Android Systrace 基础知识 - SurfaceFlinger 解读

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 2020/02/14 

本文是 Systrace 系列文章的第五篇，主要是对 SurfaceFlinger 的工作流程进行简单介绍，介绍了 SurfaceFlinger 中几个比较重要的线程，包括 Vsync 信号的解读、应用的 Buffer 展示、卡顿判定等，由于 Vsync 这一块在 Systrace 基础知识 - Vsync 解读和 Android 基于 Choreographer 的渲染机制详解这两篇文章里面已经介绍过，这里就不再做详细的讲解了。

本系列的目的是通过 Systrace 这个工具，从另外一个角度来看待 Android 系统整体的运行，同时也从另外一个角度来对 Framework 进行学习。也许你看了很多讲 Framework 的文章，但是总是记不住代码，或者不清楚其运行的流程，也许从 Systrace 这个图形化的角度，你可以理解的更深入一些。

系列文章目录

正文

这里直接上官方对于 SurfaceFlinger 的定义

大多数应用在屏幕上一次显示三个层：屏幕顶部的状态栏、底部或侧面的导航栏以及应用界面。有些应用会拥有更多或更少的层（例如，默认主屏幕应用有一个单独的壁纸层，而全屏游戏可能会隐藏状态栏）。每个层都可以单独更新。状态栏和导航栏由系统进程渲染，而应用层由应用渲染，两者之间不进行协调。
设备显示会按一定速率刷新，在手机和平板电脑上通常为 60 fps。如果显示内容在刷新期间更新，则会出现撕裂现象；因此，请务必只在周期之间更新内容。在可以安全更新内容时，系统便会收到来自显示设备的信号。由于历史原因，我们将该信号称为 VSYNC 信号。
刷新率可能会随时间而变化，例如，一些移动设备的帧率范围在 58 fps 到 62 fps 之间，具体要视当前条件而定。对于连接了 HDMI 的电视，刷新率在理论上可以下降到 24 Hz 或 48 Hz，以便与视频相匹配。由于每个刷新周期只能更新屏幕一次，因此以 200 fps 的帧率为显示设备提交缓冲区就是一种资源浪费，因为大多数帧会被舍弃掉。SurfaceFlinger 不会在应用每次提交缓冲区时都执行操作，而是在显示设备准备好接收新的缓冲区时才会唤醒。
当 VSYNC 信号到达时，SurfaceFlinger 会遍历它的层列表，以寻找新的缓冲区。如果找到新的缓冲区，它会获取该缓冲区；否则，它会继续使用以前获取的缓冲区。SurfaceFlinger 必须始终显示内容，因此它会保留一个缓冲区。如果在某个层上没有提交缓冲区，则该层会被忽略。
SurfaceFlinger 在收集可见层的所有缓冲区之后，便会询问 Hardware Composer 应如何进行合成。」

—- 引用自SurfaceFlinger 和 Hardware Composer

下面是上述流程所对应的流程图，简单地说， SurfaceFlinger 最主要的功能:SurfaceFlinger 接受来自多个来源的数据缓冲区，对它们进行合成，然后发送到显示设备。

那么 Systrace 中，我们关注的重点就是上面这幅图对应的部分

App 部分
BufferQueue 部分
SurfaceFlinger 部分
HWComposer 部分

这四部分，在 Systrace 中都有可以对应的地方，以时间发生的顺序排序就是 1、2、3、4，下面我们从 Systrace 的这四部分来看整个渲染的流程

App 部分

关于 App 部分，其实在Systrace 基础知识 - MainThread 和 RenderThread 解读这篇文章里面已经说得比较清楚了，不清楚的可以去这篇文章里面看，其主要的流程如下图：

从 SurfaceFlinger 的角度来看，App 部分主要负责生产 SurfaceFlinger 合成所需要的 Surface。

App 与 SurfaceFlinger 的交互主要集中在三点

Vsync 信号的接收和处理
RenderThread 的 dequeueBuffer
RenderThread 的 queueBuffer

Vsync 信号的接收和处理

关于这部分内容可以查看 Android 基于 Choreographer 的渲染机制详解这篇文章，App 和 SurfaceFlinger 的第一个交互点就是 Vsync 信号的请求和接收，如上图中第一条标识，Vsync-App 信号到达，就是指的是 SurfaceFlinger 的 Vsync-App 信号。应用收到这个信号后，开始一帧的渲染准备

RenderThread 的 dequeueBuffer

dequeue 有出队的意思，dequeueBuffer 顾名思义，就是从队列中拿出一个 Buffer，这个队列就是 SurfaceFlinger 中的 BufferQueue。如下图，应用开始渲染前，首先需要通过 Binder 调用从 SurfaceFlinger 的 BufferQueue 中获取一个 Buffer，其流程如下：

App 端的 Systrace 如下所示
-w1249

SurfaceFlinger 端的 Systrace 如下所示
-w826

RenderThread 的 queueBuffer

queue 有入队的意思，queueBuffer 顾名思义就是讲 Buffer 放回到 BufferQueue，App 处理完 Buffer 后（写入具体的 drawcall），会把这个 Buffer 通过 eglSwapBuffersWithDamageKHR -> queueBuffer 这个流程，将 Buffer 放回 BufferQueue，其流程如下

App 端的 Systrace 如下所示
-w1165

SurfaceFlinger 端的 Systrace 如下所示
-w1295

通过上面三部分，大家应该对下图中的流程会有一个比较直观的了解了
-w410

BufferQueue 部分

BufferQueue 部分其实在Systrace 基础知识 - Triple Buffer 解读这里有讲，如下图，结合上面那张图，每个有显示界面的进程对应一个 BufferQueue，使用方创建并拥有 BufferQueue 数据结构，并且可存在于与其生产方不同的进程中，BufferQueue 工作流程如下：

上图主要是 dequeue、queue、acquire、release ，在这个例子里面，App 是生产者，负责填充显示缓冲区（Buffer）；SurfaceFlinger 是消费者，将各个进程的显示缓冲区做合成操作

dequeue(生产者发起) ：当生产者需要缓冲区时，它会通过调用 dequeueBuffer() 从 BufferQueue 请求一个可用的缓冲区，并指定缓冲区的宽度、高度、像素格式和使用标记。
queue(生产者发起)：生产者填充缓冲区并通过调用 queueBuffer() 将缓冲区返回到队列。
acquire(消费者发起) ：消费者通过 acquireBuffer() 获取该缓冲区并使用该缓冲区的内容
release(消费者发起) ：当消费者操作完成后，它会通过调用 releaseBuffer() 将该缓冲区返回到队列

SurfaceFlinger 部分

工作流程

从最前面我们知道 SurfaceFlinger 的主要工作就是合成：

当 VSYNC 信号到达时，SurfaceFlinger 会遍历它的层列表，以寻找新的缓冲区。如果找到新的缓冲区，它会获取该缓冲区；否则，它会继续使用以前获取的缓冲区。SurfaceFlinger 必须始终显示内容，因此它会保留一个缓冲区。如果在某个层上没有提交缓冲区，则该层会被忽略。SurfaceFlinger 在收集可见层的所有缓冲区之后，便会询问 Hardware Composer 应如何进行合成。

其 Systrace 主线程可用看到其主要是在收到 Vsync 信号后开始工作
-w1296

其对应的代码如下,主要是处理两个 Message

MessageQueue::INVALIDATE — 主要是执行 handleMessageTransaction 和 handleMessageInvalidate 这两个方法
MessageQueue::REFRESH — 主要是执行 handleMessageRefresh 方法

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp

void SurfaceFlinger::onMessageReceived(int32_t what) NO_THREAD_SAFETY_ANALYSIS {
    ATRACE_CALL();
    switch (what) {
        case MessageQueue::INVALIDATE: {
            ......
            bool refreshNeeded = handleMessageTransaction();
            refreshNeeded |= handleMessageInvalidate();
            ......
            break;
        }
        case MessageQueue::REFRESH: {
            handleMessageRefresh();
            break;
        }
    }
}

//handleMessageInvalidate 实现如下
bool SurfaceFlinger::handleMessageInvalidate() {
    ATRACE_CALL();
    bool refreshNeeded = handlePageFlip();

    if (mVisibleRegionsDirty) {
        computeLayerBounds();
        if (mTracingEnabled) {
            mTracing.notify("visibleRegionsDirty");
        }
    }

    for (auto& layer : mLayersPendingRefresh) {
        Region visibleReg;
        visibleReg.set(layer->getScreenBounds());
        invalidateLayerStack(layer, visibleReg);
    }
    mLayersPendingRefresh.clear();
    return refreshNeeded;
}

//handleMessageRefresh 实现如下， SurfaceFlinger 的大部分工作都是在handleMessageRefresh 中发起的
void SurfaceFlinger::handleMessageRefresh() {
    ATRACE_CALL();

    mRefreshPending = false;

    const bool repaintEverything = mRepaintEverything.exchange(false);
    preComposition();
    rebuildLayerStacks();
    calculateWorkingSet();
    for (const auto& [token, display] : mDisplays) {
        beginFrame(display);
        prepareFrame(display);
        doDebugFlashRegions(display, repaintEverything);
        doComposition(display, repaintEverything);
    }

    logLayerStats();

    postFrame();
    postComposition();

    mHadClientComposition = false;
    mHadDeviceComposition = false;
    for (const auto& [token, displayDevice] : mDisplays) {
        auto display = displayDevice->getCompositionDisplay();
        const auto displayId = display->getId();
        mHadClientComposition =
                mHadClientComposition || getHwComposer().hasClientComposition(displayId);
        mHadDeviceComposition =
                mHadDeviceComposition || getHwComposer().hasDeviceComposition(displayId);
    }

    mVsyncModulator.onRefreshed(mHadClientComposition);

    mLayersWithQueuedFrames.clear();
}

handleMessageRefresh 中按照重要性主要有下面几个功能

准备工作
1. preComposition();
2. rebuildLayerStacks();
3. calculateWorkingSet();
合成工作
1. begiFrame(display);
2. prepareFrame(display);
3. doDebugFlashRegions(display, repaintEverything);
4. doComposition(display, repaintEverything);
收尾工作
1. logLayerStats();
2. postFrame();
3. postComposition();

由于显示系统有非常庞大的细节，这里就不一一进行讲解了，如果你的工作在这一部分，那么所有的流程都需要熟悉并掌握，如果只是想熟悉流程，那么不需要太深入，知道 SurfaceFlinger 的主要工作逻辑即可

掉帧

通常我们通过 Systrace 判断应用是否掉帧的时候，一般是直接看 SurfaceFlinger 部分，主要是下面几个步骤

SurfaceFlinger 的主线程在每个 Vsync-SF 的时候是否没有合成？
如果没有合成操作，那么需要看没有合成的原因：
1. 因为 SurfaceFlinger 检查发现没有可用的 Buffer 而没有合成操作？
2. 因为 SurfaceFlinger 被其他的工作占用（比如截图、HWC 等）？
3. 因为 SurfaceFlinger 在等 presentFence ？
4. 因为 SurfaceFlinger 在等 GPU fence？
如果有合成操作，那么需要看 你关心的 App 的可用 Buffer 个数是否正常：如果 App 此时可用 Buffer 为 0，那么看 App 端为何没有及时 queueBuffer（这就一般是应用自身的问题了），因为 SurfaceFlinger 合成操作触发可能是其他的进程有可用的 Buffer

关于这一部分的 Systrace 怎么看，在 Systrace 基础知识 - Triple Buffer 解读-掉帧检测部分已经有比较详细的解读，大家可以过去看这一段

HWComposer 部分

关于 HWComposer 的功能部分我们就直接看官方的介绍即可

Hardware Composer HAL (HWC) 用于确定通过可用硬件来合成缓冲区的最有效方法。作为 HAL，其实现是特定于设备的，而且通常由显示设备硬件原始设备制造商 (OEM) 完成。
当您考虑使用叠加平面时，很容易发现这种方法的好处，它会在显示硬件（而不是 GPU）中合成多个缓冲区。例如，假设有一部普通 Android 手机，其屏幕方向为纵向，状态栏在顶部，导航栏在底部，其他区域显示应用内容。每个层的内容都在单独的缓冲区中。您可以使用以下任一方法处理合成（后一种方法可以显著提高效率）：
1. 将应用内容渲染到暂存缓冲区中，然后在其上渲染状态栏，再在其上渲染导航栏，最后将暂存缓冲区传送到显示硬件。
2. 将三个缓冲区全部传送到显示硬件，并指示它从不同的缓冲区读取屏幕不同部分的数据。
显示处理器功能差异很大。叠加层的数量（无论层是否可以旋转或混合）以及对定位和叠加的限制很难通过 API 表达。为了适应这些选项，HWC 会执行以下计算（由于硬件供应商可以定制决策代码，因此可以在每台设备上实现最佳性能）：
1. SurfaceFlinger 向 HWC 提供一个完整的层列表，并询问“您希望如何处理这些层？”
2. HWC 的响应方式是将每个层标记为叠加层或 GLES 合成。
3. SurfaceFlinger 会处理所有 GLES 合成，将输出缓冲区传送到 HWC，并让 HWC 处理其余部分。
当屏幕上的内容没有变化时，叠加平面的效率可能会低于 GL 合成。当叠加层内容具有透明像素且叠加层混合在一起时，尤其如此。在此类情况下，HWC 可以选择为部分或全部层请求 GLES 合成，并保留合成的缓冲区。如果 SurfaceFlinger 返回来要求合成同一组缓冲区，HWC 可以继续显示先前合成的暂存缓冲区。这可以延长闲置设备的电池续航时间。
运行 Android 4.4 或更高版本的设备通常支持 4 个叠加平面。尝试合成的层数多于叠加层数会导致系统对其中一些层使用 GLES 合成，这意味着应用使用的层数会对能耗和性能产生重大影响。