Android?鼠標(biāo)光標(biāo)的圖形合成原理實(shí)例探究
更新時(shí)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(shí)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(jìn)步,早日升職加薪
引言
一直很好奇鼠標(biāo)光標(biāo)是如何實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。源碼中對(duì) Sprite 的解釋為：顯示在其他圖層之上的圖形對(duì)象。看來 Sprite 并非專為光標(biāo)設(shè)計(jì)，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(huì)使用這個(gè)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(shí)，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(diǎn)
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(huì)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(diǎn)關(guān)注的是 createSurface() 方法中的參數(shù) flags。Sprite 中這個(gè) flags 設(shè)置了eHidden和eCursorWindow，它們表明創(chuàng)建的 Surface 是隱藏的，并標(biāo)識(shí)為 Cursor 使用。
來到 Surface
Input 中為光標(biāo)創(chuàng)建了一個(gè) Surface，并且標(biāo)識(shí)這是一個(gè) Cursor 使用的 Surface。之后，Surface 中會(huì)根據(jù)情形對(duì)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(jìn)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(gè)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(duì)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?，當(dāng)申請(qǐng)的是一個(gè) Cursor 圖層時(shí)，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(gè)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(gè)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(shí)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(hào)后，會(huì)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(qiáng)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(shí)，強(qiáng)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(jìn)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(gè)標(biāo)識(shí)告訴 HWC2 這是一個(gè) CursorLayer。除此之外，對(duì)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(jìn)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(gè)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(duì)于這種 Layer，需要由外部機(jī)制提供內(nèi)容更新，例如電視信號(hào)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(gè)重要的操作，setCursorPosition()，這個(gè)方法用來設(shè)置 Cursor 的位置，具體的實(shí)現(xiàn)依然在 HWComposer 中。當(dāng)用戶進(jìn)程更新 Surface 圖形時(shí)，SurfaceFlinger 會(huì)發(fā)送INVALIDATE消息給相應(yīng)的 Layer。消息處理函數(shù)調(diào)用handleTransaction()和handlePageFlip()來更新Layer對(duì)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(shí)會(huì)同步更新光標(biāo)位置。之后，在 Vsync 到來時(shí)，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(duì)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(dá) 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(shí)現(xiàn)還是在 HWComposer 中。但是 HWComposer 的實(shí)現(xiàn)是與平臺(tái)相關(guān)的，不同的平臺(tái)對(duì) CursorLayer 的實(shí)現(xiàn)可能不同。效率的方式是使用一個(gè)獨(dú)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(dòng)效率也很高，只要改變硬件 OSD 顯示的位置即可。如果沒有獨(dú)立的硬件 OSD 來使用，就只能在標(biāo)準(zhǔn)顯示層上進(jìn)行軟件疊加，或者使用 GPU 來疊加。
參考：
Android顯示系統(tǒng)SurfaceFlinger詳解
由于跟平臺(tái)相關(guān)的實(shí)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(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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