java Android 5.0（Lollipop）中的SurfaceTexture，TextureView，SurfaceView和GLSurfaceView

Posted 2021-05-08

Android 5.0(Lollipop)中的SurfaceTexture，TextureView, SurfaceView和GLSurfaceView

发布时间：2015-03-23 | 阅读次数：487次 | 分类：综合技术
SurfaceView, GLSurfaceView, SurfaceTexture和TextureView是Android当中名字比较绕，关系又比较密切的几个类。本文基于Android 5.0(Lollipop)的代码理1下它们的基本原理，联系与区分。

SurfaceView从Android 1.0(API level 1)时就有 。它继承自类View，因此它本质上是1个View。但与普通View不同的是，它有自己的Surface。我们知道，1般的Activity包括的多个View会组成View hierachy的树形结构，只有最顶层的DecorView，也就是根结点视图，才是对WMS可见的。这个DecorView在WMS中有1个对应的WindowState。相应地，在SF中对应的Layer。而SurfaceView自带1个Surface，这个Surface在WMS中有自己对应的WindowState，在SF中也会有自己的Layer。以下图所示：
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也就是说，虽然在App端它仍在View hierachy中，但在Server端（WMS和SF）中，它与宿主窗口是分离的。这样的好处是对这个Surface的渲染可以放到单独线程去做，渲染时可以有自己的GL context。这对1些游戏、视频等性能相干的利用非常有益，由于它不会影响主线程对事件的响应。但它也有缺点，由于这个Surface不在View hierachy中，它的显示也不受View的属性控制，所以不能进行平移，缩放等变换，也不能放在其它ViewGroup中，1些View中的特性也没法使用。

GLSurfaceView从Android 1.5(API level 3)开始加入，作为SurfaceView的补充。它可以看做是SurfaceView的1种典型使用模式。在SurfaceView的基础上，它加入了EGL的管理，并自带了渲染线程。另外它定义了用户需要实现的Render接口，提供了用Strategy pattern更改具体Render行动的灵活性。作为GLSurfaceView的Client，只需要将实现了渲染函数的Renderer的实现类设置给GLSurfaceView便可。如：
public class TriangleActivity extends Activity { protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) { mGLView = new GLSurfaceView(this); mGLView.setRenderer(new RendererImpl(this));
相干类图以下。其中SurfaceView中的SurfaceHolder主要是提供了1坨操作Surface的接口。GLSurfaceView中的EglHelper和GLThread分别实现了上面提到的管理EGL环境和渲染线程的工作。GLSurfaceView的使用者需要实现Renderer接口。
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SurfaceTexture从Android 3.0(API level 11)加入。和SurfaceView不同的是，它对图象流的处理其实不直接显示，而是转为GL外部纹理，因此可用于图象流数据的2次处理（如Camera滤镜，桌面殊效等）。比如Camera的预览数据，变成纹理后可以交给GLSurfaceView直接显示，也能够通过SurfaceTexture交给TextureView作为View heirachy中的1个硬件加速层来显示。首先，SurfaceTexture从图象流（来自Camera预览，视频解码，GL绘制场景等）中取得帧数据，当调用updateTexImage()时，根据内容流中最近的图象更新SurfaceTexture对应的GL纹理对象，接下来，就能够像操作普通GL纹理1样操作它了。从下面的类图中可以看出，它核心管理着1个BufferQueue的Consumer和Producer两端。Producer端用于内容流的源输出数据，Consumer端用于拿GraphicBuffer并生成纹理。SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener用于让SurfaceTexture的使用者知道有新数据到来。JNISurfaceTextureContext是OnFrameAvailableListener从Native到Java的JNI跳板。其中SurfaceTexture中的attachToGLContext()和detachToGLContext()可让多个GL context同享同1个内容源。
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Android 5.0中将BufferQueue的核心功能分离出来，放在BufferQueueCore这个类中。BufferQueueProducer和BufferQueueConsumer分别是它的生产者和消费者实现基类（分别实现了IGraphicBufferProducer和IGraphicBufferConsumer接口）。它们都是由BufferQueue的静态函数createBufferQueue()来创建的。Surface是生产者真个实现类，提供dequeueBuffer/queueBuffer等硬件渲染接口，和lockCanvas/unlockCanvasAndPost等软件渲染接口，使内容流的源可以往BufferQueue中填graphic buffer。GLConsumer继承自ConsumerBase，是消费者真个实现类。它在基类的基础上添加了GL相干的操作，如将graphic buffer中的内容转为GL纹理等操作。到此，以SurfaceTexture为中心的1个pipeline大体是这样的：
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TextureView在4.0(API level 14)中引入。它可以将内容流直接投影到View中，可以用于实现Live preview等功能。和SurfaceView不同，它不会在WMS中单独创建窗口，而是作为View hierachy中的1个普通View，因此可以和其它普通View1样进行移动，旋转，缩放，动画等变化。值得注意的是TextureView必须在硬件加速的窗口中。它显示的内容流数据可以来自App进程或是远端进程。从类图中可以看到，TextureView继承自View，它与其它的View1样在View hierachy中管理与绘制。TextureView重载了draw()方法，其中主要把SurfaceTexture中收到的图象数据作为纹理更新到对应的HardwareLayer中。SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener用于通知TextureView内容流有新图象到来。SurfaceTextureListener接口用于让TextureView的使用者知道SurfaceTexture已准备好，这样就能够把SurfaceTexture交给相应的内容源。Surface为BufferQueue的Producer接口实现类，使生产者可以通过它的软件或硬件渲染接口为SurfaceTexture内部的BufferQueue提供graphic buffer。
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下面以VideoDumpView.java（位于/frameworks/base/media/tests/MediaDump/src/com/android/mediadump/）为例分析下SurfaceTexture的使用。这个例子的效果是从MediaPlayer中拿到视频帧，然后显示在屏幕上，接着把屏幕上的内容dump到指定文件中。由于SurfaceTexture本身只产生纹理，所以这里还需要GLSurfaceView配合来做最后的渲染输出。

首先，VideoDumpView是GLSurfaceView的继承类。在构造函数VideoDumpView()中会创建VideoDumpRenderer，也就是GLSurfaceView.Renderer的实例，然后调setRenderer()将之设成GLSurfaceView的Renderer。
109 public VideoDumpView(Context context) { ... 116 mRenderer = new VideoDumpRenderer(context); 117 setRenderer(mRenderer); 118 }
随后，GLSurfaceView中的GLThread启动，创建EGL环境后回调VideoDumpRenderer中的onSurfaceCreated()。
519 public void onSurfaceCreated(GL10 glUnused, EGLConfig config) { ... 551 // Create our texture. This has to be done each time the surface is created. 552 int[] textures = new int[1]; 553 GLES20.glGenTextures(1, textures, 0); 554 555 mTextureID = textures[0]; 556 GLES20.glBindTexture(GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES, mTextureID); ... 575 mSurface = new SurfaceTexture(mTextureID); 576 mSurface.setOnFrameAvailableListener(this); 577 578 Surface surface = new Surface(mSurface); 579 mMediaPlayer.setSurface(surface);
这里，首先通过GLES创建GL的外部纹理。外部纹理说明它的真正内容是放在ion分配出来的系统物理内存中，而不是GPU中，GPU中只是保护了其元数据。接着根据前面创建的GL纹理对象创建SurfaceTexture。流程以下：
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SurfaceTexture的参数为GLES接口函数glGenTexture()得到的纹理对象id。在初始化函数SurfaceTexture_init()中，先创建GLConsumer和相应的BufferQueue，再将它们的指针通过JNI放到SurfaceTexture的Java层对象成员中。
230static void SurfaceTexture_init(JNIEnv* env, jobject thiz, jboolean isDetached, 231 jint texName, jboolean singleBufferMode, jobject weakThiz) 232{ ... 235 BufferQueue::createBufferQueue(&producer, &consumer); ... 242 sp<GLConsumer> surfaceTexture; 243 if (isDetached) { 244 surfaceTexture = new GLConsumer(consumer, GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES, 245 true, true); 246 } else { 247 surfaceTexture = new GLConsumer(consumer, texName, 248 GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES, true, true); 249 } ... 256 SurfaceTexture_setSurfaceTexture(env, thiz, surfaceTexture); 257 SurfaceTexture_setProducer(env, thiz, producer); ... 266 sp<JNISurfaceTextureContext> ctx(new JNISurfaceTextureContext(env, weakThiz, 267 clazz)); 268 surfaceTexture->setFrameAvailableListener(ctx); 269 SurfaceTexture_setFrameAvailableListener(env, thiz, ctx);
由于直接的Listener在Java层，而触发者在Native层，因此需要从Native层回调到Java层。这里通过JNISurfaceTextureContext当了跳板。JNISurfaceTextureContext的onFrameAvailable()起到了Native和Java的桥接作用：
180void JNISurfaceTextureContext::onFrameAvailable() ... 184 env->CallStaticVoidMethod(mClazz, fields.postEvent, mWeakThiz);
其中的fields.postEvent早在SurfaceTexture_classInit()中被初始化为SurfaceTexture的postEventFromNative()函数。这个函数往所在线程的消息队列中放入消息，异步调用VideoDumpRenderer的onFrameAvailable()函数，通知VideoDumpRenderer有新的数据到来。

回到onSurfaceCreated()，接下来创建供外部生产者使用的Surface类。Surface的构造函数之1带有参数SurfaceTexture。
133 public Surface(SurfaceTexture surfaceTexture) { ... 140 setNativeObjectLocked(nativeCreateFromSurfaceTexture(surfaceTexture));
它实际上是把SurfaceTexture中创建的BufferQueue的Producer接口实现类拿出来后创建了相应的Surface类。
135static jlong nativeCreateFromSurfaceTexture(JNIEnv* env, jclass clazz, 136 jobject surfaceTextureObj) { 137 sp<IGraphicBufferProducer> producer(SurfaceTexture_getProducer(env, surfaceTextureObj)); ... 144 sp<Surface> surface(new Surface(producer, true));
这样，Surface为BufferQueue的Producer端，SurfaceTexture中的GLConsumer为BufferQueue的Consumer端。当通过Surface绘制时，SurfaceTexture可以通过updateTexImage()来将绘制结果绑定到GL的纹理中。

回到onSurfaceCreated()函数，接下来调用setOnFrameAvailableListener()函数将VideoDumpRenderer（实现SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener接口）作为SurfaceTexture的Listener，由于它要监听内容流上是不是有新数据。接着将SurfaceTexture传给MediaPlayer，由于这里MediaPlayer是生产者，SurfaceTexture是消费者。后者要接收前者输出的Video frame。这样，就通过Observer pattern建立起了1条通知链：MediaPlayer -> SurfaceTexture -> VideDumpRenderer。在onFrameAvailable()回调函数中，将updateSurface标志设为true，表示有新的图象到来，需要更新Surface了。为毛不在这儿马上更新纹理呢，由于当前可能不在渲染线程。SurfaceTexture对象可以在任意线程被创建（回调也会在该线程被调用），但updateTexImage()只能在含有纹理对象的GL context所在线程中被调用。因此1般情况下回调中不能直接调用updateTexImage()。

与此同时，GLSurfaceView中的GLThread也在运行，它会调用到VideoDumpRenderer的绘制函数onDrawFrame()。
372 public void onDrawFrame(GL10 glUnused) { ... 377 if (updateSurface) { ... 380 mSurface.updateTexImage(); 381 mSurface.getTransformMatrix(mSTMatrix); 382 updateSurface = false; ... 394 // Activate the texture. 395 GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0); 396 GLES20.glBindTexture(GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES, mTextureID); ... 421 // Draw a rectangle and render the video frame as a texture on it. 422 GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4); ... 429 DumpToFile(frameNumber);
这里，通过SurfaceTexture的updateTexImage()将内容流中的新图象转成GL中的纹理，再进行坐标转换。绑定刚生成的纹理，画到屏幕上。全部流程以下：
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最后onDrawFrame()调用DumpToFile()将屏幕上的内容倒到文件中。在DumpToFile()中，先用glReadPixels()从屏幕中把像素数据存到Buffer中，然后用FileOutputStream输出到文件。

上面讲了SurfaceTexture，下面看看TextureView是如何工作的。还是从例子着手，Android的关于TextureView的官方文档(http://developer.android.com/reference/android/view/TextureView.html)给了1个简洁的例子LiveCameraActivity。它它可以将Camera中的内容放在View中进行显示。在onCreate()函数中首先创建TextureView，再将Activity(实现了TextureView.SurfaceTextureListener接口)传给TextureView，用于监听SurfaceTexture准备好的信号。
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) { ... mTextureView = new TextureView(this); mTextureView.setSurfaceTextureListener(this); ... }
TextureView的构造函数其实不做主要的初始化工作。主要的初始化工作是在getHardwareLayer()中，而这个函数是在其基类View的draw()中调用。TextureView重载了这个函数：
348 HardwareLayer getHardwareLayer() { ... 358 mLayer = mAttachInfo.mHardwareRenderer.createTextureLayer(); 359 if (!mUpdateSurface) { 360 // Create a new SurfaceTexture for the layer. 361 mSurface = new SurfaceTexture(false); 362 mLayer.setSurfaceTexture(mSurface); 363 } 364 mSurface.setDefaultBufferSize(getWidth(), getHeight()); 365 nCreateNativeWindow(mSurface); 366 367 mSurface.setOnFrameAvailableListener(mUpdateListener, mAttachInfo.mHandler); 368 369 if (mListener != null && !mUpdateSurface) { 370 mListener.onSurfaceTextureAvailable(mSurface, getWidth(), getHeight()); 371 } ... 390 applyUpdate(); 391 applyTransformMatrix(); 392 393 return mLayer; 394 }
由于TextureView是硬件加速层（类型为LAYER_TYPE_HARDWARE），它首先通过HardwareRenderer创建相应的HardwareLayer类，放在mLayer成员中。然后创建SurfaceTexture类，具体流程见前文。以后将HardwareLayer与SurfaceTexture做绑定。接着调用Native函数nCreateNativeWindow，它通过SurfaceTexture中的BufferQueueProducer创建Surface类。注意Surface实现了ANativeWindow接口，这意味着它可以作为EGL Surface传给EGL接口从而进行硬件绘制。然后setOnFrameAvailableListener()将监听者mUpdateListener注册到SurfaceTexture。这样，当内容流上有新的图象到来，mUpdateListener的onFrameAvailable()就会被调用。然后需要调用注册在TextureView中的SurfaceTextureListener的onSurfaceTextureAvailable()回调函数，通知TextureView的使用者SurfaceTexture已就绪。全部流程大体以下：
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注意这里这里为TextureView创建了DeferredLayerUpdater，而不是像Android 4.4(Kitkat)中返回GLES20TextureLayer。由于Android 5.0(Lollipop)中在App端分离出了渲染线程，并将渲染工作放到该线程中。这个线程还能接收VSync信号，因此它还能自己处理动画。事实上，这里DeferredLayerUpdater的创建就是通过同步方式在渲染线程中做的。DeferredLayerUpdater，顾名思义，就是将Layer的更新要求先记录在这，当渲染线程真正要画的时候，再进行真实的操作。其中的setSurfaceTexture()会调用HardwareLayer的Native函数nSetSurfaceTexture()将SurfaceTexture中的surfaceTexture成员（类型为GLConsumer）传给DeferredLayerUpdater，这样以后要更新纹理时DeferredLayerUpdater就知道从哪里更新了。

前面提到初始化中会调用onSurfaceTextureAvailable()这个回调函数。在它的实现中，TextureView的使用者就能够将准备好的SurfaceTexture传给数据源模块，供数据源输出之用。如：
public void onSurfaceTextureAvailable(SurfaceTexture surface, int width, int height) { mCamera = Camera.open(); ... mCamera.setPreviewTexture(surface); mCamera.startPreview(); ... }
看1下setPreviewTexture()的实现，其中把SurfaceTexture中初始化时创建的GraphicBufferProducer拿出来传给Camera模块。
576static void android_hardware_Camera_setPreviewTexture(JNIEnv *env, 577 jobject thiz, jobject jSurfaceTexture) ... 585 producer = SurfaceTexture_getProducer(env, jSurfaceTexture); ... 594 if (camera->setPreviewTarget(producer) != NO_ERROR) {
到这里，1切都初始化地差不多了。接下来当内容流有新图象可用，TextureView会被通知到（通过SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener接口）。SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener是SurfaceTexture有新内容来时的回调接口。TextureView中的mUpdateListener实现了该接口：
755 public void onFrameAvailable(SurfaceTexture surfaceTexture) { 756 updateLayer(); 757 invalidate(); 758 }
可以看到其中会调用updateLayer()函数，然后通过invalidate()函数申请更新UI。updateLayer()会设置mUpdateLayer标志位。这样，当下次VSync到来时，Choreographer通知App通太重绘View hierachy。在UI重绘函数performTranversals()中，作为View hierachy的1份子，TextureView的draw()函数被调用，其中便会相继调用applyUpdate()和HardwareLayer的updateSurfaceTexture()函数。
138 public void updateSurfaceTexture() { 139 nUpdateSurfaceTexture(mFinalizer.get()); 140 mRenderer.pushLayerUpdate(this); 141 }
updateSurfaceTexture()实际通过JNI调用到android_view_HardwareLayer_updateSurfaceTexture()函数。在其中会设置相应DeferredLayerUpdater的标志位mUpdateTexImage，它表示在渲染线程中需要更新该层的纹理。

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前面提到，Android 5.0引入了渲染线程，它是1个更大的topic，超越本文范围，这里只说相干的部份。作为背景知识，下面只画出了相干的类。可以看到，ThreadedRenderer作为新的HardwareRenderer替换了Android 4.4中的Gl20Renderer。其中比较关键的是RenderProxy类，需要让渲染线程干活时就通过这个类往渲染线程发任务。RenderProxy中指向的RenderThread就是渲染线程的主体了，其中的threadLoop()函数是主循环，大多数时间它会poll在线程的Looper上等待，当有同步要求（或VSync信号）过来，它会被唤醒，然后处理TaskQueue中的任务。TaskQueue是RenderTask的队列，RenderTask代表1个渲染线程中的任务。如DrawFrameTask就是RenderTask的继承类之1，它主要用于渲染当前帧。而DrawFrameTask中的DeferredLayerUpdater集合就寄存着之前对硬件加速层的更新操作申请。
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当主线程准备好渲染数据后，会以同步方式让渲染线程完成渲染工作。其中会先调用processLayerUpdate()更新所有硬件加速层中的属性，继而调用到DeferredLayerUpdater的apply()函数，其中检测到标志位mUpdateTexImage被置位，因而会调用doUpdateTexImage()真正更新GL纹理和转换坐标。
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最后，总结下这几者的区分和联系。简单地说，SurfaceView是1个有自己Surface的View。它的渲染可以放在单独线程而不是主线程中。其缺点是不能做变形和动画。SurfaceTexture可以用作非直接输出的内容流，这样就提供2次处理的机会。与SurfaceView直接输出相比，这样会有若干帧的延迟。同时，由于它本身管理BufferQueue，因此内存消耗也会略微大1些。TextureView是1个可以把内容流作为外部纹理输出在上面的View。它本身需要是1个硬件加速层。事实上TextureView本身也包括了SurfaceTexture。它与SurfaceView+SurfaceTexture组合相比可以完成类似的功能（即把内容流上的图象转成纹理，然后输出）。区分在于TextureView是在View hierachy中做绘制，因此1般它是在主线程上做的（在Android 5.0引入渲染线程后，它是在渲染线程中做的）。而SurfaceView+SurfaceTexture在单独的Surface上做绘制，可以是用户提供的线程，而不是系统的主线程或是渲染线程。另外，与TextureView相比，它还有个好处是可以用Hardware overlay进行显示