android 图像显示框架二——流程分析

一.Android图形组件协作工作

首先先上流程图：

如下是Android12及以后得Android图形组件协作的流程图

上述的图片清晰的展示了Android图形系统最核心的基石——基于BufferQueue的生产者-消费者模式。整个流程是是描述一个图形缓存区（GraphicBuffer）从被绘制到最终被显示出来的完整生命周期。

全景概述：三大角色

整个架构围绕着三大角色展开，对应图中的三个主要部分：

1.图像生产者（Image Producer）：负责生产（绘制）图像内容，例如：应用程序、视频解码器。

2.图像消费者（Image Consumer）：负责使用（消耗）已生成的图像内容。例如：将图像合成后送到显示屏的SurfaceFlinger。

3.BufferQueue：作为核心中介，连接生产者和消费者，它管理着一组图形缓冲区（GraphicBuffer），是数据交换的通道。

模块详解：

1.图像生产者（右侧）

• 是什么：所有需要将画面绘制到屏幕上的实体。
• 常见生产者：

1. OpenGL ES/Vulkan：3D图形渲染库。
2. Skia：2D图形绘制库，常用于应用界面绘制。
3. Decoder：视频解码器，解码视频帧。

2.图像消费者（左侧）

• 是什么：获取并使用生产者提交的图像数据实体。
• 核心消费者：

1. SurfaceFlinger：Android系统的合成器。它接受多个应用（生产者）的缓冲区，将它们最终合成一帧，然后交个HWComposer显示到屏幕上。
2. OpenGL ES：在某些情况下（如应用内纹理渲染），它也可以作为消费者。

3.核心枢纽：BufferQueue（中间）

这是整个流程的心脏，它内部包含了三个核心组件，共同管理着缓冲区的一生。

• BufferQueueCore：

1. 核心大脑：管理整个队列的状态。
2. 资源池：持有固定数量的Buffer Slots（缓冲区槽位）和GraphicBuffer对象。GraphicBuffer是真正存储像素数据的内存块。
3. 状态跟踪：跟踪每个缓冲区的状态（空闲、已排队、已获取）

• BufferQueueProducer：

1. 面向生产者的接口：生产者只与它交互
2. 关键操作：

                dequeueBuffer（）：向生产者分配一个空闲的缓冲区。       

                queueBuffer（）：接受生产者已经绘制完成的缓冲区，并将他置于已排队的状态，通知消费者。

• BufferQueueConsumer：

1. 面向消费者的接口：消费者只与它打交道
2. 关键操作：

                acquireBuffer（）：从队列中获取一个已排队的缓冲区，交个消费者使用

                releaseBuffer（）：消费者使用完毕后，将其释放回空闲状态，可供生产者再次使用

缓冲区生命周期与数据流（重点）

让我们跟随一个GraphicBuffer的旅程，对应流程图中的箭头和文字：

1.dequeue（出队）：

• 生产者（如App）通过Surface——>dequeueBuffer（）调用BufferQueueProducer。
• Producer从BufferQueue的缓冲区槽位（Buffer Slots）中找到一个状态为FREE（空闲）的GraphicBuffer，将其状态改为DEQUEUED，并返回给生产者。

2.生产/渲染：

• 生产者获取到GraphicBuffer后，使用OpenGL ES或者Skia等库在其上进行绘制，填充图像数据。

3.queue（入队）：

• 绘制完成后，生产者调用Surface——>queueBuffer（）。
• Producer将该GraphicBuffer的状态改成QUEUED（已排队），并将其放入队列中。同时，通过回调通知消费者：“有新的数据可以用了！”

4.acquire（获取）：

• 消费者（如SurfaceFlinger）被唤醒，调用acquireBuffer（）。
• BufferQueueConsumer从队列中取出一个QUEUED状态的缓冲区，将其状态改成ACQUIRED（已获取），然后交给消费者

5.消费（合成/显示）：

• 消费者对获取的缓冲区内容进行处理，对于SurfaceFlinger来说，就是将多个应用的缓冲区合成最终的画面

6.release（释放）：

• 消费者使用完毕后，调用releaseBuffer（）。
• Consumer将该GraphicBuffer的状态重置为FREE（空闲），并将其放会空闲池。
• 此时，这个缓冲区又可以再次被生产者dequeue，开始新一轮的循环。

关键技术与进阶概念

1.同步机制-Fence（栅栏）

图中箭头旁的acquire和release信号，在实际实现中通常与Fence机制紧密相关。

• 为什么需要：GPU渲染是异步的。当生产者queueBuffer是，GPU的渲染指令可能还没有真正执行完。直接让消费者读取可能读取不到完整的帧。
• 如何工作：生产者提交缓冲区时，会附带一个Fence。消费者在acquire缓冲区后，会等待这个Fence发出“信号”（表示GPU渲染完成），才去读取缓冲区内容。这保证了数据同步，避免屏幕撕裂

2.BLASTBufferQueue（Buffer Latency and Synchronization Task）

• 是什么：Android10/11中引入的现代化BufferQueue。
• 解决什么问题：传统的Surface和BufferQueue是一对一绑定的。一个窗口（如Activity）通常只有一个Surface，这限制了性能（例如：难以实现无缝转场动画）
• 优势：BLASTBufferQueue允许一个窗口管理多个缓冲区会话，提供了更加精细、更加灵活的缓冲区控制，显著改善了应用切换、分屏和动画的流畅度。可以看做是BufferQueue的增强版。

总结：

这张图精妙的描绘出Android图形系统解耦和异步处理的核心思想：

• 解耦：生产者（App）和消费者（SurfaceFlinger）不需要知道对方的存在，也不需要同步工作。它们只与BufferQueue交互，从而可以独立、高效运行。
• 流水线：通过缓冲区队列，实现了“绘制一帧”和“显示一帧”的并行操作。当消费者正在显示第N帧时，生产者可能已经在绘制第“N+1”帧了。这是Android系统保持界面流畅的关键。