Jimmy Chen

A Programmer

(转载)SurfaceFlinger服务的启动与连接过程

  上一篇我们分析了Android的开机动画启动流程,这一篇我们基于上一篇的基础,分析一下SurfaceFlinger的启动,还有连接它的过程。

SurfaceFlinger的启动

启动概述

  SurfaceFlinger服务是一个独立进程,并且负责统一管理设备的帧缓冲区。通过上一篇开机动画流程分析,我们可以在init.rc中找到SurfaceFlinger服务配置的地方,位于system/core/rootdir/Init.rc中:

  在硬件设备/system/bin/下,可以找到SurfaceFlinger的应用程序。我们查看源码frameworks/native/services/surfaceflinger/Android.mk文件:

  从Makefile文件可以看出,相关依赖和主文件会被编译成libsurfaceflinger.so,然后SurfaceFlinger是对库的一个“封装调用”,里面有个main_surfaceflinger.cpp,我们可以沿着它的main函数往下分析。

  启动流程大概如下图,我才刚刚学了时序图,不知道画的对不对。。。。

《(转载)SurfaceFlinger服务的启动与连接过程》

启动过程

  SurfaceFlinger的main函数在framework/native/services/surfaceflinger/main_surfaceflinger.cpp中:

  main函数包含以下几件事情:

  1. 调用当前进程中的ProcessState单例的成员函数startThreadPool来启动一个Binder线程池,将线程池最大数量设为4,并且调用当前线程中的IPCThreadState单例来将当前线程加入到前面所启动的Binder线程池中去;
  2. 创建一个SurfaceFlinger的对象,并赋给他的强引用指针;
  3. 执行SurfaceFlinger的init函数;
  4. 将SurfaceFlinger服务注册到ServiceManager当中;
  5. 运行SurfaceFlinger的UI渲染流程。

  比较重要的步骤就是创建SurfaceFlinger对象,执行init函数,和运行UI渲染流程。我们逐个分析。

创建SurfaceFlinger对象

  new一个SurfaceFlinger对象,并赋给强引用指针。我们先看看它的构造函数,位于frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp中:

  构造函数中主要初始化一系列变量,没什么重要信息。SurfaceFlinger类继承了BnSurfaceComposer类,而后者是一个实现了ISurfaceComposer接口的Binder本地对象类。

  由于Service Manager的Binder代理对象的成员函数addService的第二个参数是一个类型为IBinder的强指针引用。当一个对象第一次被一个强指针引用时,那么这个对象的成员函数onFirstRef就会被调用。因此,接下来前面所创建的SurfaceFlinger实例的成员函数onFirstRef就会被调用,以便可以继续执行初始化操作。我们继续查看:

  MessageQueue 类在frameworks/native/services/surfaceflinger/MessageQueue.h中定义,实现位于frameworks/native/services/surfaceflinger/MessageQueue.cpp中,init函数如下:

  调用MessageQueue的init,在MessageQueue中建了一个Looper和Handler,注意不是Java中的,native实现的。到后面就可以看到SF的核心就是接收消息,处理消息。对于消息处理,可以参考之前的一片文章Android消息处理零散分析。

调用init函数

  回到SurfaceFlinger.cpp中,继续分析init函数:

  init函数主要做了以下事情:

  1. 初始化OpenGL ES图形库;
  2. 创建显示设备的抽象代表,负责和显示设备打交道;
  3. 创建显示设备对象;
  4. 启动EventThread。监听和处理SurfaceFlinger中的事件;
  5. 设置软件VSync信号周期;
  6. 初始化显示设备,调用initializeDisplays完成;
  7. 启动开机动画,调用了startBootAnim函数,只是设置了两个属性,其中一个ctl.start是启动了bootanim进程。

  其中初始化OpenGL ES可以参考Android SurfaceFlinger 学习之路(二)—-SurfaceFlinger概述,后期如果有机会再次会细讲。创建显示设备我们后面分析管理图形缓冲区时候会细讲。还有VSync信号,后面会单独开章节分析。这里我们大概过一个流程。

执行run函数

  然后继续往下看,执行SurfaceFlinger的run函数:

  run函数非常简单,但却是SF的核心,是个while循环,循环处理消息等。

  然后又调用了EventQueue的waitMessage方法,记住这里是在主线程中循环调用的。

  我们来看下waitMessage方法,flushCommands主要是清理工作的,和Binder驱动的交互关了。而pollOnce是消息机制,主要调用了epoll_wait函数,会阻塞,阻塞完了会分发消息队列中的消息。这里的消息只有自己在Handler中发的消息,还有在setEventThread中自己添加的fd。

消息处理

给SurfaceFlinger发送消息

  我们以SurfaceFlinger与客户端通信创建Surface为例,看看如何给SurfaceFlinger发送消息。这个我们下面会讲到,这里先举个栗子。

  从上一篇开机动画的简述流程可以得知,BootAnimation的readyToRun函数中有一句:

  BootAnimation类的成员函数session用来返回BootAnimation类的成员变量mSession所描述的一个SurfaceComposerClient对象。通过调用SurfaceComposerClient对象mSession的成员函数createSurface可以获得一个SurfaceControl对象control。

  SurfaceComposerClient类的成员函数createSurface首先调用内部的Binder代理对象mClient(frameworks/native/services/surfaceflinger/Client.cpp)来请求SurfaceFlinger返回一个类型为(class Handle : public BBinder, public LayerCleaner)Binder代理对象(封装了SurfaceFlinger的sp指针和Layer对象)handle,和一个IGraphicBufferProducer的sp指针(封装了SurfaceFlinger的sp指针)gbp,接着再使用这两个对象来创建一个SurfaceControl对象。创建出来的SurfaceControl对象的成员变量handle就指向了从SurfaceFlinger返回来的类型为Handle 的Binder代理对象。有了这个Binder代理对象之后,SurfaceControl对象就可以和SurfaceFlinger服务通信了。

  我们关注的就是Client的createSurface函数,frameworks/native/services/surfaceflinger/Client.cpp:

  类MessageBase就是封装了类似于一个Handler,里面有个Barrier,我们能够猜到,这个Barrier 肯定是用来进行同步发送消息的,利用Barrier 去等待”wait”。位于framework/native/services/surfaceflinger/MessageQueue.h中:

  MessageBase的handleMessage函数,可以看到MessageBase的handler()函数是真正消息处理的地方,执行完成后,调用barrier.open();,打开barrier,这样调用barrier.wait()的地方就能退出了。实现位于framework/native/services/surfaceflinger/MessageQueue.cpp中:

  接着分析mFlinger->postMessageSync(msg);,这是给SF发同步消息的入口,当然也可以发异步消息,实现是类似的:

  可以看到在同步发送消息中,barrier在postMessageSync函数中一直等着呢(wait),等待SF调用handleMessage()函数去将barrier这个栅栏打开(open)。

SurfaceFlinger处理消息

  从上面waitMessage得知,消息处理都位于里面无限循环处的的int32_t ret = mLooper->pollOnce(-1);我们追寻到Looper中的pollOnce函数,位于system/core/libutils/Looper.cpp中:

  函数中,而pollOnce又会调用pollInner:

  从上面代码可以看到,发给SF的消息被封装在MessageEnvelope结构中,SF一直在mMessageEnvelopes队列中从头部取出消息,然后执行,即handler->handleMessage(message),这个即是我们上面提到的framework/native/services/surfaceflinger/MessageQueue.cpp中:

  调用handleMessage执行handler(),所以SurfaceFlinger创建Surface的核心代码就是SurfaceFlinger的createLayer函数,回到刚才的createSurface函数中的片段:

  执行完成后,打开barrier。

  这个只是个简单例子,我们后续会详细讲解它的消息处理流程。

SurfaceFlinger服务连接过程

概述

  第一篇文章描述Android应用程序和SurfaceFlinger服务的关系时提到,每一个有UI的Android应用程序都需要与SurfaceFlinger服务建立一个连接,以便可以通过这个连接来请求SurfaceFlinger服务为它创建和渲染Surface。我们将以Android系统的开机动画应用程序为例,详细描述Android应用程序是如何与SurfaceFlinger服务建立连接的。

  从上一篇文章可以知道,Android系统的开机动画是主要一个BootAnimation对象来实现,这个BootAnimation对象在构造的时候,会在内部创建一个SurfaceComposerClient对象来负责创建一个到SurfaceFlinger服务的连接。

  BootAnimation类的构造函数实现在文件frameworks/base/cmds/bootanimation/BootAnimation.cpp中:

  mSession是BootAnimation类的成员变量,它是一个类型为SurfaceComposerClient的强指针,即sp<SurfaceComposerClient> 。在SurfaceComposerClient类内部,有一个类型为sp<ISurfaceComposerClient>的成员变量mClient,如下图:

《(转载)SurfaceFlinger服务的启动与连接过程》

  SurfaceComposerClient类的成员变量mClient指向的实际上是一个类型为BpSurfaceComposerClient的Binder代理对象,而这个类型为BpSurfaceComposerClient的Binder代理对象引用的是一个类型为Client的Binder本地对象,位于frameworks/native/services/surfaceflinger/Client.cpp。类型为Client的Binder本地对象是由SurfaceFlinger服务来负责创建的,并且运行在SurfaceFlinger服务中,用来代表使用SurfaceFlinger服务的一个客户端,即一个与UI相关的Android应用程序。

  由于Client类和BpSurfaceComposerClient类分别是一个Binder本地对象类和一个Binder代理对象类,它们都是根据Android系统在应用程序框架层提供的Binder进程间通信库来实现的。类图如下:

《(转载)SurfaceFlinger服务的启动与连接过程》

  Client类的实现结构图

《(转载)SurfaceFlinger服务的启动与连接过程》

  BpSurfaceComposerClient类的实现结构图

  Client类和BpSurfaceComposerClient类均实现了类型为ISurfaceComposerClient的Binder接口。ISurfaceComposerClient接口有个createSurface接口,它们定义在文件frameworks/base/include/surfaceflinger/ISurfaceComposerClient.h中,如下所示:

  在接下来的文章中,我们再详细分析ISurfaceComposerClient接口的成员函数createSurface的实现。

  SurfaceComposerClient类继承了RefBase类,因此,当BootAnimation类在构造函数创建了一个SurfaceComposerClient对象,并且将这个对象赋值给类型为sp<SurfaceComposerClient>的智能指针mSession时,就会导致SurfaceComposerClient类的成员函数onFirstRef被调用,而SurfaceComposerClient类的成员函数onFirstRef在调用的过程中,就会在应用程序bootanimation与SurfaceFlinger服务建立一个连接。这个流程如下:

《(转载)SurfaceFlinger服务的启动与连接过程》

  接下来,我们就详细分析每一个步骤。

获取SurfaceFlinger服务代理接口

  进入frameworks/native/libs/gui/SurfaceComposerClient.cpp中,找到onFristRef函数:

  SurfaceComposerClient类的成员函数getComposerService用来获得SurfaceFlinger服务的一个代理接口,它的实现同样位于frameworks/native/libs/gui/SurfaceComposerClient.cpp中:

  ComposerService类是单例模式,当我们第一次调用它的静态函数getInstance的时候,它就会在构造函数中获得SurfaceFlinger服务的一个代理接口,并且保存在它的成员变量mComposerService中,如下所示:

  在ComposerService类的构造函数中,会获得SurfaceFlinger服务的代理接口。

连接SurfaceFlinger服务

  回到SurfaceComposerClient类的成员函数onFirstRef中,由于SurfaceFlinger服务实现了ISurfaceComposer接口,因此,我们可以将前面获得的SurfaceFlinger服务的代理接口赋值给一个类型为ISurfaceComposer的强指针sm,并且调用它的成员函数createConnection来请求SurfaceFlinger服务创建一个连接,即创建一个类型为Client的Binder对象,并且将这个Binder对象的一个代理接口conn返回来。SurfaceComposerClient类获得了SurfaceFlinger服务返回来的Client代理接口conn之后,就将它保存自己的成员变量mClient中,这样开机动画应用程序bootanimation后续就可以通过它来请求SurfaceFlinger创建和渲染Surface了。

  接下来,我们就继续分析SurfaceFlinger服务的成员函数createConnection的实现,以便可以了解它是如何为Android应用程序创建一个连接的。

  进入SurfaceFlinger.cpp中查看createConnection函数:

  它的实现很简单,只是创建了一个类型为Client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Client代理对象,返回给开机动画应用程序bootanimation。

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

  这个很简单,就是保存了SurfaceFlinger的强引用对象。

  回到SurfaceFlinger类的成员函数createConnection中,它将一个指向了一个Client对象的ISurfaceComposerClient接口返回到开机动画应用程序bootanimation之后,开机动画应用程序bootanimation就可以将它封装成一个类型为BpSurfaceComposerClient的Binder代理对象。

  类型为BpSurfaceComposerClient的Binder代理对象的封装过程实现在SurfaceFlinger服务的Binder代理对象类BpSurfaceComposer的成员函数createConnection中,位于frameworks/native/libs/gui/ISurfaceCompose.cpp中:

  interface_cast是一个模板函数,它定义在framework/native/include/binder/IInterface.h文件中:

  从这里就可以看出,当模板参数为ISurfaceComposerClient的时候,模板函数interface_cast实际就是通过调用ISurfaceComposerClient类的静态成员函数asInterface来将参数obj所描述的一个Binder代理对象,即一个BpBinder对象,封装成一个BpSurfaceComposerClient对象。

  ISurfaceComposerClient类的静态成员函数asInterface是由frameworks/native/libs/gui/ISurfaceComposerClient.cpp文件中的IMPLEMENT_META_INTERFACE宏来定义的,如下所示:

  IMPLEMENT_META_INTERFACE宏展开后,得到ISurfaceComposerClient类的静态成员函数asInterface的实现如下所示:

  参数obj是从BpSurfaceComposer类的成员函数createConnection传进来的,它指向的实际上是一个BpBinder对象。当我们调用一个BpBinder对象的成员函数queryLocalInterface时,获得的是一个NULL指针,因此,ISurfaceComposerClient类的静态成员函数asInterface最后就会将参数obj所指向的一个BpBinder对象封装成一个BpSurfaceComposerClient对象,并且返回给调用者。

  至此,开机动画应用程序bootanimation就通过SurfaceComposerClient类来与SurfaceFlinger服务建立一个连接了。

小结

  本篇主要学习了SurfaceFlinger的启动和连接过程,应该算不太难的部分。下几节我们将逐步分析消息处理、创建surface、管理GraphicBuffer、VSync信号、Fence机制等等内容。

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