Android 12(S) 图形显示系统 – BufferQueue的工作流程(八)

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题外话


最近总有一个感觉:在不断学习中,越发的感觉自己的无知,自己是不是要从“愚昧之巅”掉到“绝望之谷”了,哈哈哈?

邓宁-克鲁格效应

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一、前言


前面的文章中已经讲解了如何去创建一个Surface,也讲了一些操作Surface的知识,接下来就是如何利用这个Surface进行绘图呢?

在此开始讲解buffer queue的工作流程,看看图形数据是怎样流转的? 图形缓冲区的申请和消费流程是怎样的?有哪些核心类?等等问题在接下来的文章中陆续展开。

这篇文章中,先介绍一些基本概念的东西,帮助后续内容展开打下基础。

  • 生产者与消费者模型
  • 关于图形缓冲区队列的核心类
  • BufferState介绍
  • BufferSlot介绍
  • 一些buffer数组的介绍

二、生产者与消费者模型


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在Android 12系统中,BLASTBufferQueue中完成buffer queue相关组件的初始化。整个生产消费模型都在客户端,图形缓冲区的出队、入队、获取等操作都在客户端完成,预示着生产者模型从远程通讯变成了本地通讯。带来的改变就是客户端需要通过事务Transaction来向SF端提交Buffer与图层的属性。

三、关于图形缓冲区队列的核心类


先给出一个涉及到的相关类的关系图,这幅图并不完整,很多细节也没有呈现出来,只是大概描述各元素间的关系,便于我们看到全貌。

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其中几个比较重要的类,也是后面出场次数比较多的有:

  • BLASTBufferQueue
  • BufferQueueCore
  • BufferQueueProducer
  • BufferQueueConsumer
  • Surface
  • SurfaceControl

四、BufferSlot介绍


源码

/frameworks/native/libs/gui/include/gui/BufferSlot.h

定义

BufferSlot理解为缓冲槽,一个存放buffer及其信息的地方。这个结构体中主要有如下内容:

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我们主要看一下几个成员变量:

  • mGraphicBuffer代表一块图形缓冲区GraphicBuffer,用于存储绘制图形的数据;
  • mBufferState类型为BufferState,标记当前buffer slot所处的状态;
  • mNeedsReallocation,是否需要重新分配这个buffer;
  • mFence,用于资源同步

关于mFence的解释,源码中有以断详细的注释,我觉得很值得读一读:

    // mFence is a fence which will signal when work initiated by the
    // previous owner of the buffer is finished. When the buffer is FREE,
    // the fence indicates when the consumer has finished reading
    // from the buffer, or when the producer has finished writing if it
    // called cancelBuffer after queueing some writes. When the buffer is
    // QUEUED, it indicates when the producer has finished filling the
    // buffer. When the buffer is DEQUEUED or ACQUIRED, the fence has been
    // passed to the consumer or producer along with ownership of the
    // buffer, and mFence is set to NO\_FENCE.
    sp<Fence> mFence;

用我蹩脚的英文->中文,我大概直译一下:

  1. mFence是一个围栏,当buffer的前所有者的工作(即对这个buffer的处理操作)完成时,它会发出信号;

  2. 当buffer处于FREE状态时,fence指示consumer何时已完成从buffer的读取,或者如果producer在写入一些东西后调用了cancelBuffer,此时fence指示producer何时已完成写入;

  3. 当buffer处于QUEUED状态时,它指示producer何时完成buffer的填充(数据写好了,通知consumer使用);

  4. 当buffer处于DEQUEUED/ACQUIRED状态时,fence已连同buffer的所有权一起传递给consumer或producer,并且mFence设置为NO_FENCE;

构造函数,默认其mGraphicBuffer是nullptr,即没有绑定GraphicBuffer,也就是没有分配实际的图形缓存了。

    BufferSlot()
    : mGraphicBuffer(nullptr),
      mEglDisplay(EGL_NO_DISPLAY),
      mBufferState(),
      mRequestBufferCalled(false),
      mFrameNumber(0),
      mEglFence(EGL_NO_SYNC_KHR),
      mFence(Fence::NO_FENCE),
      mAcquireCalled(false),
      mNeedsReallocation(false) {
    }

五、BufferState介绍


源码

/frameworks/native/libs/gui/include/gui/BufferSlot.h

定义

BufferState用于跟踪记录一个buffer slot(缓冲槽)所处的状态。如下这个类图描述了BufferState中定义的基本内容:

  • 用于描述缓冲区状态的3个uint32_t变量(mDequeueCount/mQueueCount/mAcquireCount)和1个bool变量(mShared);
  • 用于查询缓冲区状态的函数,isXXX();
  • 用于改变/设置缓冲区状态的函数,比如 void dequeue() {...} and void queue() {...}

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状态

BufferState用于跟踪记录一个buffer slot(缓冲槽)所处的状态。一个buffer可以处于以下5种状态之一。

| 状态 | 说明 |
| FREE | 此状态下buffer可以被producer通过dequeued获取;
slot被BufferQueue所拥有,producer调用dequeueBuffer获取该buffer后其状态转为DEQUEUED |
| DEQUEUED | 此状态表示该buffer已经被producer通过dequeued获取到,但还没有被queue或cancel。
一旦与该buffer相关联的fence发出信号,producer就可以修改buffer的内容了。
这种状态下slot属于producer所有,当调用queueBuffer or attachBuffer后可转为QUEUED状态,或调用cancelBuffer or detachBuffer转为FREE状态 |
| QUEUED | 此状态表示该buffer已经被producer填充数据,入队列让consumer使用。
buffer内容可能会在有限的时间内继续修改,因此在相关fence发出信号之前,不得访问内容。
此时slot归BufferQueue所有,buffer状态可以转为ACQUIRED(via acquireBuffer) 或FREE(另一个buffer异步模式下入队列) |
| ACQUIRED | 此状态表示该buffer被consumer取得。fence信号发出后,消费者就可以访问其内容了。
slot被consumer所拥有。 当调用releaseBuffer (or detachBuffer)可以转为FREE |
| SHARED | 表示此缓冲区正在共享缓冲区模式下使用(还没太理解这个) |

在显示系统中,实现流畅的绘制和显示,一般的buffer大致会经过如下这个流程:

FREE -> DEQUEUED -> QUEUED -> ACQUIRED -> FREE

如下图描述的状态转换的基本逻辑:

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如何辨别当前状态?

状态是根据3个uint32_t变量(mDequeueCount/mQueueCount/mAcquireCount)和1个bool变量(mShared)的值来进行判断的,如下表格就是各种状态下各个变量的组合情况:

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六、几个队列/数组大概解释


在图形缓冲区队列的逻辑中,有几处队列、数组,我们大概看一看他们代表了什么意思。

BufferQueue最多可以跟踪的buffer的数量

/frameworks/native/libs/ui/include/ui/BufferQueueDefs.h

// BufferQueue will keep track of at most this value of buffers.
// Attempts at runtime to increase the number of buffers past this
// will fail.
static constexpr int NUM_BUFFER_SLOTS = 64;

SlotsType的定义--存储64个BufferSlot的数组

/frameworks/native/libs/gui/include/gui/BufferQueueDefs.h

namespace BufferQueueDefs {
    typedef BufferSlot SlotsType[NUM_BUFFER_SLOTS];
} // namespace BufferQueueDefs

BufferQueueCore中的buffer slot数组

/frameworks/native/libs/gui/include/gui/BufferQueueCore.h

// mSlots is an array of buffer slots that must be mirrored on the producer
    // side. This allows buffer ownership to be transferred between the producer
    // and consumer without sending a GraphicBuffer over Binder. The entire
    // array is initialized to NULL at construction time, and buffers are
    // allocated for a slot when requestBuffer is called with that slot's index.
    BufferQueueDefs::SlotsType mSlots;

    // mQueue is a FIFO of queued buffers used in synchronous mode.
    // 定义 typedef Vector Fifo;
    Fifo mQueue;

    // mFreeSlots contains all of the slots which are FREE and do not currently
    // have a buffer attached.
    std::set<int> mFreeSlots;

    // mFreeBuffers contains all of the slots which are FREE and currently have
    // a buffer attached.
    std::list<int> mFreeBuffers;

    // mUnusedSlots contains all slots that are currently unused. They should be
    // free and not have a buffer attached.
    std::list<int> mUnusedSlots;

    // mActiveBuffers contains all slots which have a non-FREE buffer attached.
    std::set<int> mActiveBuffers;
  • mSlots :BufferSlot数组,默认大小是64个,这个数组会被映射到BufferQueueProducer/BufferQueueConsuer类中;
  • mQueue :BufferItem类型的数组,Producer调用queueBuffer后,其实就是queue到这个数组里面;
  • mFreeSlots :没有绑定GraphicBuffer且状态为FREE的BufferSlot集合;
  • mFreeBuffers :绑定了GraphicBuffer且状态为FREE的BufferSlot集合;
  • mUnusedSlots:代表当前没有使用的 BufferSlot 集合,这个和mFreeSlots有什么差异,还没搞懂。。。
  • mActiveBuffers :绑定了GraphicBuffer且状态为非FREE的BufferSlot集合;

Tips:

mFreeSlots/mFreeBuffers/mUnusedSlots/mActiveBuffers存储的都是int类型的index,根据这个index去mSlots中获取对应的BufferSlot及GraphicBuffer.

我的理解之所以划分出这么多不同的数组,都是为了给 BufferSlot 分类,以便获取 GraphicBuffer 时更加高效。


BufferQueueProducer中的buffer slot 数组

看器构造函数:

BufferQueueProducer.cpp 文件定义
BufferQueueProducer::BufferQueueProducer(const sp<BufferQueueCore>& core,
        bool consumerIsSurfaceFlinger) :
    mCore(core),
    mSlots(core->mSlots),

BufferQueueProducer.h 头文件定义
// This references mCore->mSlots. Lock mCore->mMutex while accessing.
BufferQueueDefs::SlotsType& mSlots;

BLASTBufferQueue::createBufferQueue中,实例化一个BufferQueueProducer对象,其构造函数在初始化成员变量时,在会直接将前面创建好的 BufferQueueCore 和 mSlots 赋值到 的成员变量mSlots中。

BufferQueueProducer::mSlots 是 BufferQueueCore::mSlots的映射/引用,其实就是一个东东!

BufferQueueConsumer中的buffer slot数组

BufferQueueConsumer.cpp中的定义:
BufferQueueConsumer::BufferQueueConsumer(const sp<BufferQueueCore>& core) :
    mCore(core),
    mSlots(core->mSlots),
    mConsumerName() {}

BufferQueueConsumer.h中的定义:
// This references mCore->mSlots. Lock mCore->mMutex while accessing.
BufferQueueDefs::SlotsType& mSlots;

BLASTBufferQueue::createBufferQueue中,实例化一个BufferQueueConsumer对象,其构造函数在初始化成员变量时,在会直接将前面创建好的 BufferQueueCore 和 mSlots 赋值到 的成员变量mSlots中。

BufferQueueConsumer::mSlots 是 BufferQueueCore::mSlots的映射/引用,其实就是一个东东!


Tips:

BufferQueueProducer和BufferQueueConsumer是BufferQueueCore的友元类,所以可以直接访问其私有成员。


七、小结

这篇文章主要是讲了一些零碎的概念,这些小的知识点理解后,对于后续理解 生产者 - 缓冲区队列 - 消费者 运行的逻辑十分有帮助。

下一篇中将会讲解buffer queue的运作流程&buffer是怎样在其中流转的。


必读:

Android 12(S) 图形显示系统 - 开篇


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