Android应用程序UI硬件加速渲染环境初始化过程分析

标签：android   gpu   open gl   硬件加速渲染   

       在Android应用程序中，我们是通过Canvas API来绘制UI元素的。在硬件加速渲染环境中，这些Canvas API调用最终会转化为Open GL API调用（转化过程对应用程序来说是透明的）。由于Open GL API调用要求发生在Open GL环境中，因此在每当有新的Activity窗口启动时，系统都会为其初始化好Open GL环境。这篇文章就详细分析这个Open GL环境的初始化过程。

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       Open GL环境也称为Open GL渲染上下文。一个Open GL渲染上下文只能与一个线程关联。在一个Open GL渲染上下文创建的Open GL对象一般来说只能在关联的Open GL线程中操作。这样就可以避免发生多线程并发访问发生的冲突问题。这与大多数的UI架构限制UI操作只能发生在UI线程的原理是差不多的。

       在Android 5.0之前，Android应用程序的主线程同时也是一个Open GL线程。但是从Android 5.0之后，Android应用程序的Open GL线程就独立出来了，称为Render Thread，如图1所示：

图1 Android应用程序Main Thread和Render Thread

       Render Thread有一个Task Queue，Main Thread通过一个代理对象Render Proxy向这个Task Queue发送一个drawFrame命令，从而驱使Render Thread执行一次渲染操作。因此，Android应用程序UI硬件加速渲染环境的初始化过程任务之一就是要创建一个Render Thread。

       一个Android应用程序可能存在多个Activity组件。在Android系统中，每一个Activity组件都是一个独立渲染的窗口。由于一个Android应用程序只有一个Render Thread，因此当Main Thread向Render Thread发出渲染命令时，Render Thread要知道当前要渲染的窗口是什么。从这个角度看，Android应用程序UI硬件加速渲染环境的初始化过程任务之二就是要告诉Render Thread当前要渲染的窗口是什么。

       一旦Render Thread知道了当前要渲染的窗口，它就将可以将该窗口绑定到Open GL渲染上下文中去，从而使得后面的渲染操作都是针对被绑定的窗口的，如图2所示：

图2 绑定窗口到Open GL渲染上下文中

       Java层的Activity窗口到了Open GL这一层，被抽象为一个ANativeWindow。将它绑定到Open GL渲染上下文之后，就可以通过eglSwapBuffer函数向SurfaceFlinger服务Dequeue和Queue Graphic Buffer。其中，Dequeue Graphic Buffer是为了在上面进行绘制UI，而Queue Graphic Buffer是为了将绘制好的UI交给Surface Flinger合成和显示。

       接下来，我们就结合源代码分析Android应用程序UI硬件加速渲染环境的初始化过程，主要的关注点就是创建Render Thread的过程和绑定窗口到Render Thread的过程。

       从前面Android应用程序窗口（Activity）的视图对象（View）的创建过程分析一文可以知道，Activity组件在创建的过程中，也就是在其生命周期函数onCreate的调用过程中，一般会通过调用另外一个成员函数setContentView创建和初始化关联的窗口视图，最后通过调用ViewRoot类的成员函数setView完成这一过程。上述文章分析的源码是Android 2.3版本的。到了Android 4.0之后，ViewRoot类的名字改成了ViewRootImpl，它们的作用仍然一样的。

       Android应用程序UI硬件加速渲染环境的初始化过程是在ViewRootImpl类的成员函数setView开始，如下所示：

public final class ViewRootImpl implements ViewParent,
        View.AttachInfo.Callbacks, HardwareRenderer.HardwareDrawCallbacks {
    ......

    public void setView(View view, WindowManager.LayoutParams attrs, View panelParentView) {
        synchronized (this) {
            if (mView == null) {
                mView = view;
                ......

                if (view instanceof RootViewSurfaceTaker) {
                    mSurfaceHolderCallback =
                            ((RootViewSurfaceTaker)view).willYouTakeTheSurface();
                    if (mSurfaceHolderCallback != null) {
                        mSurfaceHolder = new TakenSurfaceHolder();
                        mSurfaceHolder.setFormat(PixelFormat.UNKNOWN);
                    }
                }

                ......

                // If the application owns the surface, don‘t enable hardware acceleration
                if (mSurfaceHolder == null) {
                    enableHardwareAcceleration(attrs);
                }

                ......
            }
        }
    }

    ......
}

       参数view描述的是当前正在创建的Activity窗口的顶级视图。如果它实现了RootViewSurfaceTaker接口，并且通过该接口的成员函数willYouTakeTheSurface提供了一个SurfaceHolder.Callback2接口，那么就表明应用程序想自己接管对窗口的一切渲染操作。这样创建出来的Activity窗口就类似于一个SurfaceView一样，完全由应用程序自己来控制它的渲染。

       基本上我们是不会将一个Activity窗口当作一个SurfaceView来使用的，因此在ViewRootImpl类的成员变量mSurfaceHolder将保持为null值，这样就会导致ViewRootImpl类的成员函数enableHardwareAcceleration被调用为判断是否需要为当前创建的Activity窗口启用硬件加速渲染。

       ViewRootImpl类的成员函数enableHardwareAcceleration的实现如下所示：

public final class ViewRootImpl implements ViewParent,
        View.AttachInfo.Callbacks, HardwareRenderer.HardwareDrawCallbacks {
    ......

    private void enableHardwareAcceleration(WindowManager.LayoutParams attrs) {
        mAttachInfo.mHardwareAccelerated = false;
        mAttachInfo.mHardwareAccelerationRequested = false;

        ......

        // Try to enable hardware acceleration if requested
        final boolean hardwareAccelerated =
                (attrs.flags & WindowManager.LayoutParams.FLAG_HARDWARE_ACCELERATED) != 0;

        if (hardwareAccelerated) {
            if (!HardwareRenderer.isAvailable()) {
                return;
            }

            // Persistent processes (including the system) should not do
            // accelerated rendering on low-end devices.  In that case,
            // sRendererDisabled will be set.  In addition, the system process
            // itself should never do accelerated rendering.  In that case, both
            // sRendererDisabled and sSystemRendererDisabled are set.  When
            // sSystemRendererDisabled is set, PRIVATE_FLAG_FORCE_HARDWARE_ACCELERATED
            // can be used by code on the system process to escape that and enable
            // HW accelerated drawing.  (This is basically for the lock screen.)

            final boolean fakeHwAccelerated = (attrs.privateFlags &
                    WindowManager.LayoutParams.PRIVATE_FLAG_FAKE_HARDWARE_ACCELERATED) != 0;
            final boolean forceHwAccelerated = (attrs.privateFlags &
                    WindowManager.LayoutParams.PRIVATE_FLAG_FORCE_HARDWARE_ACCELERATED) != 0;

            if (fakeHwAccelerated) {
                // This is exclusively for the preview windows the window manager
                // shows for launching applications, so they will look more like
                // the app being launched.
                mAttachInfo.mHardwareAccelerationRequested = true;
            } else if (!HardwareRenderer.sRendererDisabled
                    || (HardwareRenderer.sSystemRendererDisabled && forceHwAccelerated)) {
                .......

                mAttachInfo.mHardwareRenderer = HardwareRenderer.create(mContext, translucent);
                if (mAttachInfo.mHardwareRenderer != null) {
                    .......
                    mAttachInfo.mHardwareAccelerated =
                            mAttachInfo.mHardwareAccelerationRequested = true;
                }
            }
        }
    }

    ......
}

       虽然硬件加速渲染是个好东西，但是也不是每一个需要绘制UI的进程都必需的。这样做是考虑到两个因素。第一个因素是并不是所有的Canvas API都可以被GPU支持。如果应用程序使用到了这些API，那么就需要禁用硬件加速渲染。第二个因素是支持硬件加速渲染的代价是增加了内存开销。例如，只是硬件加速渲染环境初始化这一操作，就要花掉8M的内存。因此，对于两类进程就不是很适合使用硬件加速渲染。

       第一类进程是Persistent进程。Persistent进程是一种常驻进程，它们的优先级别很高，即使在内存紧张的时候也不会被AMS杀掉。对于低内存设备，这类进程是不适合使用硬件加速渲染的。在这种情况下，它们会将HardwareRenderer类的静态成员变量sRendererDisabled设置为true，表明要禁用硬件加速渲染。这里顺便提一下，一个应用程序进程可以在AndroidManifest.xml文件将Application标签的persistent属性设置为true来将自己设置为Persistent进程，不过只有系统级别的应用设置才有效。类似的进程有Phone、Bluetooth和Nfc等应用。

       第二类进程是System进程。System进程有很多线程是需要显示UI的。这些UI一般都是比较简单的，并且System进程也像Persistent进程一样，在内存紧张时是无法杀掉的，因此它们完全没有必要通过硬件加速来渲染。于是，System进程就会将HardwareRenderer类的静态成员变量sRendererDisabled和sSystemRendererDisabled都会被设置为true，表示它要禁用硬件加速渲染。

       对于System进程，有两种UI需要特殊处理。第一种UI是Starting Window。当一个Activity启动时，如果它的宿主进程还没有创建，那么在等待其宿主进程创建的过程中，System进程就会根据该Activity窗口设置的Theme显示一个Starting Window，也称为Preview Window。由于System进程是禁用了硬件加速渲染的，因此Starting Window是通过软件方式渲染的。但是为了使得Starting Window的渲染更像它对应的Activity窗口，我们将用来描述Starting Window属性的一个AttachInfo对象的成员变量mHardwareAccelerationRequested的值设置为true。这将会使得Starting Window的view_state_accelerated属性设置为true。该属性一旦被设置为true，将会使得Starting Window的另一属性colorBackgroundCacheHint被忽略。属性colorBackgroundCacheHint被忽略之后，Starting Window在绘制的过程中将不会被缓存。使用了硬件加速渲染的Activity窗口在渲染的过程中也是不会被缓存的。这就使得它们的渲染行为保持一致。Starting Window的这一特性是通过将参数attrs指向的一个WindowManager.LayoutParams对象的成员变量privateFlags的位WindowManager.LayoutParams.PRIVATE_FLAG_FAKE_HARDWARE_ACCELERATED设置为1来描述的。

       第二种UI是锁屏界面。锁屏界面是一个例如，它允许使用硬件加速渲染。但是System进程又表明了它要禁用硬件加速渲染，这时候就通过将参数attrs指向的一个WindowManager.LayoutParams对象的成员变量privateFlags的位WindowManager.LayoutParams.PRIVATE_FLAG_FORCE_HARDWARE_ACCELERATED设置为1来强调锁屏界面不受System进程禁用硬件加速的限制。

       除了上面提到的两类进程以及一些特殊的UI，其余的就根据Activity窗口自己是否请求了硬件加速渲染而决定是否要为其开启硬件加速。在默认情况下，Activity窗口是请求硬件加速渲染的，也就是参数attrs指向的一个WindowManager.LayoutParams对象的成员变量flags的位WindowManager.LayoutParams.FLAG_HARDWARE_ACCELERATED是被设置为1的。不过即便如此，也是要设备本身支持硬件加速渲染才行。判断设备是否设置硬件加速渲染可以通过调用HardwareRenderer类的静态成员函数isAvailable来获得。

       最后，如果当前创建的窗口支持硬件加速渲染，那么就会调用HardwareRenderer类的静态成员函数create创建一个HardwareRenderer对象，并且保存在与该窗口关联的一个AttachInfo对象的成员变量的成员变量mHardwareRenderer对象。这个HardwareRenderer对象以后将负责执行窗口硬件加速渲染的相关操作。

       HardwareRenderer类的静态成员函数create的实现如下所示：

public abstract class HardwareRenderer {
    ......

    static HardwareRenderer create(Context context, boolean translucent) {
        HardwareRenderer renderer = null;
        if (GLES20Canvas.isAvailable()) {
            renderer = new ThreadedRenderer(context, translucent);
        }
        return renderer;
    }

    ......
}

       从这里就可以看到，在设备支持Open GL ES 2.0的情况下，HardwareRenderer类的静态成员函数create创建的实际上是一个ThreadedRenderer对象。该ThreadedRenderer对象是从HardwareRenderer类继承下来的。

       接下来我们就继续分析ThreadedRenderer对象的创建过程，如下所示：

public class ThreadedRenderer extends HardwareRenderer {
    ......

    private long mNativeProxy;
    ......
    private RenderNode mRootNode;
    ......

    ThreadedRenderer(Context context, boolean translucent) {
        ......

        long rootNodePtr = nCreateRootRenderNode();
        mRootNode = RenderNode.adopt(rootNodePtr);
        ......
        mNativeProxy = nCreateProxy(translucent, rootNodePtr);

        AtlasInitializer.sInstance.init(context, mNativeProxy);

        ......
    }

    ......
}

        在创建ThreadedRenderer对象的过程中，最主要的是做了三件事情：

        1. 调用ThreadedRenderer类的成员函数nCreateRootRenderNode在Native层创建了一个Render Node，并且通过Java层的RenderNode类的静态成员函数adopt将其封装在一个Java层的Render Node中。这个Render Node即为窗口的Root Render Node。

        2. 调用ThreadedRenderer类的成员函数nCreateProxy在Native层创建了一个Render Proxy对象。该Render Proxy对象以后将负责从Main Thread向Render Thread发送命令。

        3. 调用AtlasInitializer类的成员函数init初始化一个系统预加载资源的地图集。通过这个地图集，可以优化资源的内存使用。

        关于系统预加载资源地图集，我们在下一篇文章中再详细分析，这里我们主要关注窗口的Root Render Node以及在Main Thread线程中使用的Render Proxy对象的创建过程。

        窗口的Root Render Node是通过调用ThreadedRenderer类的成员函数nCreateRootRenderNode创建的。这是一个JNI函数，由Native层的函数android_view_ThreadedRenderer_createRootRenderNode实现，如下所示：

static jlong android_view_ThreadedRenderer_createRootRenderNode(JNIEnv* env, jobject clazz) {
    RootRenderNode* node = new RootRenderNode(env);
    node->incStrong(0);
    node->setName("RootRenderNode");
    return reinterpret_cast<jlong>(node);
}

       从这里就可以看出，窗口在Native层的Root Render Node实际上是一个RootRenderNode对象。

       窗口在Main Thread线程中使用的Render Proxy对象是通过调用ThreadedRenderer类的成员函数nCreateProxy创建的。这是一个JNI函数，由Native层的函数android_view_ThreadedRenderer_createProxy实现，如下所示：

static jlong android_view_ThreadedRenderer_createProxy(JNIEnv* env, jobject clazz,
        jboolean translucent, jlong rootRenderNodePtr) {
    RootRenderNode* rootRenderNode = reinterpret_cast<RootRenderNode*>(rootRenderNodePtr);
    ContextFactoryImpl factory(rootRenderNode);
    return (jlong) new RenderProxy(translucent, rootRenderNode, &factory);
}

       参数rootRenderNodePtr指向前面创建的RootRenderNode对象。有了这个RootRenderNode对象之后，函数android_view_ThreadedRenderer_createProxy就创建了一个RenderProxy对象。

       RenderProxy对象的创建过程如下所示：

RenderProxy::RenderProxy(bool translucent, RenderNode* rootRenderNode, IContextFactory* contextFactory)
        : mRenderThread(RenderThread::getInstance())
        , mContext(0) {
    SETUP_TASK(createContext);
    args->translucent = translucent;
    args->rootRenderNode = rootRenderNode;
    args->thread = &mRenderThread;
    args->contextFactory = contextFactory;
    mContext = (CanvasContext*) postAndWait(task);
    mDrawFrameTask.setContext(&mRenderThread, mContext);
}

       RenderProxy类有三个重要的成员变量mRenderThread、mContext和mDrawFrameTask，它们的类型分别为RenderThread、CanvasContext和DrawFrameTask。其中，mRenderThread描述的就是Render Thread，mContext描述的是一个画布上下文，mDrawFrameTask描述的是一个用来执行渲染任务的Task。接下来我们就重点分析这三个成员变量的初始化过程。

       RenderProxy类的成员变量mRenderThread指向的Render Thread是通过调用RenderThread类的静态成员函数getInstance获得的。从名字我们就可以看出，RenderThread类的静态成员函数getInstance返回的是一个RenderThread单例。也就是说，在一个Android应用程序进程中，只有一个Render Thread存在。

       为了更好地了解Render Thread是如何运行的，我们继续分析Render Thread的创建过程，如下所示：

RenderThread::RenderThread() : Thread(true), Singleton<RenderThread>()
        ...... {
    mFrameCallbackTask = new DispatchFrameCallbacks(this);
    mLooper = new Looper(false);
    run("RenderThread");
}

       这个函数定义在文件frameworks/base/libs/hwui/renderthread/RenderThread.cpp中。

       RenderThread类的成员变量mFrameCallbackTask指向一个DispatchFrameCallbacks对象，用来描述一个帧绘制任务。下面描述Render Thread的运行模型时，我们再详细分析。

       RenderThread类的成员变量mLooper指向一个Looper对象，Render Thread通过它来创建一个消息驱动运行模型，类似于Main Thread的消息驱动运行模型。关于Looper的实现，可以参考前面Android应用程序消息处理机制（Looper、Handler）分析一文。

       RenderThread类是从Thread类继承下来的，当我们调用它的成员函数run的时候，就会创建一个新的线程。这个新的线程的入口点函数为RenderThread类的成员函数threadLoop，它的实现如下所示：

bool RenderThread::threadLoop() {
    .......
    initThreadLocals();

    int timeoutMillis = -1;
    for (;;) {
        int result = mLooper->pollOnce(timeoutMillis);
        ......

        nsecs_t nextWakeup;
        // Process our queue, if we have anything
        while (RenderTask* task = nextTask(&nextWakeup)) {
            task->run();
            // task may have deleted itself, do not reference it again
        }
        if (nextWakeup == LLONG_MAX) {
            timeoutMillis = -1;
        } else {
            nsecs_t timeoutNanos = nextWakeup - systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
            timeoutMillis = nanoseconds_to_milliseconds(timeoutNanos);
            if (timeoutMillis < 0) {
                timeoutMillis = 0;
            }
        }

        if (mPendingRegistrationFrameCallbacks.size() && !mFrameCallbackTaskPending) {
            drainDisplayEventQueue(true);
            mFrameCallbacks.insert(
                    mPendingRegistrationFrameCallbacks.begin(), mPendingRegistrationFrameCallbacks.end());
            mPendingRegistrationFrameCallbacks.clear();
            requestVsync();
        }
    }

    return false;
}

        这里我们就可以看到Render Thread的运行模型：

        1. 空闲的时候，Render Thread就睡眠在成员变量mLooper指向的一个Looper对象的成员函数pollOnce中。

        2. 当其它线程需要调度Render Thread，就会向它的任务队列增加一个任务，然后唤醒Render Thread进行处理。Render Thread通过成员函数nextTask获得需要处理的任务，并且调用它的成员函数run进行处理。

        RenderThread类的成员函数nextTask的实现如下所示：

RenderTask* RenderThread::nextTask(nsecs_t* nextWakeup) {
    AutoMutex _lock(mLock);
    RenderTask* next = mQueue.peek();
    if (!next) {
        mNextWakeup = LLONG_MAX;
    } else {
        mNextWakeup = next->mRunAt;
        // Most tasks won‘t be delayed, so avoid unnecessary systemTime() calls
        if (next->mRunAt <= 0 || next->mRunAt <= systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC)) {
            next = mQueue.next();
        } else {
            next = 0;
        }
    }
    if (nextWakeup) {
        *nextWakeup = mNextWakeup;
    }
    return next;
}

       RenderThread类的成员变量mQueue描述的是一个Task Queue。每一个Task都是用一个RenderTask对象来描述。同时，RenderTask类有一个成员变量mRunAt，用来表明Task的执行时间。这样，保存在Task Queue的Task就可以按照执行时间从先到后的顺序排序。于是，RenderThread类的成员函数nextTask通过判断排在队列头的Task的执行时间是否小于等于当前时间，就可以知道当前是否有Task需要执行。如果有Task需要执行的话，就将它返回给调用者。

       RenderThread类的成员函数nextTask除了返回下一个要执行的Task之外，还会通过参数nextWakeup返回下一个要执行的Task的执行时间。这个时间同时也会记录在RenderThread类的成员变量mNextWakeup中。注意，下一个要执行的Task可能是马上就要执行的，也有可能是由于执行时间还未到而不能执行的Task。返回这个时间的意义是使得Render Thread可以准确计算下一次需要进入睡眠状态的时间。这个计算可以回过头去看前面分析的RenderThread类的成员函数threadLoop。

       注意，如果没有下一个任务可以执行，那么RenderThread类的成员函数nextTask通过参数nextWakeup返回的值为LLONG_MAX，表示Render Thread接下来无限期进入睡眠状态，直到被其它线程唤醒为止。

       RenderThread类提供了queue、queueAtFront和queueDelayed三个成员函数向Task Queue增加一个Task，它们的实现如下所示：

void RenderThread::queue(RenderTask* task) {
    AutoMutex _lock(mLock);
    mQueue.queue(task);
    if (mNextWakeup && task->mRunAt < mNextWakeup) {
        mNextWakeup = 0;
        mLooper->wake();
    }
}

void RenderThread::queueAtFront(RenderTask* task) {
    AutoMutex _lock(mLock);
    mQueue.queueAtFront(task);
    mLooper->wake();
}

void RenderThread::queueDelayed(RenderTask* task, int delayMs) {
    nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
    task->mRunAt = now + milliseconds_to_nanoseconds(delayMs);
    queue(task);
}

       其中， RenderThread类的成员函数queue按照执行时间将参数task描述的Task排列在Task Queue中，并且如果该Task的执行时间小于之前记录的下一个要执行任务的执行时间，就会马上唤醒Render Thread来处理；RenderThread类的成员函数queue将参数task描述的Task排列在Task Queue的头部，并且马上唤醒Render Thread来处理；RenderThread类的成员函数queueDelayed指定参数task描述的Task的执行时间为当前时间之后的delayMs毫秒。

       理解了Render Thread的Task Queue之后，回到RenderThread类的成员函数threadLoop中，我们再来看Render Thread在进入无限循环之前调用的RenderThread类的成员函数initThreadLocals，它的实现如下所示：

void RenderThread::initThreadLocals() {
    initializeDisplayEventReceiver();
    mEglManager = new EglManager(*this);
    mRenderState = new RenderState();
}

       RenderThread类的成员函数initThreadLocals首先调用另外一个成员函数initializeDisplayEventReceiver创建和初始化一个DisplayEventReceiver对象，用来接收Vsync信号。接着又会分别创建一个EglManager对象和一个RenderState对象，并且保存在成员变量mEglManager和mRenderState中。前者用在初始化Open GL渲染上下文需要用到，而后者用来记录Render Thread当前的一些渲染状态。

      接下来我们主要关注DisplayEventReceiver对象的创建和初始化过程，即RenderThread类的成员函数initializeDisplayEventReceiver的实现，如下所示：

void RenderThread::initializeDisplayEventReceiver() {
    ......
    mDisplayEventReceiver = new DisplayEventReceiver();
    ......

    // Register the FD
    mLooper->addFd(mDisplayEventReceiver->getFd(), 0,
            Looper::EVENT_INPUT, RenderThread::displayEventReceiverCallback, this);
}

       创建的DisplayEventReceiver对象关联的文件描述符被注册到了Render Thread的消息循环中。这意味着屏幕产生Vsync信号时，SurfaceFlinger服务（Vsync信号由SurfaceFlinger服务进行管理和分发）会通过上述文件描述符号唤醒Render Thread。这时候Render Thread就会调用RenderThread类的静态成员函数displayEventReceiverCallback。

       RenderThread类的静态成员函数displayEventReceiverCallback的实现如下所示：

int RenderThread::displayEventReceiverCallback(int fd, int events, void* data) {
    ......

    reinterpret_cast<RenderThread*>(data)->drainDisplayEventQueue();

    return 1; // keep the callback
}

       RenderThread类的静态成员函数displayEventReceiverCallback调用RenderThread类的成员函数drainDisplayEventQueue来处理Vsync信号，后者的实现如下所示：

void RenderThread::drainDisplayEventQueue(bool skipCallbacks) {
    ......
    nsecs_t vsyncEvent = latestVsyncEvent(mDisplayEventReceiver);
    if (vsyncEvent > 0) {
        mVsyncRequested = false;
        mTimeLord.vsyncReceived(vsyncEvent);
        if (!skipCallbacks && !mFrameCallbackTaskPending) {
            ......
            mFrameCallbackTaskPending = true;
            queueDelayed(mFrameCallbackTask, DISPATCH_FRAME_CALLBACKS_DELAY);
        }
    }
}

       RenderThread类的静态成员函数displayEventReceiverCallback首先调用另外一个成员函数latestVsyncEvent获得最新发出的Vsync信号的时间。如果这个时间值大于0，那么就表明这是一个有效的Vsync信号。在这种情况下，就将RenderThread类的成员变量mVsyncRequested设置为true，表示上次发出的Vsync信号接收请求已经获得。

       最后，如果参数skipCallbacks的值等于false，那么就表示需要将RenderThread类的成员变量mFrameCallbackTask指向的一个类型为DispatchFrameCallbacks的Task添加到Render Thread的Task Queue去处理。但是这时候如果RenderThread类的成员变量mFrameCallbackTaskPending的值也等于true，就表示该Task已经添加到Render Thread的Task Queue去了，因此就不再用重复添加。

      RenderThread类的成员变量mFrameCallbackTask描述的Task是用来做什么的呢？原来就是用来显示动画的。当Java层注册一个动画类型的Render Node到Render Thread时，一个类型为IFrameCallback的回调接口就会通过RenderThread类的成员函数postFrameCallback注册到Render Thread的一个Pending Registration Frame Callbacks列表中，如下所示：

void RenderThread::postFrameCallback(IFrameCallback* callback) {
    mPendingRegistrationFrameCallbacks.insert(callback);
}

       Render Thread的Pending Registration Frame Callbacks列表由RenderThread类的成员变量mPendingRegistrationFrameCallbacks描述。

      当Pending Registration Frame Callbacks列表不为空时，每次Vsync信号到来时，Render Thread都会通过RenderThread类的成员变量mFrameCallbackTask描述的一个Task来执行它，这样就相当于是将动画的每一帧都同步到Vsync信号来显示。这也是为什么RenderThread类的成员函数drainDisplayEventQueue每次被调用要检查是否需要将成员变量mFrameCallbackTask描述的一个Task添加到Render Thread的Task Queue的原因。

      当RenderThread类的成员变量mFrameCallbackTask描述的Task的类型为DispatchFrameCallbacks，当它被调度执行时，它的成员函数run就会被调用，如下所示：

class DispatchFrameCallbacks : public RenderTask {
private:
    RenderThread* mRenderThread;
public:
    DispatchFrameCallbacks(RenderThread* rt) : mRenderThread(rt) {}

    virtual void run() {
        mRenderThread->dispatchFrameCallbacks();
    }
};

       DispatchFrameCallbacks类的成员函数run调用了RenderThread类的成员函数dispatchFrameCallbacks来执行注册到Pending Registration Frame Callbacks列表中的IFrameCallback回调接口，如下所示：

void RenderThread::dispatchFrameCallbacks() {
    ATRACE_CALL();
    mFrameCallbackTaskPending = false;

    std::set<IFrameCallback*> callbacks;
    mFrameCallbacks.swap(callbacks);

    for (std::set<IFrameCallback*>::iterator it = callbacks.begin(); it != callbacks.end(); it++) {
        (*it)->doFrame();
    }
}

       我们回过头来看前面分析的RenderThread类的成员函数threadLoop，每当Render Thread被唤醒时，它都会检查Pending Registration Frame Callbacks列表是否不为空。如果不为空，那么就会将保存在里面的IFrameCallback回调接口转移至由RenderThread类的成员变量mFrameCallbacks描述的另外一个IFrameCallback回调接口列表中，并且调用RenderThread类的另外一个成员函数requestVsync请求SurfaceFlinger服务在下一个Vsync信号到来时通知Render Thread，以便Render Thread可以执行刚才被转移的IFrameCallback回调接口。

       现在既然下一个Vsync信号已经到来，因此RenderThread类的成员函数dispatchFrameCallbacks就执行所有转移至保存在成员变量mFrameCallbacks描述的IFrameCallback回调接口列表中的IFrameCallback接口，即调用它们的成员函数doFrame。

       总结来说，Render Thread在运行时主要是做以下两件事情：

       1. 执行Task Queue的任务，这些Task一般就是由Main Thread发送过来的，例如，Main Thread通过发送一个Draw Frame Task给Render Thread的Task Queue中，请求Render Thread渲染窗口的下一帧。

       2. 执行Pending Registration Frame Callbacks列表的IFrameCallback回调接口。每一个IFrameCallback回调接口代表的是一个动画帧，这些动画帧被同步到Vsync信号到来由Render Thread自动执行。具体来说，就是每当Vsync信号到来时，就将一个类型为DispatchFrameCallbacks的Task添加到Render Thread的Task Queue去等待调度。一旦该Task被调度，就可以在Render Thread中执行注册在Pending Registration Frame Callbacks列表中的IFrameCallback回调接口了。

       在后面的文章中，我们还会继续分析上述这两件事情的详细执行过程。

       了解了Render Thread的创建过程之后，回到RenderProxy类的构造函数中，接下来我们继续分析它的成员变量mContext的初始化过程，也就是画布上下文的初始化过程。这是通过向Render Thread发送一个createContext命令来完成的。为了方便描述，我们将相关的代码列出来，如下所示：

#define ARGS(method) method ## Args

#define CREATE_BRIDGE4(name, a1, a2, a3, a4) CREATE_BRIDGE(name, a1,a2,a3,a4,,,,)

#define CREATE_BRIDGE(name, a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7, a8)     typedef struct {         a1; a2; a3; a4; a5; a6; a7; a8;     } ARGS(name);     static void* Bridge_ ## name(ARGS(name)* args)

#define SETUP_TASK(method)     .......
    MethodInvokeRenderTask* task = new MethodInvokeRenderTask((RunnableMethod) Bridge_ ## method);     ARGS(method) *args = (ARGS(method) *) task->payload()


CREATE_BRIDGE4(createContext, RenderThread* thread, bool translucent,
        RenderNode* rootRenderNode, IContextFactory* contextFactory) {
    return new CanvasContext(*args->thread, args->translucent,
            args->rootRenderNode, args->contextFactory);
}

RenderProxy::RenderProxy(bool translucent, RenderNode* rootRenderNode, IContextFactory* contextFactory)
        ...... {
    SETUP_TASK(createContext);
    args->translucent = translucent;
    args->rootRenderNode = rootRenderNode;
    args->thread = &mRenderThread;
    args->contextFactory = contextFactory;
    mContext = (CanvasContext*) postAndWait(task);
    ......
}

       这是一个典型的Main Thread通过Render Proxy向Render Thread请求执行一个命令的流程，在后面的文章中，碰到类型的代码时，我们就将忽略中间的封装环节，直接分析命令的执行过程。

       我们首先看宏SETUP_TASK，它需要一个函数作为参数。这个函数通过CREATE_BRIDGEX来声明，其中X是一个数字，数字的大小就等于函数需要的参数的个数。例如，通过CREATE_BRIDGE4声明的函数有4个参数。在上面的代码段中，我们通过CREATE_BRIDGE4宏声明了一个createContext函数。

       宏SETUP_TASK的作用创建一个类型MethodInvokeRenderTask的Task。这个Task关联有一个由CREATE_BRIDGEX宏声明的函数。例如，SETUP_TASK(createContext)创建的MethodInvokeRenderTask关联的函数是由CREATE_BRIDGE4声明的函数createContext。这个Task最终会通过RenderProxy类的成员函数postAndWait添加到Render Thread的Task Queue中，如下所示：

void* RenderProxy::postAndWait(MethodInvokeRenderTask* task) {
    void* retval;
    task->setReturnPtr(&retval);
    SignalingRenderTask syncTask(task, &mSyncMutex, &mSyncCondition);
    AutoMutex _lock(mSyncMutex);
    mRenderThread.queue(&syncTask);
    mSyncCondition.wait(mSyncMutex);
    return retval;
}

       RenderProxy类的成员函数postAndWait除了会将参数task描述MethodInvokeRenderTask描述的Task添加到Render Thread的Task Queue之外，还会等待该Task执行完成之后才返回。也就是说，这是一个从Main Thread到Render Thread的同步调用过程。

       当MethodInvokeRenderTask被执行时，它所关联的函数就会被调用。例如，在我们这个情景中，通过CREATE_BRIDGE4声明的函数createContext就会被执行。注意，这时候函数createContext是在Render Thread中执行的，它主要就是创建一个CanvasContext对象，用来描述Render Thread的画布上下文。这个画布上下文接下来在Render Thread中绑定窗口时会用到，到时候我们就可以更清楚地看到它的作用。

       回到RenderProxy类的构造函数中，接下来我们继续分析它的成员变量mDrawFrameTask的初始化过程。RenderProxy类的成员变量mDrawFrameTask描述的是一个Draw Frame Task，Main Thread每次都是通过它来向Render Thread发出渲染下一帧的命令的。

       对Draw Frame Task的初始化很简单，主要是将前面已经获得的RenderThread对象和CanvasContext对象保存在它内部，以便以后它可以直接使用相关的功能，这是通过调用DrawFrameTask类的成员函数setContext实现的，如下所示：

void DrawFrameTask::setContext(RenderThread* thread, CanvasContext* context) {
    mRenderThread = thread;
    mContext = context;
}

      这样，一个RenderProxy对象的创建过程就分析完成了，从中我们也看到Render Thread的创建过程和运行模型，以及Render Proxy与Render Thread的交互模型，总结来说：

      1. RenderProxy内部有一个成员变量mRenderThread，它指向的是一个RenderThread对象，通过它可以向Render Thread线程发送命令。

      2. RenderProxy内部有一个成员变量mContext，它指向的是一个CanvasContext对象，Render Thread的渲染工作就是通过它来完成的。

      3. RenderProxy内部有一个成员变量mDrawFrameTask，它指向的是一个DrawFrameTask对象，Main Thread通过它向ender Thread线程发送渲染下一帧的命令。

      接下来我们继续分析Android应用程序UI硬件加速渲染环境初始化的另一个主要任务--绑定窗口到Render Thread中。

      从前面Android应用程序窗口（Activity）的测量（Measure）、布局（Layout）和绘制（Draw）过程分析这篇文章可以知道，Activity窗口的绘制流程是在ViewRoot(Impl)类的成员函数performTraversals发起的。在绘制之前，首先要获得一个Surface。这个Surface描述的就是一个窗口。因此，一旦获得了对应的Surface，就需要将它绑定到Render Thread中，如下所示：

public final class ViewRootImpl implements ViewParent,
        View.AttachInfo.Callbacks, HardwareRenderer.HardwareDrawCallbacks {
    ......

    private void performTraversals() {
        ......

        if (mFirst || windowShouldResize || insetsChanged ||
                viewVisibilityChanged || params != null) {
            ......

            try {
                ......

                relayoutResult = relayoutWindow(params, viewVisibility, insetsPending);
                ......

                if (!hadSurface) {
                    if (mSurface.isValid()) {
                        ......
                     
                        if (mAttachInfo.mHardwareRenderer != null) {
                            try {
                                hwInitialized = mAttachInfo.mHardwareRenderer.initialize(
                                        mSurface);
                            } catch (OutOfResourcesException e) {
                                ......
                            }
                        }
                    }
                } 

                ......
            } catch (RemoteException e) {
            }

            ......
        }

        if (!cancelDraw && !newSurface) {
            if (!skipDraw || mReportNextDraw) {
                ......

               performDraw();
            }
        } 

        ......
    }

    ......
}

       当前Activity窗口对应的Surface是通过调用ViewRootImpl类的成员函数relayoutWindow向WindowManagerService服务请求创建和返回的，并且保存在ViewRootImpl类的成员变量mSurface中。如果这个Surface是新创建的，那么就会调用ViewRootImpl类的成员变量mAttachInfo指向的一个AttachInfo对象的成员变量mHardwareRenderer描述的一个HardwareRenderer对象的成员函数initialize将它绑定到Render Thread中。最后，如果需要绘制当前的Activity窗口，那会调用ViewRootImpl类的另外一个成员函数performDraw进行绘制。

       这里我们只关注绑定窗口对应的Surface到Render Thread的过程。从前面的分析可以知道，ViewRootImpl类的成员变量mAttachInfo指向的一个AttachInfo对象的成员变量mHardwareRenderer保存的实际上是一个ThreadedRenderer对象，它的成员函数initialize的实现如下所示：

public class ThreadedRenderer extends HardwareRenderer {
    ......

    @Override
    boolean initialize(Surface surface) throws OutOfResourcesException {
        mInitialized = true;
        ......
        boolean status = nInitialize(mNativeProxy, surface);
        ......
        return status;
    }

    ......
}

       ThreadedRenderer类的成员函数initialize首先将成员变量mInitialized的值设置为true，表明它接下来已经绑定过Surface到Render Thread了，接着再调用另外一个成员函数nInitialize执行真正的绑定工作。

       ThreadedRenderer类的成员函数nInitialize是一个JNI函数，由Native层的函数android_view_ThreadedRenderer_initialize实现，如下所示：

static jboolean android_view_ThreadedRenderer_initialize(JNIEnv* env, jobject clazz,
        jlong proxyPtr, jobject jsurface) {
    RenderProxy* proxy = reinterpret_cast<RenderProxy*>(proxyPtr);
    sp<ANativeWindow> window = android_view_Surface_getNativeWindow(env, jsurface);
    return proxy->initialize(window);
}

       参数proxyPtr描述的就是之前所创建的一个RenderProxy对象，而参数jsurface描述的是要绑定给Render Thread的Java层的Surface。前面提到，Java层的Surface在Native层对应的是一个ANativeWindow。我们可以通过函数android_view_Surface_getNativeWindow来获得一个Java层的Surface在Native层对应的ANativeWindow。

       接下来，就可以通过RenderProxy类的成员函数initialize将前面获得的ANativeWindow绑定到Render Thread中，如下所示：

CREATE_BRIDGE2(initialize, CanvasContext* context, ANativeWindow* window) {
    return (void*) args->context->initialize(args->window);
}

bool RenderProxy::initialize(const sp<ANativeWindow>& window) {
    SETUP_TASK(initialize);
    args->context = mContext;
    args->window = window.get();
    return (bool) postAndWait(task);
}

       从前面的分析可以知道，RenderProxy类的成员函数initialize向Render Thread的Task Queue发送了一个Task。当这个Task在Render Thread中执行时，由宏CREATE_BRIDGE2声明的函数initialize就会被执行。

       在由宏CREATE_BRIDGE2声明的函数initialize中，参数context指向的是RenderProxy类的成员变量mContext指向的一个CanvasContext对象，而参数window指向的ANativeWindow就是要绑定到Render Thread的ANativeWindow。

       由宏CREATE_BRIDGE2声明的函数initialize通过调用参数context指向的CanvasContext对象的成员函数initialize来绑定参数window指向的ANativeWindow，如下所示：

bool CanvasContext::initialize(ANativeWindow* window) {
    setSurface(window);
    if (mCanvas) return false;
    mCanvas = new OpenGLRenderer(mRenderThread.renderState());
    ......
    return true;
}

       CanvasContext类的成员函数initialize通过调用另外一个成员函数setSurface来绑定参数window描述的ANativeWindow到Render Thread中。绑定完成之后，如果CanvasContext类的成员变量mCanvas等于NULL，那么就说明负责执行Open GL渲染命令的一个OpenGLRenderer对象还没创建。在这种情况下，就创建一个OpenGLRenderer对象，并且保存在CanvasContext类的成员变量mCanvas中，以便后面可以用来执行Open GL相关操作。

       CanvasContext类的成员函数setSurface的实现如下所示：

void CanvasContext::setSurface(ANativeWindow* window) {
    mNativeWindow = window;

    if (mEglSurface != EGL_NO_SURFACE) {
        mEglManager.destroySurface(mEglSurface);
        mEglSurface = EGL_NO_SURFACE;
    }

    if (window) {
        mEglSurface = mEglManager.createSurface(window);
    }

    if (mEglSurface != EGL_NO_SURFACE) {
        ......
        mHaveNewSurface = true;
        makeCurrent();
    } 

    ......
}

       每一个Open GL渲染上下文都需要关联有一个EGL Surface。这个EGL Surface描述的是一个绘图表面，它封装的实际上是一个ANativeWindow。有了这个EGL Surface之后，我们在执行Open GL命令的时候，才能确定这些命令是作用在哪个窗口上。

       CanvasContext类的成员变量mEglManager实际上是指向前面我们分析RenderThread类的成员函数initThreadLocals时创建的一个EglManager对象。通过调用这个EglManager对象的成员函数createSurface就可以将参数window描述的ANativeWindow封装成一个EGL Surface。

       EGL Surface创建成功之后，就可以调用CanvasContext类的成员函数makeCurrent将它绑定到Render Thread的Open GL渲染上下文来，如下所示：

void CanvasContext::makeCurrent() {
    // TODO: Figure out why this workaround is needed, see b/13913604
    // In the meantime this matches the behavior of GLRenderer, so it is not a regression
    mHaveNewSurface |= mEglManager.makeCurrent(mEglSurface);
}

       从这里就可以看到，将一个EGL Surface绑定到Render Thread的Open GL渲染上下文中是通过CanvasContext类的成员变量mEglManager指向的一个EglManager对象的成员函数makeCurrent来完成的。实际上就是通过EGL函数建立了从Open GL到底层OS图形系统的桥梁。这一点应该怎么理解呢？Open GL是一套与OS无关的规范，不过当它在一个具体的OS实现时，仍然是需要与OS的图形系统打交道的。例如，Open GL需要从底层的OS图形系统中获得图形缓冲区来保存渲染结果，并且也需要将渲染好的图形缓冲区交给底层的OS图形系统来显示到设备屏幕去。Open GL与底层的OS图形系统的这些交互通道都是通过EGL函数来建立的。

      至此，将当前窗口绑定到Render Thread的过程就分析完成了，整个Android应用程序UI硬件加速渲染环境的初始化过程也分析完成了。前面在分析ThreadedRenderer对象的创建过程时提到了系统预加载资源地图集的概念，在继续分析Android应用程序UI硬件加速渲染的Display List构建和渲染过程之前，我们有必要先分析这个地图集的概念，因为这是Display List在渲染时涉及到的一个重要优化，敬请关注！更多的信息也可以参考老罗的新浪微博：http://weibo.com/shengyangluo。

Android应用程序UI硬件加速渲染环境初始化过程分析

标签：android   gpu   open gl   硬件加速渲染   

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