GraphicBuffer管理

Posted 2023-04-18

参考技术A android系统定义了一个Native窗口 ANativeWindow，结构定义如下：

根据ANativeWindow的结构定义可看出，ANativeWindow描述了本地窗口的基本信息，同时还定义了一系列操作窗口缓冲区的方法，窗口是需要内容显示的，显示的内容自然是存放在窗口缓冲区ANativeWindowBuffer中。
来看下ANativeWindowBuffer窗口缓存的结构定义：

ANativeWindowBuffer定义了窗口缓冲区的基本信息，包括宽，高， stride(每行像素个数)，图像格式等，还定义了handle指针，存放Gralloc模块分配的真正的Buffer的地址。

ANativeWindow代表了一个窗口，提供了窗口管理的基本方法来操作窗口缓冲区的出队和入队。ANativeWindowBuffer则负责描述Window一个图形缓冲区。

Surface实现了ANativeWindow, 负责管理一个窗口，而GraphicBuffer则实现了ANativeWindowBuffer，负责管理一个图形缓冲区。Surface后续在进行分析，我们先看下GraphicBuffer的实现。

GraphicBuffer继承自ANativeWindow

GraphicBuffer有三个构造函数
1：创建一个width × height的GraphicBuffer
2：根据已经有的buffer的handle来创建一个GraphicBuffer
3：根据一个ANativeWindowBuffer来创建一个GraphicBuffer
我们只分析第一个看看GraphicBuffer是如何创建的？

构造方法先将GraphicBuffer的width，height等属性设置为默认值0，然后调用initSize来创建Buffer.

initSize方法中首先获取了GraphicBufferAllocator对象， GraphicBufferAllocator实现是单例模式，所以每个进程中只有一个GraphicBufferAllocator负责Buffer的分配。
调用GraphicBufferAllocator的alloc方法为当前GraphicBuffer分配了一个指定宽高，以及Format的Buffer, 分配成功后将宽高，stride等属性保存到GraphicBuffer对象的属性中，把buffer的handle保存在GraphicBuffer的handle中，GraphicBuffer就可以管理一个真正的图形缓冲区Buffer，这样GraphicBuffer就创建好了。

GraphicBuffer在构造方法中调用了GraphicBufferAllocator来分配了一个真正的图形缓冲区，具体是怎么分配的呢？

在分析Gralloc模块的时候知道，Gralloc设备会在两个地方被打开，一个是HWCompser，另一个就是GraphicBufferAllocator， 此处会加载Gralloc硬件模块抽象库，同时调用gralloc_open来打开GRALLOC_HARDWARE_GPU0 设备，将返回的alloc_device_t保存在mAllocDev中。
接着看负责缓冲区分配的alloc方法。

alloc方法会调用打开的alloc_device_t设备的alloc方法，GraphicBufferAllocator中调用 mAllocDev->alloc方法会调用到gralloc模块，来分配图形缓冲区，如果分配成功之后则根据返回的属性创建一个alloc_rec_t对象，并将这个对象添加到sAllocList中。
sAllocList是GraphicBufferAllocator维护的一个列表，一个进程中所有分配的图形缓冲区都会维护在这个列表中，只有调用GraphicBufferAllocator的free方法释放缓冲区后，才会从列表中移除。

alloc_device_t设备在打开的过程中会注册操作图形缓冲区的方法，gralloc_alloc和gralloc_free，两个方法分别 用于分配和释放图形缓冲区。

该方法首先根据传入的图像格式计算每个像素占用的字节数，根据每个像素的字节数计算每行像素的个数stride 以及 图形缓冲区所需要的内存大小size。
最后由这些结果作为参数调用gralloc_alloc_buffer来分配缓冲区内存。

gralloc_alloc_buffer分配缓冲区内存做了什么操作呢？
1：根据参数传入的缓冲区大小 创建了一个匿名共享内存，共享内存fd存放到private_handle_t的fd中
2：调用mapBuffer，将共享内存映射到当前进程，并吧内存首地址保存到private_handle_t的base中
3：将private_handle_t返回给调用者，这个就是图形缓冲区的handle, 用于唯一区别一个缓冲区。

至此，Gralloc模块分配缓冲区的逻辑就分析完了

根据传入的图形缓冲区的private_handle_t标识符，调用terminateBuffer来释放buffer, 因我们分析GraphicBuffer的分配与释放，FB设备的相关逻辑暂时不关注。
直接看terminateBuffer是如何释放缓冲区的？

terminateBuffer 释放图形缓冲区很简单，根据private_handle_t的base属性判断内存是否已经映射过了，如果已经映射，则调用munmap方法取消映射即可。

GraphicBuffer实现了ANativeWindowBuffer，用来管理图像窗口的图形缓冲区，是ANativeWindow的显示内容和操作对象，GraphicBuffer的handle指针指向的才是真正的缓冲区内存。
GraphicBufferAllocator负责缓冲区内存的分配，会调用到gralloc模块的gralloc设备进行分配。每个图形缓冲区都是一个匿名共享内存空间，分配的时候创建一个匿名共享内存，然后映射到当前进程，释放的时候将匿名共享内存从当前进程取消映射。

Android GraphicBuffer-Fence

这里需要介绍一个伴随着GraphicBuffer的Fence，包括Fence的诞生，Fence的处理。

在前面介绍Surface的时候，提到过Surface会通过BufferQueueProducer申请GraphicBuffer，用作显存，所以我们这里看一下BufferQueueProducer/Consumer是怎么管理GraphicBuffer的。（这里有一个问题，是否可以脱离BufferQueueProducer/Consumer去使用GraphicBuffer？）

BufferQueueProducer(简称producer）和BufferQueueConsumer（简称consumer)公用BufferQueueCore（简称core）；core里面有一个mSlots = struct BufferSlot[64];同时mMaxAcquiredBufferCount=1，mMaxDequeuedBufferCount=1，同时getMaxBufferCountLocked 为3或者2：

int BufferQueueCore::getMaxBufferCountLocked() const {
    int maxBufferCount = mMaxAcquiredBufferCount + mMaxDequeuedBufferCount +
            ((mAsyncMode || mDequeueBufferCannotBlock) ? 1 : 0);

    // limit maxBufferCount by mMaxBufferCount always
    maxBufferCount = std::min(mMaxBufferCount, maxBufferCount);

    return maxBufferCount;
}
//BufferQueueCore创建的时候会初始化mFreeSlots(最多3个元素）， mUnusedSlots有64-3个元素

   int numStartingBuffers = getMaxBufferCountLocked();
   for (int s = 0; s < numStartingBuffers; s++) {
     mFreeSlots.insert(s);
   }
   for (int s = numStartingBuffers; s < BufferQueueDefs::NUM_BUFFER_SLOTS;  s++）{
     mUnusedSlots.push_front(s);
   }

在APP拿到BufferQueueProducer的时候，在绘制之前，会调用BufferQueueProducer.allocateBuffers，预先分配足够的GraphicBuffer，防止在draw的时候分配造成delay；

分配Buffer的数量和mFreeSlots元素数目相同，也就是3个：

void BufferQueueProducer::allocateBuffers(uint32_t width, uint32_t height,
        PixelFormat format, uint64_t usage) {
         newBufferCount = mCore->mFreeSlots.size();
         。。。。。。
　　　　   //创建3个GraphicBuffer
         for (size_t i = 0; i <  newBufferCount; ++i) {
            sp<GraphicBuffer> graphicBuffer = new GraphicBuffer(
                    allocWidth, allocHeight, allocFormat, BQ_LAYER_COUNT,
                    allocUsage, allocName);

            status_t result = graphicBuffer->initCheck();

            if (result != NO_ERROR) {
                BQ_LOGE("allocateBuffers: failed to allocate buffer (%u x %u, format"
                        " %u, usage %#" PRIx64 ")", width, height, format, usage);
                Mutex::Autolock lock(mCore->mMutex);
                mCore->mIsAllocating = false;
                mCore->mIsAllocatingCondition.broadcast();
                return;
            }
            buffers.push_back(graphicBuffer);
        }
       。。。。。
        //将新创建的GraphicBuffer添加到mSlots数组中。注意mSlots的index，这个index很重要，mSlots中的数据是和index绑定的，类似于ID；其中的graphicBuffer可能会发生变化。
        for (size_t i = 0; i < newBufferCount; ++i) {
                if (mCore->mFreeSlots.empty()) {
                    BQ_LOGV("allocateBuffers: a slot was occupied while "
                            "allocating. Dropping allocated buffer.");
                    continue;
                }
                auto slot = mCore->mFreeSlots.begin();
                mCore->clearBufferSlotLocked(*slot); // Clean up the slot first
                mSlots[*slot].mGraphicBuffer = buffers[i];
                mSlots[*slot].mFence = Fence::NO_FENCE;

                // freeBufferLocked puts this slot on the free slots list. Since
                // we then attached a buffer, move the slot to free buffer list.
                mCore->mFreeBuffers.push_front(*slot);

                BQ_LOGV("allocateBuffers: allocated a new buffer in slot %d",
                        *slot);

                // Make sure the erase is done after all uses of the slot
                // iterator since it will be invalid after this point.
                mCore->mFreeSlots.erase(slot);
            }
    
}        

下面看一下GraphicBuffer的创建流程：

GraphicBuffer经过GrallocService->GrallocHal，在libgralloc里面分配；其中比较常见的方式是使用ION驱动进行分配，分配完毕之后还要为buffer分配Fence。