完成SurfaceClient类的实现之后,我们还需要了解一下两个类的实现,即UserClient类和SharedClient类的实现,以便可以帮助我们了解用来保存Android应用程序的UI元数据的匿名共享内存的创建过程,以及帮助后面两篇文章对Surface的创建和渲染过程的分析。

       接下来,我们就首先分析UserClient类的实现,接着再分析SharedClient类的实现。

       在Android应用程序与SurfaceFlinger服务的连接过程分析一文的图2中,我们介绍了用来连接Android应用程序和SurfaceFlinger服务的Client类,而UserClient类和Client类是类似的,它们都实现了相同的接口,只不过是侧重点有所不同。Android应用程序与SurfaceFlinger服务的连接过程分析一文的图2中的Client类替换成UserClient类,就可以得到UserClient类的实现结构图,如图1所示:


图1 UserClient类的实现结构图

      UserClient类与Client类最重要的区别是,前者实现了ISurfaceComposerClient接口的成员函数getControlBlock,而后者实现了ISurfaceComposerClient接口的成员函数createSurface。后面我们就会分析UserClient类是如何实现ISurfaceComposerClient接口的成员函数getControlBlock的。

      UserClient类的实现暂时就介绍到这里,接下来我们来看SharedClient类的实现。为了方便描述,我们把Android应用程序与SurfaceFlinger服务的关系概述和学习计划一文的图4和图5贴出来,如以下图2和图3所示:


图2 用来描述Android应用程序的UI元数据的SharedClient

图3 SharedBufferStack的结构示意图

       每一个SharedClient对象包含了至多31个SharedBufferStack,而每一个SharedBufferStack都对应一个Android应用程序进程中的一个Surface。

       SharedClient类定义在文件frameworks/base/include/private/surfaceflinger/SharedBufferStack.h 文件中,如下所示:

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class  SharedClient
{
public :
     SharedClient();
     ~SharedClient();
     ......
private :
     ......
     SharedBufferStack surfaces[ SharedBufferStack::NUM_LAYERS_MAX ];
};

       它有一个大小为SharedBufferStack::NUM_LAYERS_MAX的SharedBufferStack数组。SharedBufferStack::NUM_LAYERS_MAX的值等于31,定义在SharedBufferStack类中。


       SharedBufferStack类同样是定义在文件frameworks/base/include/private/surfaceflinger/SharedBufferStack.h 文件中,如下所示:

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class  SharedBufferStack
{
     ......
public :
     // When changing these values, the COMPILE_TIME_ASSERT at the end of this
     // file need to be updated.
     static  const  unsigned  int  NUM_LAYERS_MAX  =  31 ;
     static  const  unsigned  int  NUM_BUFFER_MAX  =  16 ;
     static  const  unsigned  int  NUM_BUFFER_MIN  =  2 ;
     static  const  unsigned  int  NUM_DISPLAY_MAX =  4 ;
     ......
     struct SmallRect {
         uint16_t l, t, r, b;
     };
    struct FlatRegion {
         static  const  unsigned  int  NUM_RECT_MAX =  5 ;
         uint32_t    count;
         SmallRect   rects[NUM_RECT_MAX];
     };
     struct BufferData {
         FlatRegion dirtyRegion;
         SmallRect  crop;
         uint8_t transform;
         uint8_t reserved[ 3 ];
     };
     SharedBufferStack();
     ......
     status_t setDirtyRegion( int  buffer,  const  Region& reg);
     status_t setCrop( int  buffer,  const  Rect& reg);
     status_t setTransform( int  buffer, uint8_t transform);
     Region getDirtyRegion( int  buffer)  const ;
     Rect getCrop( int  buffer)  const ;
     uint32_t getTransform( int  buffer)  const ;
     // these attributes are part of the conditions/updates
     volatile  int32_t head;       // server's current front buffer
     volatile  int32_t available;  // number of dequeue-able buffers
     volatile  int32_t queued;     // number of buffers waiting for post
     ......
     // not part of the conditions
     ......
     volatile  int8_t index[NUM_BUFFER_MAX];
     ......
                               
     int8_t      headBuf;         // last retired buffer
     ......
     BufferData  buffers[NUM_BUFFER_MAX]; 
};

      下面我们简要地对SharedBufferStack类进行分析。


       首先,SharedBufferStack类在内部定义了四个常量:

NUM_LAYERS_MAX -- 表示一个Android应用程序最多可以有NUM_LAYERS_MAX个Layer,可以将一个Layer理解为一个Surface。

NUM_BUFFER_MAX -- 表示一个SharedBufferStack至多可以有NUM_BUFFER_MAX个UI元数据缓冲区。

NUM_BUFFER_MIN -- 表示一个SharedBufferStack至少要有UM_BUFFER_MIN个UI元数据缓冲区。

NUM_DISPLAY_MAX -- 表示Android系统至多可以支持NUM_DISPLAY_MAX个显示屏。

       从这些常量就可以看出:

       1. Android系统至多支持4个显示屏。

       2. 一个Android应用程序至多可以同时创建31个Surface。

       3. 一个Surface可以有2~16个UI元数据缓冲区,即可以使用2~16缓冲区技术来渲染Surface。

       其次,SharedBufferStack类在内部定义了三个结构体:

SmallRect -- 用来描述一个矩形区域,其中,成员变量l、t,、r和b分别表示左上和右下两个角的位置。

FlatRegion -- 用来描述一个SmallRect数组rects ,数组的大小为NUM_RECT_MAX,但是实际个数为count。

BufferData -- 用来描述一个UI元数据缓冲区,它有四个成员变量dirtyRegion、crop、transform和reserved,其中,dirtyRegion用来描述一个Surface需要更新的区域,即裁剪区域,crop用来描述一个Surface的纹理坐标,transform用来描述一个Surface的旋转方向,例如,旋转90度或者上下翻转等等,而reserved是保留给以后使用的。通过这个UI元数据缓冲区,SurfaceFlinger服务就可以正确地把一个Surface的图形缓冲区所描述的图形渲染到屏幕来。

       SharedBufferStack类有一个BufferData数组buffers,它的大小为NUM_BUFFER_MAX,即16,就是用来一组UI元数据缓冲区的,这些UI元数据缓冲区的内容可以分别通过setDirtyRegion、setCrop、setTransform、getDirtyRegion、getCropgetTransform这六个成员函数来访问。这六个成员函数的第一个参数均为一个int值,用来描述要访问的是哪一个BufferData的数据。

       SharedBufferStack类还有另外一个类型为int8_t的数组index,它的大小也为NUM_BUFFER_MAX。这个index数组才是一个真正的Stack,它按照一定的规则来访问。index数组的每一个元素的值均是一个索引值,用来映射到数组buffers中去的。例如,假设index[0]的值等于2,那么它就对应数组buffers中的第2个元素,即buffers[2]

       SharedBufferStack类的其余重要成员变量的含义如下所示:

head -- 用来描述一个SharedBufferStack的头部,它是一个索引值,是映射到数组index中去的。

available -- 用来描述一个SharedBufferStack中的空闲UI元数据缓冲区的个数。

queued -- 用来描述一个SharedBufferStack中的已经补使用了的UI元数据缓冲区的个数,即那些在排队等待SurfaceFlinger服务使用的UI元数据缓冲区。

headBuf -- 用来描述一个SharedBufferStack的头部所对应的UI元数据缓冲区的编号,这个编号是映射到数组buffers中去。

       关于SharedBufferStack类的实现,我们就暂时介绍到这里,在下一篇文章分析Android应用程序的Surface创建过程时,我们再通过SharedBufferServer类和SharedBufferClient类的实现来进一步理解SharedBufferStack类的实现。

       现在,我们就开始详细分析Android应用程序与SurfaceFlinger服务之间的共享UI元数据的创建过程,如图4所示:


图 4 Android应用程序的共享UI元数据的创建过程

       接下来我们就详细分析每一个步骤。

       Step 1. SurfaceFlinger::createClientConnection

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sp<ISurfaceComposerClient> SurfaceFlinger::createClientConnection()
{
     sp<ISurfaceComposerClient> bclient;
     sp<UserClient> client( new  UserClient( this ));
     status_t err = client->initCheck();
     if  (err == NO_ERROR) {
         bclient = client;
     }
     return  bclient;
}

       SurfaceFlinger类的成员函数createClientConnection实现在文件frameworks/base/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp中,它的实现很简单,只是创建了一个类型为UserClient的Binder对象client,并且获得它的一个ISurfaceComposerClient接口,最后将这个ISurfaceComposerClient接口,即一个UserClient代理对象,返回给Android应用程序进程。


       接下来,我们再继续分析UserClient对象的创建过程,,即UserClient类的构造函数的实现。

        Step 2. new UserClient

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UserClient::UserClient( const  sp<SurfaceFlinger>& flinger)
     : ctrlblk( 0 ), mBitmap( 0 ), mFlinger(flinger)
{
     const  int  pgsize = getpagesize();
     const  int  cblksize = ((sizeof(SharedClient)+(pgsize- 1 ))&~(pgsize- 1 ));
     mCblkHeap =  new  MemoryHeapBase(cblksize,  0 ,
             "SurfaceFlinger Client control-block" );
     ctrlblk = static_cast<SharedClient *>(mCblkHeap->getBase());
     if  (ctrlblk) {  // construct the shared structure in-place.
         new (ctrlblk) SharedClient;
     }
}

       UserClient类的成员变量mFlinger是一个类型为SurfaceFlinger的强指针,它指向了SurfaceFlinger服务, UserClient类的另外一个成员变量mBitmap是一个int32_t值,它是用来为Android应用程序的Surface分配Token值的,即如果它的第n位等于1,那么就表示值等于n的Token已经被分配出去使用了。


       UserClient类的构造函数首先得到一个SharedClient对象的大小,接着再将这个大小对齐到页面边界,于是就得到了接下来要创建的匿名共享块的大小cblksize。这块匿名共享内存是一个MemoryHeapBase对象描述的,并且保存在UserClient类的成员变量mCblkHeap。MemoryHeapBase类是用来创建匿名共享内存的一个C++接口,它的实现原理可以参考Android系统匿名共享内存(Anonymous Shared Memory)C++调用接口分析一文。

       UserClient类的构造函数得到了一块匿名共享内存之后,紧接着就在这块匿名共享内存上创建了一个SharedClient对象,并且保存在UserClient类的成员变量ctrlblk中,以便后面可以通过它来访问Android应用程序的UI元数据。

       回到SurfaceFlinger类的成员函数createClientConnection中,它将一个指向了一个UserClient对象的ISurfaceComposerClient接口返回到Android应用程序进程之后,Android应用程序进程就可以将它封装成一个类型为BpSurfaceComposerClient的Binder代理对象。

       Step 3. return BpSurfaceComposerClient

       将一个Binder代理对象封装成一个BpSurfaceComposerClient的过程可以参考前面Android应用程序与SurfaceFlinger服务的连接过程分析一文中的Step 4。

       Step 4. UserClient::getControlBlock

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sp<IMemoryHeap> UserClient::getControlBlock()  const  {
     return  mCblkHeap;
}

       从前面的Step 2可以知道,UserClient类的成员变量mCblkHeap指向了一块匿名共享内存,UserClient类将这块匿名共享内存返回给Android应用程序之后,Android应用程序就会将它结构化成一个SharedClient对象来访问,并且保存在SurfaceClient类的成员变量mControl中,这个结构化过程就可以参考前面所描述的SurfaceClient类的构造函数了。


       至此,用来描述Android应用程序的UI元数据的一个SharedClient对象的创建过程就分析完了。以后当Android应用程序请求SurfaceFlinger服务创建一个Surface的时候,SurfaceFlinger服务就会从这个SharedClient对象中取出一个SharedBufferStack出来,以便可以用作这个Surface的UI元数据缓冲区。在接下来的一篇文章中,我们将详细描述Android应用程序请求SurfaceFlinger服务创建Surface的过程,敬请期待!





本文转自 Luoshengyang 51CTO博客,原文链接:http://blog.51cto.com/shyluo/1242305,如需转载请自行联系原作者
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