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Android?鼠標(biāo)光標(biāo)的圖形合成原理實例探究

 更新時間:2024年01月30日 09:09:54   作者:戈壁老王  
這篇文章主要為大家介紹了Android?鼠標(biāo)光標(biāo)的圖形合成原理實例探究,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步,早日升職加薪

引言

一直很好奇鼠標(biāo)光標(biāo)是如何實現(xiàn)的,它反映很快、延遲很小,沒有受到 Android 顯示系統(tǒng)的影響。正好最近做相關(guān)的工作,跟著源碼好好研究一下。

本文參考 Android 9.0 源碼。

從 Input 說起

我們并不是要講 Input,只想看看鼠標(biāo)光標(biāo)的繪制過程。但是,Android 將鼠標(biāo)光標(biāo)的實現(xiàn)放到了 Input 中,這看起來也是合理的。在 Input 中,光標(biāo)由類Sprite 實現(xiàn)。源碼中對 Sprite 的解釋為:顯示在其他圖層之上的圖形對象??磥?nbsp;Sprite 并非專為光標(biāo)設(shè)計,但在源碼中的位置表明,它在 Android 中也只為鼠標(biāo)或觸摸之類的輸入設(shè)備的光標(biāo)服務(wù)。Sprite 的定義中也只提供了簡單的圖形操作。

frameworks/base/libs/input/SpriteController.h
/*
 * A sprite is a simple graphical object that is displayed on-screen above other layers.
 * The basic sprite class is an interface.
 * The implementation is provided by the sprite controller.
 */
class Sprite : public RefBase {
protected:
    Sprite() { }
    virtual ~Sprite() { }
public:
    enum {
        // The base layer for pointer sprites.
        BASE_LAYER_POINTER = 0, // reserve space for 1 pointer
        // The base layer for spot sprites.
        BASE_LAYER_SPOT = 1, // reserve space for MAX_POINTER_ID spots
    };
    /* Sets the bitmap that is drawn by the sprite.
     * The sprite retains a copy of the bitmap for subsequent rendering. */
    virtual void setIcon(const SpriteIcon& icon) = 0;
    inline void clearIcon() {
        setIcon(SpriteIcon());
    }
    /* Sets whether the sprite is visible. */
    virtual void setVisible(bool visible) = 0;
    /* Sets the sprite position on screen, relative to the sprite's hot spot. */
    virtual void setPosition(float x, float y) = 0;
    /* Sets the layer of the sprite, relative to the system sprite overlay layer.
     * Layer 0 is the overlay layer, > 0 appear above this layer. */
    virtual void setLayer(int32_t layer) = 0;
    /* Sets the sprite alpha blend ratio between 0.0 and 1.0. */
    virtual void setAlpha(float alpha) = 0;
    /* Sets the sprite transformation matrix. */
    virtual void setTransformationMatrix(const SpriteTransformationMatrix& matrix) = 0;
};

控制光標(biāo)的類叫做 SpriteController,PointerController 會使用這個類來顯示光標(biāo)。這里我們只關(guān)心光標(biāo)圖形的合成,真正顯示和更新光標(biāo)的方法是 SpriteController::doUpdateSprites() 。

frameworks/base/libs/input/SpriteController.cpp
void SpriteController::doUpdateSprites() {
    // 從invalidatedSprites 中收集需要更新的 Sprite
    Vector<SpriteUpdate> updates;
    size_t numSprites;
    { // acquire lock
        AutoMutex _l(mLock);
        numSprites = mLocked.invalidatedSprites.size();
        for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) {
            const sp<SpriteImpl>& sprite = mLocked.invalidatedSprites.itemAt(i);
            updates.push(SpriteUpdate(sprite, sprite->getStateLocked()));
            sprite->resetDirtyLocked();
        }
        mLocked.invalidatedSprites.clear();
    } // release lock
    // surfaces 未創(chuàng)建或丟失時,重新創(chuàng)建 surface
    bool surfaceChanged = false;
    for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) {
        SpriteUpdate& update = updates.editItemAt(i);
        if (update.state.surfaceControl == NULL && update.state.wantSurfaceVisible()) {
            update.state.surfaceWidth = update.state.icon.bitmap.width();
            update.state.surfaceHeight = update.state.icon.bitmap.height();
            update.state.surfaceDrawn = false;
            update.state.surfaceVisible = false;
            // 創(chuàng)建 Surface,我們這次的關(guān)注點
            update.state.surfaceControl = obtainSurface(
                    update.state.surfaceWidth, update.state.surfaceHeight);
            if (update.state.surfaceControl != NULL) {
                update.surfaceChanged = surfaceChanged = true;
            }
        }
    }
    // 如果需要,重新調(diào)整 sprites 大小
    SurfaceComposerClient::Transaction t;
    bool needApplyTransaction = false;
    for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) {
        ......
            if (update.state.surfaceWidth < desiredWidth
                    || update.state.surfaceHeight < desiredHeight) {
                needApplyTransaction = true;
                t.setSize(update.state.surfaceControl,
                        desiredWidth, desiredHeight);
                ......
            }
        }
    }
    if (needApplyTransaction) {
        t.apply();
    }
    // 如果需要,重畫 sprites
    for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) {
        SpriteUpdate& update = updates.editItemAt(i);
        if ((update.state.dirty & DIRTY_BITMAP) && update.state.surfaceDrawn) {
            update.state.surfaceDrawn = false;
            update.surfaceChanged = surfaceChanged = true;
        }
        if (update.state.surfaceControl != NULL && !update.state.surfaceDrawn
                && update.state.wantSurfaceVisible()) {
            sp<Surface> surface = update.state.surfaceControl->getSurface();
            ANativeWindow_Buffer outBuffer;
            ......
                // 使用 SKIA 畫圖
                SkBitmap surfaceBitmap;
                ssize_t bpr = outBuffer.stride * bytesPerPixel(outBuffer.format);
                surfaceBitmap.installPixels(SkImageInfo::MakeN32Premul(outBuffer.width, outBuffer.height),
                                            outBuffer.bits, bpr);
                SkCanvas surfaceCanvas(surfaceBitmap);
                SkPaint paint;
                paint.setBlendMode(SkBlendMode::kSrc);
                surfaceCanvas.drawBitmap(update.state.icon.bitmap, 0, 0, &paint);
                if (outBuffer.width > update.state.icon.bitmap.width()) {
                    paint.setColor(0); // transparent fill color
                    surfaceCanvas.drawRect(SkRect::MakeLTRB(update.state.icon.bitmap.width(), 0,
                            outBuffer.width, update.state.icon.bitmap.height()), paint);
                }
                if (outBuffer.height > update.state.icon.bitmap.height()) {
                    paint.setColor(0); // transparent fill color
                    surfaceCanvas.drawRect(SkRect::MakeLTRB(0, update.state.icon.bitmap.height(),
                            outBuffer.width, outBuffer.height), paint);
                }
                ......
    }
    // 根據(jù) dirty 值來設(shè)置 Surface
    needApplyTransaction = false;
    for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) {
        SpriteUpdate& update = updates.editItemAt(i);
        bool wantSurfaceVisibleAndDrawn = update.state.wantSurfaceVisible()
                && update.state.surfaceDrawn;
        bool becomingVisible = wantSurfaceVisibleAndDrawn && !update.state.surfaceVisible;
        bool becomingHidden = !wantSurfaceVisibleAndDrawn && update.state.surfaceVisible;
        if (update.state.surfaceControl != NULL && (becomingVisible || becomingHidden
                || (wantSurfaceVisibleAndDrawn && (update.state.dirty & (DIRTY_ALPHA
                        | DIRTY_POSITION | DIRTY_TRANSFORMATION_MATRIX | DIRTY_LAYER
                        | DIRTY_VISIBILITY | DIRTY_HOTSPOT))))) {
        ......
    }
    if (needApplyTransaction) {
        status_t status = t.apply();
        if (status) {
            ALOGE("Error applying Surface transaction");
        }
    }
......
}

一次的光標(biāo)的更新就會涉及到如此多的代碼邏輯,可見UI真是不容易。其他的邏輯線不管,這次我們只關(guān)心光標(biāo)的圖層。上述代碼通過 obtainSurface() 來創(chuàng)建 Surface。

frameworks/base/libs/input/SpriteController.cpp

sp<SurfaceControl> SpriteController::obtainSurface(int32_t width, int32_t height) {
    ensureSurfaceComposerClient();

    sp<SurfaceControl> surfaceControl = mSurfaceComposerClient->createSurface(
            String8("Sprite"), width, height, PIXEL_FORMAT_RGBA_8888,
            ISurfaceComposerClient::eHidden |
            ISurfaceComposerClient::eCursorWindow);
    if (surfaceControl == NULL || !surfaceControl->isValid()) {
        ALOGE("Error creating sprite surface.");
        return NULL;
    }
    return surfaceControl;
}

這里我們需要重點關(guān)注的是 createSurface() 方法中的參數(shù) flags。Sprite 中這個 flags 設(shè)置了eHiddeneCursorWindow,它們表明創(chuàng)建的 Surface 是隱藏的,并標(biāo)識為 Cursor 使用。

來到 Surface

Input 中為光標(biāo)創(chuàng)建了一個 Surface,并且標(biāo)識這是一個 Cursor 使用的 Surface。之后,Surface 中會根據(jù)情形對光標(biāo)圖層做特殊處理,這里的關(guān)鍵字就是 Cursor。

我們還是以光標(biāo)圖層為主線進行跟蹤,先繼續(xù)看下createSurface()。經(jīng)過一系列的 Binder 調(diào)用和 Message傳遞,最終通過 SurfaceFlinger 的createLayer()完成圖層創(chuàng)建。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp

status_t SurfaceFlinger::createLayer(const String8& name, const sp<Client>& client, uint32_t w,
                                     uint32_t h, PixelFormat format, uint32_t flags,
                                     int32_t windowType, int32_t ownerUid, sp<IBinder>* handle,
                                     sp<IGraphicBufferProducer>* gbp,
                                     const sp<IBinder>& parentHandle,
                                     const sp<Layer>& parentLayer) {
    ......
    switch (flags & ISurfaceComposerClient::eFXSurfaceMask) {
        // 普通圖層
        case ISurfaceComposerClient::eFXSurfaceNormal:
            result = createBufferLayer(client,
                    uniqueName, w, h, flags, format,
                    handle, gbp, &layer);

            break;
        // 純色圖層
        case ISurfaceComposerClient::eFXSurfaceColor:
            result = createColorLayer(client,
                    uniqueName, w, h, flags,
                    handle, &layer);
            break;
        default:
            result = BAD_VALUE;
            break;
    }
    ......
    // Client中通過Layer管理Surface,將創(chuàng)建的Layer加入到LayerStack中
    result = addClientLayer(client, *handle, *gbp, layer, parentHandle, parentLayer);
    if (result != NO_ERROR) {
        return result;
    }
    mInterceptor->saveSurfaceCreation(layer);

    setTransactionFlags(eTransactionNeeded);
    return result;
}

createLayer()中,光標(biāo)算是普通圖層,所以僅需調(diào)用createBufferLayer()來創(chuàng)建。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp
status_t SurfaceFlinger::createBufferLayer(const sp<Client>& client,
        const String8& name, uint32_t w, uint32_t h, uint32_t flags, PixelFormat& format,
        sp<IBinder>* handle, sp<IGraphicBufferProducer>* gbp, sp<Layer>* outLayer)
{
    ......
    // 創(chuàng)建一個BufferLayer
    sp<BufferLayer> layer = new BufferLayer(this, client, name, w, h, flags);
    // 設(shè)置Buffer屬性
    status_t err = layer->setBuffers(w, h, format, flags);
    if (err == NO_ERROR) {
        *handle = layer->getHandle(); // 獲取Layer的句柄
        *gbp = layer->getProducer(); // 獲取GraphicBufferProducer對象 
        *outLayer = layer;
    }
    ALOGE_IF(err, "createBufferLayer() failed (%s)", strerror(-err));
    return err;
}

其中layer->setBuffers()設(shè)置了該BufferLayer的屬性??梢钥吹剑?dāng)申請的是一個 Cursor 圖層時,mPotentialCursor被設(shè)置為true,表明該 BufferLayer 作為 Cursor 使用。

frameworks/native/services/surfaceflinger/BufferLayer.cpp
status_t BufferLayer::setBuffers(uint32_t w, uint32_t h, PixelFormat format, uint32_t flags) {
    ......
    mFormat = format;
    mPotentialCursor = (flags & ISurfaceComposerClient::eCursorWindow) ? true : false;
    mProtectedByApp = (flags & ISurfaceComposerClient::eProtectedByApp) ? true : false;
    mCurrentOpacity = getOpacityForFormat(format);
    mConsumer->setDefaultBufferSize(w, h);
    mConsumer->setDefaultBufferFormat(format);
    mConsumer->setConsumerUsageBits(getEffectiveUsage(0));
    return NO_ERROR;
}

SurfaceFlinger 中的 Cursor 操作

上面講到 Cursor Layer 最核心的屬性mPotentialCursor,createSurface()只是設(shè)置了這個屬性,真正的使用在 SurfaceFlinger 渲染過程中。接著我發(fā)現(xiàn),想把這個東西看明白,先需要把 Android 圖形合成弄清楚,這可是的龐大的工程。借張圖,有興趣的自己研究。

但是,時間有限,怎么辦?我的解決辦法就是搜索關(guān)鍵字。搜索關(guān)鍵字Cursor后,可以得到一些相關(guān)的操作。SurfaceFlinger 接收到 Vsync 信號后,會調(diào)用handleMessageRefresh()來刷新顯示。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp

void SurfaceFlinger::handleMessageRefresh() {
    ......
    preComposition(refreshStartTime); //合成預(yù)處理
    rebuildLayerStacks(); //重新構(gòu)建LayerStacks
    setUpHWComposer(); //更新HWComposer的圖層和屬性
    doDebugFlashRegions(); //圖形繪制的debug模式
    doTracing("handleRefresh");
    logLayerStats();
    doComposition(); //合成所有圖層
    postComposition(refreshStartTime); //合成后處理
    ......
}

我們還是只關(guān)心 Cursor 的操作,它位于 HWComposer 控制的圖層中。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp
void SurfaceFlinger::setUpHWComposer() {
    ......
    // 遍歷所有的DisplayDevice,為繪制做準(zhǔn)備
    for (size_t dpy=0 ; dpy<mDisplays.size() ; dpy++) {
        ......
        mDisplays[dpy]->beginFrame(mustRecompose);
        if (mustRecompose) {
            mDisplays[dpy]->lastCompositionHadVisibleLayers = !empty;
        }
    }
    // 設(shè)置HWC Layer
    if (CC_UNLIKELY(mGeometryInvalid)) {
        mGeometryInvalid = false;
        for (size_t dpy=0 ; dpy<mDisplays.size() ; dpy++) {
            ......
                for (size_t i = 0; i < currentLayers.size(); i++) {
                    const auto& layer = currentLayers[i];
                    // 嘗試創(chuàng)建HWC Layer,如果失敗則強制OpenGL渲染
                    if (!layer->hasHwcLayer(hwcId)) {
                        if (!layer->createHwcLayer(getBE().mHwc.get(), hwcId)) {
                            layer->forceClientComposition(hwcId);
                            continue;
                        }
                    }
                    // 設(shè)置HWC Layer的顯示區(qū)域、合成模式、Alpha、Order等
                    layer->setGeometry(displayDevice, i);
                    // HWC被禁止或繪制debug模式時,強制OpenGL渲染
                    if (mDebugDisableHWC || mDebugRegion) {
                        layer->forceClientComposition(hwcId);
                    }
        ......
    }
    // 準(zhǔn)備HWC需要渲染的數(shù)據(jù)
    for (size_t displayId = 0; displayId < mDisplays.size(); ++displayId) {
        auto& displayDevice = mDisplays[displayId];
        const auto hwcId = displayDevice->getHwcDisplayId();
        ......
            //調(diào)用 setPerFrameData方法
            layer->setPerFrameData(displayDevice);
        ......
    }
    ......
    for (size_t displayId = 0; displayId < mDisplays.size(); ++displayId) {
        ......
        // 嘗試進行顯示
        status_t result = displayDevice->prepareFrame(*getBE().mHwc);
        ......
    }
}

其中setPerFrameData()完成 HWComposer 的相關(guān)設(shè)置,為顯示做準(zhǔn)備。

frameworks/native/services/surfaceflinger/BufferLayer.cpp
void BufferLayer::setPerFrameData(const sp<const DisplayDevice>& displayDevice) {
    ......
    // 設(shè)置可見區(qū)域
    auto error = hwcLayer->setVisibleRegion(visible);
    ......
    // 設(shè)置刷新區(qū)域
    error = hwcLayer->setSurfaceDamage(surfaceDamageRegion);
    ......
    // Sideband layers設(shè)置
    if (getBE().compositionInfo.hwc.sidebandStream.get()) {
        setCompositionType(hwcId, HWC2::Composition::Sideband);
        error = hwcLayer->setSidebandStream(getBE().compositionInfo.hwc.sidebandStream->handle());
        ......
        return;
    }
    if (mPotentialCursor) {
        // Cursor layers設(shè)置
        setCompositionType(hwcId, HWC2::Composition::Cursor);
    } else {
        // Device layers設(shè)置
        setCompositionType(hwcId, HWC2::Composition::Device);
    }
    // 設(shè)置色彩空間
    error = hwcLayer->setDataspace(mCurrentDataSpace);
    if (error != HWC2::Error::None) {
        ALOGE("[%s] Failed to set dataspace %d: %s (%d)", mName.string(), mCurrentDataSpace,
              to_string(error).c_str(), static_cast<int32_t>(error));
    }
    // 獲取HDR數(shù)據(jù)并設(shè)置到HWC中
    const HdrMetadata& metadata = mConsumer->getCurrentHdrMetadata();
    error = hwcLayer->setPerFrameMetadata(displayDevice->getSupportedPerFrameMetadata(), metadata);
    ......
    // 獲取渲染的數(shù)據(jù)buffer和Fence,設(shè)置到HWC中
    sp<GraphicBuffer> hwcBuffer;
    hwcInfo.bufferCache.getHwcBuffer(getBE().compositionInfo.mBufferSlot,
                                     getBE().compositionInfo.mBuffer, &hwcSlot, &hwcBuffer);
    auto acquireFence = mConsumer->getCurrentFence();
    error = hwcLayer->setBuffer(hwcSlot, hwcBuffer, acquireFence);
    ......
}

我們終于找到了希望看到的mPotentialCursor,通過這個標(biāo)識告訴 HWC2 這是一個 CursorLayer。除此之外,對于 CursorLayer 的操作與 DeviceLayer 并沒有區(qū)別。所以,SurfaceFlinger 更多的是希望 HWComposer 根據(jù) Layer 的類型進行不同處理。目前 HWC2 支持的 Layer 類型有,

  • HWC2_COMPOSITION_CLIENT:不通過 HWC 硬件來合成圖層。GPU 將這類圖層合成到一個圖像 Buffer 中,然后傳遞給 HWC。
  • HWC2_COMPOSITION_DEVICE:使用 HWC 硬件來合成圖層。
  • HWC2_COMPOSITION_SOLID_COLOR:用來處理 ColorLayer 數(shù)據(jù),如果 HWC 不支持,則改為使用 CLIENT 方式合成。
  • HWC2_COMPOSITION_CURSOR:用來處理 CursorLayer 數(shù)據(jù),位置通過setCursorPosition 異步設(shè)置。如果 HWC 不支持,則改為使用 CLIENT 或 DEVICE 方式合成。
  • HWC2_COMPOSITION_SIDEBAND:對于這種 Layer,需要由外部機制提供內(nèi)容更新,例如電視信號的視頻數(shù)據(jù)。如果 HWC 不支持,則改為使用 CLIENT 或 DEVICE 方式合成,但可能無法正確顯示。

Cursor Layer還有一個重要的操作,setCursorPosition(),這個方法用來設(shè)置 Cursor 的位置,具體的實現(xiàn)依然在 HWComposer 中。當(dāng)用戶進程更新 Surface 圖形時,SurfaceFlinger 會發(fā)送INVALIDATE消息給相應(yīng)的 Layer。消息處理函數(shù)調(diào)用handleTransaction()handlePageFlip()來更新Layer對象。handleTransaction()

用來處理 Layer 和顯示設(shè)備的變化,它繼續(xù)調(diào)用handleTransactionLocked()。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp
void SurfaceFlinger::handleTransactionLocked(uint32_t transactionFlags)
{
    ......
    // 處理Layer的變化
    if (transactionFlags & eTraversalNeeded) {
        ......
    }
    // 處理顯示設(shè)備的變化
    if (transactionFlags & eDisplayTransactionNeeded) {
        processDisplayChangesLocked();
        processDisplayHotplugEventsLocked();
    }
    // 設(shè)置transform hint
    if (transactionFlags & (eDisplayLayerStackChanged|eDisplayTransactionNeeded)) {
        ......
   }
   //處理Layer的增減
   if (mLayersAdded) {
        ......
    }
    if (mLayersRemoved) {
        ......
    }
    commitTransaction();
    // 更新光標(biāo)位置
    updateCursorAsync();
}

我們找到了 Cursor 更新的地方,SurfaceFlinger 更新圖形時會同步更新光標(biāo)位置。之后,在 Vsync 到來時,完成圖像的更新顯示。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp
void SurfaceFlinger::updateCursorAsync()
{
    for (size_t displayId = 0; displayId < mDisplays.size(); ++displayId) {
        ......
        // 調(diào)用Layer的對應(yīng)方法
        for (auto& layer : displayDevice->getVisibleLayersSortedByZ()) {
            layer->updateCursorPosition(displayDevice);
        }
    }
}
frameworks/native/services/surfaceflinger/Layer.cpp
void Layer::updateCursorPosition(const sp<const DisplayDevice>& displayDevice) {
    // HWC Layer不存在或者不是Cursor Layer,不做處理
    auto hwcId = displayDevice->getHwcDisplayId();
    if (getBE().mHwcLayers.count(hwcId) == 0 ||
        getCompositionType(hwcId) != HWC2::Composition::Cursor) {
        return;
    }
    ......
    // 獲取圖層的位置
    Rect bounds = reduce(win, s.activeTransparentRegion);
    Rect frame(getTransform().transform(bounds));
    frame.intersect(displayDevice->getViewport(), &frame);
    if (!s.finalCrop.isEmpty()) {
        frame.intersect(s.finalCrop, &frame);
    }
    auto& displayTransform(displayDevice->getTransform());
    auto position = displayTransform.transform(frame);
    // 調(diào)用HWC的方法來設(shè)置圖層位置
    auto error = getBE().mHwcLayers[hwcId].layer->setCursorPosition(position.left, position.top);
}

到達 HWComposer

上面分析了許多代碼,但真正與 Cursor 相關(guān)的并不多。CursorLayer 的真正實現(xiàn)還是在 HWComposer 中。但是 HWComposer 的實現(xiàn)是與平臺相關(guān)的,不同的平臺對 CursorLayer 的實現(xiàn)可能不同。效率的方式是使用一個獨立的硬件 OSD 來顯示 CursorLayer,然后通過硬件合成的方式將 CursorLayer 疊加到 UI 顯示層。使用這種方式,光標(biāo)的移動效率也很高,只要改變硬件 OSD 顯示的位置即可。如果沒有獨立的硬件 OSD 來使用,就只能在標(biāo)準(zhǔn)顯示層上進行軟件疊加,或者使用 GPU 來疊加。

參考:

Android顯示系統(tǒng)SurfaceFlinger詳解

Android SurfaceFlinger

由于跟平臺相關(guān)的實現(xiàn)具有私密性,這里不再繼續(xù)分析,更多關(guān)于Android鼠標(biāo)光標(biāo)圖形合成的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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