Android T(13) 源码分析 — BufferQueue 的分析

Android T(13) 源码分析 — BufferQueue 的分析

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前言

该系列文章基于 Android T(13) 的源码进行分析，内容会逐渐丰富，欢迎大家点赞关注。

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摘要

BufferQueue 是 Android 图形系统中的一个关键组件，它连接了生成图形数据缓冲区的组件（生产者）和接收这些数据以进行显示或进一步处理的组件（消费者）。几乎所有的图形数据缓冲区在系统中的传递都依赖于 BufferQueue。

当生产者需要一个缓冲区时，通过调用 dequeueBuffer() 从 BufferQueue 请求一个空闲缓冲区，指定缓冲区的宽度、高度、像素格式和使用标志。生产者填充缓冲区后，再调用 queueBuffer() 将缓冲区返回队列。消费者通过 acquireBuffer() 获取缓冲区，并在使用完毕后通过 releaseBuffer() 将缓冲区返回队列，本篇重点介绍一下 BufferQueue 的创建。

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一、Java 层的 BufferQueue 分析

BufferQueue 是生产者和消费者的链接纽带，其依托于 SurfaceControl，与 Surface 联系紧密，之前我们分析过 Java 层 SurfaceControl 的创建，当 SurfaceControl 创建成功之后，接下来就进行 BufferQueue 创建。我们还是从 relayoutWindow 开始，看一下生产者端的 BufferQueue 是如何创建的：

//frameworks/base/core/java/android/view/ViewRootImpl.javaprivate int relayoutWindow(WindowManager.LayoutParams params, int viewVisibility,boolean insetsPending) throws RemoteException {//...if (mSurfaceControl.isValid()) {if (!useBLAST()) {mSurface.copyFrom(mSurfaceControl);} else {updateBlastSurfaceIfNeeded();}//...

BLAST特性是 Android 12 新推出的，默认开启，具体看一下 updateBlastSurfaceIfNeeded 实现：

//frameworks/base/core/java/android/view/ViewRootImpl.javavoid updateBlastSurfaceIfNeeded() {if (!mSurfaceControl.isValid()) {return;}if (mBlastBufferQueue != null && mBlastBufferQueue.isSameSurfaceControl(mSurfaceControl)) {mBlastBufferQueue.update(mSurfaceControl,mSurfaceSize.x, mSurfaceSize.y,mWindowAttributes.format);return;}// If the SurfaceControl has been updated, destroy and recreate the BBQ to reset the BQ and// BBQ states.if (mBlastBufferQueue != null) {mBlastBufferQueue.destroy();}mBlastBufferQueue = new BLASTBufferQueue(mTag, mSurfaceControl,mSurfaceSize.x, mSurfaceSize.y, mWindowAttributes.format);mBlastBufferQueue.setTransactionHangCallback(sTransactionHangCallback);Surface blastSurface = mBlastBufferQueue.createSurface();// Only call transferFrom if the surface has changed to prevent inc the generation ID and// causing EGL resources to be recreated.mSurface.transferFrom(blastSurface);}

初始 mBlastBufferQueue 是空，会新建一个 BLASTBufferQueue 对象，我们看一下 BLASTBufferQueue 是如何定义的：

//frameworks/base/graphics/java/android/graphics/BLASTBufferQueue.java/** Create a new connection with the surface flinger. */public BLASTBufferQueue(String name, SurfaceControl sc, int width, int height,@PixelFormat.Format int format) {this(name, true /* updateDestinationFrame */);update(sc, width, height, format);}public BLASTBufferQueue(String name, boolean updateDestinationFrame) {mNativeObject = nativeCreate(name, updateDestinationFrame);}

BLASTBufferQueue 会新建一个 mNativeObject 对象，继续看一下 nativeCreate 实现：

//frameworks/base/core/jni/android_graphics_BLASTBufferQueue.cpp
static jlong nativeCreate(JNIEnv* env, jclass clazz, jstring jName,jboolean updateDestinationFrame) {ScopedUtfChars name(env, jName);sp<BLASTBufferQueue> queue = new BLASTBufferQueue(name.c_str(), updateDestinationFrame);queue->incStrong((void*)nativeCreate);return reinterpret_cast<jlong>(queue.get());
}

这里通过JNI，新建了一个原生层的 BLASTBufferQueue 对象，我们稍后分析原生层的代码。在此之前，我们再看一下 BLASTBufferQueue 函数中 update 的实现：

//frameworks/base/graphics/java/android/graphics/BLASTBufferQueue.javapublic void update(SurfaceControl sc, int width, int height, @PixelFormat.Format int format) {nativeUpdate(mNativeObject, sc.mNativeObject, width, height, format);}

这里 nativeUpdate 同样会转入 JNI，具体实现：

//frameworks/base/core/jni/android_graphics_BLASTBufferQueue.cpp
static void nativeUpdate(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong ptr, jlong surfaceControl, jlong width,jlong height, jint format) {sp<BLASTBufferQueue> queue = reinterpret_cast<BLASTBufferQueue*>(ptr);queue->update(reinterpret_cast<SurfaceControl*>(surfaceControl), width, height, format);
}

nativeUpdate 函数中的 update 最后也会通过 JNI 链接到原生层，把 Buffer 的宽度，高度以及像素格式传递给原生层，进一步丰富 BLASTBufferQueue。最后，我们回到 updateBlastSurfaceIfNeeded 函数，看一下 blastSurface 的创建，具体 createSurface 实现 ：

//frameworks/base/graphics/java/android/graphics/BLASTBufferQueue.java/*** @return a new Surface instance from the IGraphicsBufferProducer of the adapter.*/public Surface createSurface() {return nativeGetSurface(mNativeObject, false /* includeSurfaceControlHandle */);}

可以看到，createSurface 同样调到了 JNI，函数 nativeGetSurface 实现：

//frameworks/base/core/jni/android_graphics_BLASTBufferQueue.cpp
static jobject nativeGetSurface(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong ptr,jboolean includeSurfaceControlHandle) {sp<BLASTBufferQueue> queue = reinterpret_cast<BLASTBufferQueue*>(ptr);return android_view_Surface_createFromSurface(env,queue->getSurface(includeSurfaceControlHandle));
}

queue 是一个 BLASTBufferQueue 对象，通过 android_view_Surface_createFromSurface 进行复制：

//frameworks/base/core/jni/android_view_Surface.cpp
jobject android_view_Surface_createFromSurface(JNIEnv* env, const sp<Surface>& surface) {jobject surfaceObj = env->NewObject(gSurfaceClassInfo.clazz,gSurfaceClassInfo.ctor, (jlong)surface.get());if (surfaceObj == NULL) {if (env->ExceptionCheck()) {ALOGE("Could not create instance of Surface from IGraphicBufferProducer.");LOGE_EX(env);env->ExceptionClear();}return NULL;}surface->incStrong(&sRefBaseOwner);return surfaceObj;
}

总结下来，relayoutWindow 会在 Java 层创建一个 BLASTBufferQueue 对象，通过 JNI 同步在原生层同步创建一个 BLASTBufferQueue 对象；并且把具体的宽度，高度和像素格式也通过 JNI 传递给原生层，并且从原生层返回一个 blastSurface（Surface） 对象，函数时序图：

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二、原生层的 BufferQueue 分析

上一章节我们分析过，Java 层通过调用 JNI 的 nativeCreate 在原生层创建 BufferQueue 对象，然后通过 nativeUpdate 更新 Buffer 的宽度，高度以及像素格式，最后通过 nativeGetSurface 来获取创建的 blastSurface，本节我们按照这个顺序逐一分析原生层的 BufferQueue 创建过程。

1、BLASTBufferQueue 的创建

先看一下，原生层 BLASTBufferQueue 的定义：

//frameworks/native/libs/gui/BLASTBufferQueue.cpp
BLASTBufferQueue::BLASTBufferQueue(const std::string& name, bool updateDestinationFrame): mSurfaceControl(nullptr),mSize(1, 1),mRequestedSize(mSize),mFormat(PIXEL_FORMAT_RGBA_8888),mTransactionReadyCallback(nullptr),mSyncTransaction(nullptr),mUpdateDestinationFrame(updateDestinationFrame) {createBufferQueue(&mProducer, &mConsumer);//...mBufferItemConsumer = new BLASTBufferItemConsumer(mConsumer,GraphicBuffer::USAGE_HW_COMPOSER |GraphicBuffer::USAGE_HW_TEXTURE,1, false, this);//...                           
}

在 BLASTBufferQueue 函数中，createBufferQueue 创建了 BufferQueue 对象，并且定义了当前 Buffer 的生产者和消费者:

//frameworks/native/libs/gui/BLASTBufferQueue.cpp
void BLASTBufferQueue::createBufferQueue(sp<IGraphicBufferProducer>* outProducer,sp<IGraphicBufferConsumer>* outConsumer) {//...sp<BufferQueueCore> core(new BufferQueueCore());//...sp<IGraphicBufferProducer> producer(new BBQBufferQueueProducer(core));//...sp<BufferQueueConsumer> consumer(new BufferQueueConsumer(core));consumer->setAllowExtraAcquire(true);//...*outProducer = producer;*outConsumer = consumer;
}

在 createBufferQueue 函数中，新建了一个 BufferQueueCore 对象，IGraphicBufferProducer 对象和 BufferQueueConsumer 对象。其中 core(BufferQueueCore) 是 BufferQueue 的核心部分，是生产者和消费者的纽带，主要负责 BufferQueue 的状态管理， 从定义上也能看出，它涵盖了 BufferQueue 的诸多状态：

//frameworks/native/libs/gui/BufferQueueCore.cpp
BufferQueueCore::BufferQueueCore(): mMutex(),mIsAbandoned(false),mConsumerControlledByApp(false),mConsumerName(getUniqueName()),mConsumerListener(),mConsumerUsageBits(0),mConsumerIsProtected(false),mConnectedApi(NO_CONNECTED_API),mLinkedToDeath(),mConnectedProducerListener(),mBufferReleasedCbEnabled(false),mSlots(),mQueue(),mFreeSlots(),mFreeBuffers(),mUnusedSlots(),mActiveBuffers(),mDequeueCondition(),mDequeueBufferCannotBlock(false),mQueueBufferCanDrop(false),mLegacyBufferDrop(true),mDefaultBufferFormat(PIXEL_FORMAT_RGBA_8888),mDefaultWidth(1),mDefaultHeight(1),mDefaultBufferDataSpace(HAL_DATASPACE_UNKNOWN),mMaxBufferCount(BufferQueueDefs::NUM_BUFFER_SLOTS),mMaxAcquiredBufferCount(1),mMaxDequeuedBufferCount(1),mBufferHasBeenQueued(false),mFrameCounter(0),mTransformHint(0),mIsAllocating(false),mIsAllocatingCondition(),mAllowAllocation(true),mBufferAge(0),mGenerationNumber(0),mAsyncMode(false),mSharedBufferMode(false),mAutoRefresh(false),mSharedBufferSlot(INVALID_BUFFER_SLOT),mSharedBufferCache(Rect::INVALID_RECT, 0, NATIVE_WINDOW_SCALING_MODE_FREEZE,HAL_DATASPACE_UNKNOWN),mLastQueuedSlot(INVALID_BUFFER_SLOT),mUniqueId(getUniqueId()),mAutoPrerotation(false),mTransformHintInUse(0) {
//...
}

producer（IGraphicBufferProducer）是 BufferQueue 的生产者，主要负责 Buffer 的申请，调用 dequeueBuffer() 获取一个空闲缓冲区，填充数据后通过 queueBuffer() 将其返回队列，producer 是一个 BBQBufferQueueProducer 对象：

//frameworks/native/libs/gui/BLASTBufferQueue.cppBBQBufferQueueProducer(const sp<BufferQueueCore>& core): BufferQueueProducer(core, false /* consumerIsSurfaceFlinger*/) {}

而 BBQBufferQueueProducer 又指向了一个 BufferQueueProducer 对象：

//frameworks/native/libs/gui/BufferQueueProducer.cpp
BufferQueueProducer::BufferQueueProducer(const sp<BufferQueueCore>& core,bool consumerIsSurfaceFlinger) :mCore(core),mSlots(core->mSlots),mConsumerName(),mStickyTransform(0),mConsumerIsSurfaceFlinger(consumerIsSurfaceFlinger),mLastQueueBufferFence(Fence::NO_FENCE),mLastQueuedTransform(0),mCallbackMutex(),mNextCallbackTicket(0),mCurrentCallbackTicket(0),mCallbackCondition(),mDequeueTimeout(-1),mDequeueWaitingForAllocation(false) {}

consumer(BufferQueueConsumer) 是 BufferQueue 的消费者，主要负责 Buffer 的使用，调用 acquireBuffer() 获取缓冲区，并在使用完毕后通过 releaseBuffer() 将其返回队列，BufferQueueConsumer 的初始化：

//frameworks/native/libs/gui/BufferQueueConsumer.cpp
BufferQueueConsumer::BufferQueueConsumer(const sp<BufferQueueCore>& core) :mCore(core),mSlots(core->mSlots),mConsumerName() {}

总结一下，core 是 BufferQueue 的核心，主要负责 Buffer 的状态管理，是生产者和消费者之间的重要纽带。producer 是生产者，主要负责 Buffer 空间的申请，consumer 是消费者，主要负责 Buffer 的使用。

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2、BLASTBufferQueue 的更新

JNI 通过 nativeGetSurface 更新 Buffer 的宽度，高度以及像素格式，这一小节我们看一下，原生层的 update 函数实现：

//frameworks/native/libs/gui/BLASTBufferQueue.cpp
void BLASTBufferQueue::update(const sp<SurfaceControl>& surface, uint32_t width, uint32_t height,int32_t format) {//...if (mFormat != format) {mFormat = format;mBufferItemConsumer->setDefaultBufferFormat(convertBufferFormat(format));}const bool surfaceControlChanged = !SurfaceControl::isSameSurface(mSurfaceControl, surface);if (surfaceControlChanged && mSurfaceControl != nullptr) {BQA_LOGD("Updating SurfaceControl without recreating BBQ");}bool applyTransaction = false;// Always update the native object even though they might have the same layer handle, so we can// get the updated transform hint from WM.mSurfaceControl = surface;SurfaceComposerClient::Transaction t;if (surfaceControlChanged) {t.setFlags(mSurfaceControl, layer_state_t::eEnableBackpressure,layer_state_t::eEnableBackpressure);applyTransaction = true;}mTransformHint = mSurfaceControl->getTransformHint();mBufferItemConsumer->setTransformHint(mTransformHint);BQA_LOGV("update width=%d height=%d format=%d mTransformHint=%d", width, height, format,mTransformHint);ui::Size newSize(width, height);if (mRequestedSize != newSize) {mRequestedSize.set(newSize);mBufferItemConsumer->setDefaultBufferSize(mRequestedSize.width, mRequestedSize.height);if (mLastBufferInfo.scalingMode != NATIVE_WINDOW_SCALING_MODE_FREEZE) {// If the buffer supports scaling, update the frame immediately since the client may// want to scale the existing buffer to the new size.mSize = mRequestedSize;if (mUpdateDestinationFrame) {t.setDestinationFrame(mSurfaceControl, Rect(newSize));applyTransaction = true;}}}if (applyTransaction) {// All transactions on our apply token are one-way. See comment on mAppliedLastTransactiont.setApplyToken(mApplyToken).apply(false, true);}
}

当高度，宽度等有变化的时候，会更新 BufferQueue。注意，这里 mBufferItemConsumer 对应的是上一小节中创建的 consumer。

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3、Surface 的创建

JNI 通过 nativeGetSurface 来获取一块 blastSurface，在 nativeGetSurface 函数中，Surface 是由 BLASTBufferQueue 类中的 getSurface 函数返回的：

//frameworks/native/libs/gui/BLASTBufferQueue.cpp
sp<Surface> BLASTBufferQueue::getSurface(bool includeSurfaceControlHandle) {std::unique_lock _lock{mMutex};sp<IBinder> scHandle = nullptr;if (includeSurfaceControlHandle && mSurfaceControl) {scHandle = mSurfaceControl->getHandle();}return new BBQSurface(mProducer, true, scHandle, this);
}

在 Java 层，传入的 includeSurfaceControlHandle 是 false，所以这里直接新建一个 BBQSurface 对象：

//frameworks/native/libs/gui/BLASTBufferQueue.cpp
BBQSurface(const sp<IGraphicBufferProducer>& igbp, bool controlledByApp,const sp<IBinder>& scHandle, const sp<BLASTBufferQueue>& bbq): Surface(igbp, controlledByApp, scHandle), mBbq(bbq) {}

BBQSurface 初始化了一个 Surface 对象，并将指针返回给 getSurface。这里 Surface 初始化并没有分配空间，还是一块空的 Buffer：

//frameworks/native/libs/gui/Surface.cpp
Surface::Surface(const sp<IGraphicBufferProducer>& bufferProducer, bool controlledByApp,const sp<IBinder>& surfaceControlHandle): mGraphicBufferProducer(bufferProducer),mCrop(Rect::EMPTY_RECT),mBufferAge(0),mGenerationNumber(0),mSharedBufferMode(false),mAutoRefresh(false),mAutoPrerotation(false),mSharedBufferSlot(BufferItem::INVALID_BUFFER_SLOT),mSharedBufferHasBeenQueued(false),mQueriedSupportedTimestamps(false),mFrameTimestampsSupportsPresent(false),mEnableFrameTimestamps(false),mFrameEventHistory(std::make_unique<ProducerFrameEventHistory>()) {// Initialize the ANativeWindow function pointers.ANativeWindow::setSwapInterval  = hook_setSwapInterval;ANativeWindow::dequeueBuffer    = hook_dequeueBuffer;ANativeWindow::cancelBuffer     = hook_cancelBuffer;ANativeWindow::queueBuffer      = hook_queueBuffer;ANativeWindow::query            = hook_query;ANativeWindow::perform          = hook_perform;ANativeWindow::dequeueBuffer_DEPRECATED = hook_dequeueBuffer_DEPRECATED;ANativeWindow::cancelBuffer_DEPRECATED  = hook_cancelBuffer_DEPRECATED;ANativeWindow::lockBuffer_DEPRECATED    = hook_lockBuffer_DEPRECATED;ANativeWindow::queueBuffer_DEPRECATED   = hook_queueBuffer_DEPRECATED;const_cast<int&>(ANativeWindow::minSwapInterval) = 0;const_cast<int&>(ANativeWindow::maxSwapInterval) = 1;mReqWidth = 0;mReqHeight = 0;mReqFormat = 0;mReqUsage = 0;mTimestamp = NATIVE_WINDOW_TIMESTAMP_AUTO;mDataSpace = Dataspace::UNKNOWN;mScalingMode = NATIVE_WINDOW_SCALING_MODE_FREEZE;mTransform = 0;mStickyTransform = 0;mDefaultWidth = 0;mDefaultHeight = 0;mUserWidth = 0;mUserHeight = 0;mTransformHint = 0;mConsumerRunningBehind = false;mConnectedToCpu = false;mProducerControlledByApp = controlledByApp;mSwapIntervalZero = false;mMaxBufferCount = NUM_BUFFER_SLOTS;mSurfaceControlHandle = surfaceControlHandle;
}

在文章第一部分，我们分析了 blastSurface 是一个 Surface 对象，这一小节通过原生层的代码分析，最后新建了一个原生层的 Surface 对象。函数时序图：

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总结

至此，BufferQueue 的创建过程已经分析完成，后续我们会继续分析 BufferQueue 如何通过 dequeueBuffer()，queueBuffer()，acquireBuffer() ，releaseBuffer() 进行 Buffer 管理；以及如何通过 Gralloc 申请具体的 Buffer 空间。

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