Android P 图形显示系统（九） Android图形显示子系统概述

文章目录

图形系统
显示系统
Buffer管理
显示系统的架构
从应用的角度理解Android

Android图形显示子系统概述

Android图形显示系统，是Android比较重要的一个子系统，和很多其他子系统的关联紧密。想象一下，没有图形显示系统的手机是什么样子，可能连对讲机都不如吧。图形显示系统比较复杂，从Android诞生到现在，几经修改，已经变的越来越庞大了。总的说来，图形显示系统可以分为两大部分来理解：

图形系统
显示系统

图形系统

图形系统也就是图形支持系统，提供绘图和图形处理支持。包括最初的2D绘图API Skia，后来的3D绘图API OpenGLES，RenderScript，OpenCV，到最近的Vulkan。也包括图片解码库，jpg，png，gif等。以及它们所需要的各种Driver支持。

但是Android为了方便大家，我们在做应用开发的时候，并不用大家直接用各种API去绘制界面，也不用直接用解码库去解码。Android已经给大家提供了一个界面绘制机制，有很多widget和view，Android的应用开发者，用现有的widget就能够绘制出比较酷炫的界面。

Android提供的大多view和widget都是2D的绘图，2D绘图比较慢，也发挥不出GPU的作用，因此Android又设计了一套加速系统，硬件加速。其目的就是将2D的绘图操作转换为一个个的3D（Opengl）绘图，再采用部分更新的方式，只去重绘界面中有更新的部分view，这样就大大提升界面绘制的速度。

显示系统

图形绘制好了后，需要送到LCD显示屏上，我们才能看到。绘制界面时，我们只关心单个界面，显示的时候，可能就有多个界面了。做过Android应该开发的都知道，我们需要继承一个Activity，用Activity呈现我们的界面。Activity的生命周期管理，也就伴随了窗口的管理。这中间就涉及了两个Android中两个主要的服务，AMS（ActivityManagerService）和WMS（WindowManagerService）。View，AMS，WMS可以说是整个上层显示系统的三驾马车。

在Android中，一个窗口用一个Surface描述。多个窗口（窗口不一定都是Activity），需要同时显示，我们就需要将多个窗口进行合并。这就需要显示系统中重量级的服务SurfaceFlinger，Surfaceflinger控制窗口的合成，将多个窗口合并成一个，再送到LCD。

Surfaceflinger是Native的服务，Surfaceflinger中怎么去描述一个窗口呢？Surfaceflinger采用图层的概念，即Layer。SurfaceFlinger合成，就是基于Display HAL的实现，将多个Layer合并。Display HAL，各个厂商的实现就千差万别了。

Buffer管理

前面讨论了怎么绘制，怎么显示。但是，绘制，绘在什么地方，拿什么去显示。答案只能是内存Buffer。Android的系统中，采用GraphicBuffer对buffer进行封装，而buffer采用ion实现，能在进程间共享。

Surface属性应用进程，Layer属于SurfaceFlinger进程。如果只用一个Buffer，那么两个进程都有可能同时在用Buffer，这就可能会造成我们看到的屏幕显示不对，存在撕裂。另外，只用一个Buffer，效率也不高啊，绘制本来就是GPU在绘制，显示这边是CPU或者是其他的硬件模块，一个工作，另外一个不工作，且不浪费。所以Android采用Buffer队列的方式，即BufferQueue。绘制的是一个Buffer，显示的是一个buffer，各自处理完后，交换一下Buffer。这样效率就高很多了。这中间再采用一个生产者-消费者模型，Buffer是载体，Surface应用这边是Producer，SurfaceFlinger这边是是Consumer。这样就更好理解了。

显示系统的架构

有了前面的描述，是不是对Android的图形显示系统有了大概的认识了？没有关系，我们直接来看架构图。架构图来自Androd的官网， https://source.android.com/devices/graphics/ ,

大家可以对照图再回味一下，前面的描述。有些地方，这个图并不能很好的体现，不过没有关系，接下来我们会详细的介绍各个模块和流程。

换一种方式来描述Android的显示系统，架构图如下：

再和前面Android的图进行对照，是不是更清楚一些了。

这个图里，前面的描述里有点没有说到，SurfaceFlinger到OpenGLES，大家是不是觉得有点奇怪。其实是这样的，SurfaceFlinger合成，有两种方式，Client和Device。Client就是Client合成完Layer后再将合成后的数据给到HWComposer，HWComposer此时做的工作很少，直接给到Display。Device则是将未合成的Layer，给到硬件合成的设备，合成完后再给到Display。

可能大家还是很迷茫，没有关系～，我们接下来将参照Android的源码，逐一为大家讲解。

从应用的角度理解Android

做Android开发，我们都讲了太多的架构，也听了太多的架构。不知道大家有没有从应用的角度去看过Android的系统？我们先来看Android的整体系统架构。

Android基于Linux内核，我们是不是可以将上层Android理解为Linux内核的一个应用。这个应用非常庞大，集集了电话，BT，WiFi，音视频播放，Camera等功能。

基于Linux内核的系统非常的多，比如常用的，Debian系列的Ubuntu，Debian；Redhat系统的RedHat，Fedora等。你可以理解Android自成一个系列。所以，我们也可以基于Linux内核去开发自己的系统。

回到Android，Android在Linux中加了很多驱动，再采用硬件抽象的方式，向上提供接口，这就是我们所说的HAL层。所以我们要增加一个模块，需要增加Linux驱动，然后实现HAL，以供上层使用。当然，我们也可以基于Android的HAL去开发上层的系统，又可以将基于HAL的系统看成一个应用。据了解，FirefoxOS，360OS，YunOS等，基本都是基于Android的HAL的方式去开发的（Oops~如有亵渎，神灵保佑…）。

基于HAL的Android Framework，分为Native Framework和JavaFramework。HAL层是C++写的，按里说，Native的 Framework应该就够了，什么还要去实现Java的Framework呢？Android的应用大多数都是用Java开发，中间还有一个Java虚拟机，和JNI。

其实，这是有历史原因的。现在Android已经形成了一个很大的生态链，但是想想当初，Android系统刚才发布，得有开发者呀，没有开发者的支持，如何能形成生态链。所以，Android就采用了这种Java开发方式，大大笼络了Java开发人员。

再回到我们的显示子系统，Surfaceflinger基于HAL HWComposer，管理和控制着整个Android的显示。而上层，则是WMS，AMS，View等系统服务管理和控制着整个Android的显示。

回到上一章给出的Display架构图，我们是不是可以直接基于Native的Framework进行应用的开发呢，答案是肯定的。Android也为此提供了NDK，以便于Android Native应用的开发。

下面，让我们从一个Native应用开始，揭开Android显示系统的面纱～