Android 鼠标光标的图形合成原理实例探究
引言
一直很好奇鼠标光标是如何实现的,它反映很快、延迟很小,没有受到 Android 显示系统的影响。正好最近做相关的工作,跟着源码好好研究一下。
本文参考 Android 9.0 源码。
从 Input 说起
我们并不是要讲 Input,只想看看鼠标光标的绘制过程。但是,Android 将鼠标光标的实现放到了 Input 中,这看起来也是合理的。在 Input 中,光标由类Sprite
实现。源码中对 Sprite
的解释为:显示在其他图层之上的图形对象。看来 Sprite
并非专为光标设计,但在源码中的位置表明,它在 Android 中也只为鼠标或触摸之类的输入设备的光标服务。Sprite
的定义中也只提供了简单的图形操作。
frameworks/base/libs/input/SpriteController.h /* * A sprite is a simple graphical object that is displayed on-screen above other layers. * The basic sprite class is an interface. * The implementation is provided by the sprite controller. */ class Sprite : public RefBase { protected: Sprite() { } virtual ~Sprite() { } public: enum { // The base layer for pointer sprites. BASE_LAYER_POINTER = 0, // reserve space for 1 pointer // The base layer for spot sprites. BASE_LAYER_SPOT = 1, // reserve space for MAX_POINTER_ID spots }; /* Sets the bitmap that is drawn by the sprite. * The sprite retains a copy of the bitmap for subsequent rendering. */ virtual void setIcon(const SpriteIcon& icon) = 0; inline void clearIcon() { setIcon(SpriteIcon()); } /* Sets whether the sprite is visible. */ virtual void setVisible(bool visible) = 0; /* Sets the sprite position on screen, relative to the sprite's hot spot. */ virtual void setPosition(float x, float y) = 0; /* Sets the layer of the sprite, relative to the system sprite overlay layer. * Layer 0 is the overlay layer, > 0 appear above this layer. */ virtual void setLayer(int32_t layer) = 0; /* Sets the sprite alpha blend ratio between 0.0 and 1.0. */ virtual void setAlpha(float alpha) = 0; /* Sets the sprite transformation matrix. */ virtual void setTransformationMatrix(const SpriteTransformationMatrix& matrix) = 0; };
控制光标的类叫做 SpriteController
,PointerController 会使用这个类来显示光标。这里我们只关心光标图形的合成,真正显示和更新光标的方法是 SpriteController::doUpdateSprites()
。
frameworks/base/libs/input/SpriteController.cpp void SpriteController::doUpdateSprites() { // 从invalidatedSprites 中收集需要更新的 Sprite Vector<SpriteUpdate> updates; size_t numSprites; { // acquire lock AutoMutex _l(mLock); numSprites = mLocked.invalidatedSprites.size(); for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) { const sp<SpriteImpl>& sprite = mLocked.invalidatedSprites.itemAt(i); updates.push(SpriteUpdate(sprite, sprite->getStateLocked())); sprite->resetDirtyLocked(); } mLocked.invalidatedSprites.clear(); } // release lock // surfaces 未创建或丢失时,重新创建 surface bool surfaceChanged = false; for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) { SpriteUpdate& update = updates.editItemAt(i); if (update.state.surfaceControl == NULL && update.state.wantSurfaceVisible()) { update.state.surfaceWidth = update.state.icon.bitmap.width(); update.state.surfaceHeight = update.state.icon.bitmap.height(); update.state.surfaceDrawn = false; update.state.surfaceVisible = false; // 创建 Surface,我们这次的关注点 update.state.surfaceControl = obtainSurface( update.state.surfaceWidth, update.state.surfaceHeight); if (update.state.surfaceControl != NULL) { update.surfaceChanged = surfaceChanged = true; } } } // 如果需要,重新调整 sprites 大小 SurfaceComposerClient::Transaction t; bool needApplyTransaction = false; for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) { ...... if (update.state.surfaceWidth < desiredWidth || update.state.surfaceHeight < desiredHeight) { needApplyTransaction = true; t.setSize(update.state.surfaceControl, desiredWidth, desiredHeight); ...... } } } if (needApplyTransaction) { t.apply(); } // 如果需要,重画 sprites for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) { SpriteUpdate& update = updates.editItemAt(i); if ((update.state.dirty & DIRTY_BITMAP) && update.state.surfaceDrawn) { update.state.surfaceDrawn = false; update.surfaceChanged = surfaceChanged = true; } if (update.state.surfaceControl != NULL && !update.state.surfaceDrawn && update.state.wantSurfaceVisible()) { sp<Surface> surface = update.state.surfaceControl->getSurface(); ANativeWindow_Buffer outBuffer; ...... // 使用 SKIA 画图 SkBitmap surfaceBitmap; ssize_t bpr = outBuffer.stride * bytesPerPixel(outBuffer.format); surfaceBitmap.installPixels(SkImageInfo::MakeN32Premul(outBuffer.width, outBuffer.height), outBuffer.bits, bpr); SkCanvas surfaceCanvas(surfaceBitmap); SkPaint paint; paint.setBlendMode(SkBlendMode::kSrc); surfaceCanvas.drawBitmap(update.state.icon.bitmap, 0, 0, &paint); if (outBuffer.width > update.state.icon.bitmap.width()) { paint.setColor(0); // transparent fill color surfaceCanvas.drawRect(SkRect::MakeLTRB(update.state.icon.bitmap.width(), 0, outBuffer.width, update.state.icon.bitmap.height()), paint); } if (outBuffer.height > update.state.icon.bitmap.height()) { paint.setColor(0); // transparent fill color surfaceCanvas.drawRect(SkRect::MakeLTRB(0, update.state.icon.bitmap.height(), outBuffer.width, outBuffer.height), paint); } ...... } // 根据 dirty 值来设置 Surface needApplyTransaction = false; for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) { SpriteUpdate& update = updates.editItemAt(i); bool wantSurfaceVisibleAndDrawn = update.state.wantSurfaceVisible() && update.state.surfaceDrawn; bool becomingVisible = wantSurfaceVisibleAndDrawn && !update.state.surfaceVisible; bool becomingHidden = !wantSurfaceVisibleAndDrawn && update.state.surfaceVisible; if (update.state.surfaceControl != NULL && (becomingVisible || becomingHidden || (wantSurfaceVisibleAndDrawn && (update.state.dirty & (DIRTY_ALPHA | DIRTY_POSITION | DIRTY_TRANSFORMATION_MATRIX | DIRTY_LAYER | DIRTY_VISIBILITY | DIRTY_HOTSPOT))))) { ...... } if (needApplyTransaction) { status_t status = t.apply(); if (status) { ALOGE("Error applying Surface transaction"); } } ...... }
一次的光标的更新就会涉及到如此多的代码逻辑,可见UI真是不容易。其他的逻辑线不管,这次我们只关心光标的图层。上述代码通过 obtainSurface()
来创建 Surface。
frameworks/base/libs/input/SpriteController.cpp sp<SurfaceControl> SpriteController::obtainSurface(int32_t width, int32_t height) { ensureSurfaceComposerClient(); sp<SurfaceControl> surfaceControl = mSurfaceComposerClient->createSurface( String8("Sprite"), width, height, PIXEL_FORMAT_RGBA_8888, ISurfaceComposerClient::eHidden | ISurfaceComposerClient::eCursorWindow); if (surfaceControl == NULL || !surfaceControl->isValid()) { ALOGE("Error creating sprite surface."); return NULL; } return surfaceControl; }
这里我们需要重点关注的是 createSurface()
方法中的参数 flags
。Sprite 中这个 flags
设置了eHidden
和eCursorWindow
,它们表明创建的 Surface 是隐藏的,并标识为 Cursor 使用。
来到 Surface
Input 中为光标创建了一个 Surface,并且标识这是一个 Cursor 使用的 Surface。之后,Surface 中会根据情形对光标图层做特殊处理,这里的关键字就是 Cursor
。
我们还是以光标图层为主线进行跟踪,先继续看下createSurface()
。经过一系列的 Binder 调用和 Message传递,最终通过 SurfaceFlinger 的createLayer()
完成图层创建。
frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp status_t SurfaceFlinger::createLayer(const String8& name, const sp<Client>& client, uint32_t w, uint32_t h, PixelFormat format, uint32_t flags, int32_t windowType, int32_t ownerUid, sp<IBinder>* handle, sp<IGraphicBufferProducer>* gbp, const sp<IBinder>& parentHandle, const sp<Layer>& parentLayer) { ...... switch (flags & ISurfaceComposerClient::eFXSurfaceMask) { // 普通图层 case ISurfaceComposerClient::eFXSurfaceNormal: result = createBufferLayer(client, uniqueName, w, h, flags, format, handle, gbp, &layer); break; // 纯色图层 case ISurfaceComposerClient::eFXSurfaceColor: result = createColorLayer(client, uniqueName, w, h, flags, handle, &layer); break; default: result = BAD_VALUE; break; } ...... // Client中通过Layer管理Surface,将创建的Layer加入到LayerStack中 result = addClientLayer(client, *handle, *gbp, layer, parentHandle, parentLayer); if (result != NO_ERROR) { return result; } mInterceptor->saveSurfaceCreation(layer); setTransactionFlags(eTransactionNeeded); return result; }
createLayer()
中,光标算是普通图层,所以仅需调用createBufferLayer()
来创建。
frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp status_t SurfaceFlinger::createBufferLayer(const sp<Client>& client, const String8& name, uint32_t w, uint32_t h, uint32_t flags, PixelFormat& format, sp<IBinder>* handle, sp<IGraphicBufferProducer>* gbp, sp<Layer>* outLayer) { ...... // 创建一个BufferLayer sp<BufferLayer> layer = new BufferLayer(this, client, name, w, h, flags); // 设置Buffer属性 status_t err = layer->setBuffers(w, h, format, flags); if (err == NO_ERROR) { *handle = layer->getHandle(); // 获取Layer的句柄 *gbp = layer->getProducer(); // 获取GraphicBufferProducer对象 *outLayer = layer; } ALOGE_IF(err, "createBufferLayer() failed (%s)", strerror(-err)); return err; }
其中layer->setBuffers()
设置了该BufferLayer的属性。可以看到,当申请的是一个 Cursor 图层时,mPotentialCursor
被设置为true
,表明该 BufferLayer 作为 Cursor 使用。
frameworks/native/services/surfaceflinger/BufferLayer.cpp status_t BufferLayer::setBuffers(uint32_t w, uint32_t h, PixelFormat format, uint32_t flags) { ...... mFormat = format; mPotentialCursor = (flags & ISurfaceComposerClient::eCursorWindow) ? true : false; mProtectedByApp = (flags & ISurfaceComposerClient::eProtectedByApp) ? true : false; mCurrentOpacity = getOpacityForFormat(format); mConsumer->setDefaultBufferSize(w, h); mConsumer->setDefaultBufferFormat(format); mConsumer->setConsumerUsageBits(getEffectiveUsage(0)); return NO_ERROR; }
SurfaceFlinger 中的 Cursor 操作
上面讲到 Cursor Layer 最核心的属性mPotentialCursor
,createSurface()
只是设置了这个属性,真正的使用在 SurfaceFlinger 渲染过程中。接着我发现,想把这个东西看明白,先需要把 Android 图形合成弄清楚,这可是的庞大的工程。借张图,有兴趣的自己研究。
但是,时间有限,怎么办?我的解决办法就是搜索关键字。搜索关键字Cursor
后,可以得到一些相关的操作。SurfaceFlinger 接收到 Vsync 信号后,会调用handleMessageRefresh()
来刷新显示。
frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp void SurfaceFlinger::handleMessageRefresh() { ...... preComposition(refreshStartTime); //合成预处理 rebuildLayerStacks(); //重新构建LayerStacks setUpHWComposer(); //更新HWComposer的图层和属性 doDebugFlashRegions(); //图形绘制的debug模式 doTracing("handleRefresh"); logLayerStats(); doComposition(); //合成所有图层 postComposition(refreshStartTime); //合成后处理 ...... }
我们还是只关心 Cursor 的操作,它位于 HWComposer 控制的图层中。
frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp void SurfaceFlinger::setUpHWComposer() { ...... // 遍历所有的DisplayDevice,为绘制做准备 for (size_t dpy=0 ; dpy<mDisplays.size() ; dpy++) { ...... mDisplays[dpy]->beginFrame(mustRecompose); if (mustRecompose) { mDisplays[dpy]->lastCompositionHadVisibleLayers = !empty; } } // 设置HWC Layer if (CC_UNLIKELY(mGeometryInvalid)) { mGeometryInvalid = false; for (size_t dpy=0 ; dpy<mDisplays.size() ; dpy++) { ...... for (size_t i = 0; i < currentLayers.size(); i++) { const auto& layer = currentLayers[i]; // 尝试创建HWC Layer,如果失败则强制OpenGL渲染 if (!layer->hasHwcLayer(hwcId)) { if (!layer->createHwcLayer(getBE().mHwc.get(), hwcId)) { layer->forceClientComposition(hwcId); continue; } } // 设置HWC Layer的显示区域、合成模式、Alpha、Order等 layer->setGeometry(displayDevice, i); // HWC被禁止或绘制debug模式时,强制OpenGL渲染 if (mDebugDisableHWC || mDebugRegion) { layer->forceClientComposition(hwcId); } ...... } // 准备HWC需要渲染的数据 for (size_t displayId = 0; displayId < mDisplays.size(); ++displayId) { auto& displayDevice = mDisplays[displayId]; const auto hwcId = displayDevice->getHwcDisplayId(); ...... //调用 setPerFrameData方法 layer->setPerFrameData(displayDevice); ...... } ...... for (size_t displayId = 0; displayId < mDisplays.size(); ++displayId) { ...... // 尝试进行显示 status_t result = displayDevice->prepareFrame(*getBE().mHwc); ...... } }
其中setPerFrameData()
完成 HWComposer 的相关设置,为显示做准备。
frameworks/native/services/surfaceflinger/BufferLayer.cpp void BufferLayer::setPerFrameData(const sp<const DisplayDevice>& displayDevice) { ...... // 设置可见区域 auto error = hwcLayer->setVisibleRegion(visible); ...... // 设置刷新区域 error = hwcLayer->setSurfaceDamage(surfaceDamageRegion); ...... // Sideband layers设置 if (getBE().compositionInfo.hwc.sidebandStream.get()) { setCompositionType(hwcId, HWC2::Composition::Sideband); error = hwcLayer->setSidebandStream(getBE().compositionInfo.hwc.sidebandStream->handle()); ...... return; } if (mPotentialCursor) { // Cursor layers设置 setCompositionType(hwcId, HWC2::Composition::Cursor); } else { // Device layers设置 setCompositionType(hwcId, HWC2::Composition::Device); } // 设置色彩空间 error = hwcLayer->setDataspace(mCurrentDataSpace); if (error != HWC2::Error::None) { ALOGE("[%s] Failed to set dataspace %d: %s (%d)", mName.string(), mCurrentDataSpace, to_string(error).c_str(), static_cast<int32_t>(error)); } // 获取HDR数据并设置到HWC中 const HdrMetadata& metadata = mConsumer->getCurrentHdrMetadata(); error = hwcLayer->setPerFrameMetadata(displayDevice->getSupportedPerFrameMetadata(), metadata); ...... // 获取渲染的数据buffer和Fence,设置到HWC中 sp<GraphicBuffer> hwcBuffer; hwcInfo.bufferCache.getHwcBuffer(getBE().compositionInfo.mBufferSlot, getBE().compositionInfo.mBuffer, &hwcSlot, &hwcBuffer); auto acquireFence = mConsumer->getCurrentFence(); error = hwcLayer->setBuffer(hwcSlot, hwcBuffer, acquireFence); ...... }
我们终于找到了希望看到的mPotentialCursor
,通过这个标识告诉 HWC2 这是一个 CursorLayer。除此之外,对于 CursorLayer 的操作与 DeviceLayer 并没有区别。所以,SurfaceFlinger 更多的是希望 HWComposer 根据 Layer 的类型进行不同处理。目前 HWC2 支持的 Layer 类型有,
- HWC2_COMPOSITION_CLIENT:不通过 HWC 硬件来合成图层。GPU 将这类图层合成到一个图像 Buffer 中,然后传递给 HWC。
- HWC2_COMPOSITION_DEVICE:使用 HWC 硬件来合成图层。
- HWC2_COMPOSITION_SOLID_COLOR:用来处理 ColorLayer 数据,如果 HWC 不支持,则改为使用 CLIENT 方式合成。
- HWC2_COMPOSITION_CURSOR:用来处理 CursorLayer 数据,位置通过
setCursorPosition
异步设置。如果 HWC 不支持,则改为使用 CLIENT 或 DEVICE 方式合成。 - HWC2_COMPOSITION_SIDEBAND:对于这种 Layer,需要由外部机制提供内容更新,例如电视信号的视频数据。如果 HWC 不支持,则改为使用 CLIENT 或 DEVICE 方式合成,但可能无法正确显示。
Cursor Layer还有一个重要的操作,setCursorPosition()
,这个方法用来设置 Cursor 的位置,具体的实现依然在 HWComposer 中。当用户进程更新 Surface 图形时,SurfaceFlinger 会发送INVALIDATE
消息给相应的 Layer。消息处理函数调用handleTransaction()
和handlePageFlip()
来更新Layer对象。handleTransaction()
用来处理 Layer 和显示设备的变化,它继续调用handleTransactionLocked()
。
frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp void SurfaceFlinger::handleTransactionLocked(uint32_t transactionFlags) { ...... // 处理Layer的变化 if (transactionFlags & eTraversalNeeded) { ...... } // 处理显示设备的变化 if (transactionFlags & eDisplayTransactionNeeded) { processDisplayChangesLocked(); processDisplayHotplugEventsLocked(); } // 设置transform hint if (transactionFlags & (eDisplayLayerStackChanged|eDisplayTransactionNeeded)) { ...... } //处理Layer的增减 if (mLayersAdded) { ...... } if (mLayersRemoved) { ...... } commitTransaction(); // 更新光标位置 updateCursorAsync(); }
我们找到了 Cursor 更新的地方,SurfaceFlinger 更新图形时会同步更新光标位置。之后,在 Vsync 到来时,完成图像的更新显示。
frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp void SurfaceFlinger::updateCursorAsync() { for (size_t displayId = 0; displayId < mDisplays.size(); ++displayId) { ...... // 调用Layer的对应方法 for (auto& layer : displayDevice->getVisibleLayersSortedByZ()) { layer->updateCursorPosition(displayDevice); } } }
frameworks/native/services/surfaceflinger/Layer.cpp void Layer::updateCursorPosition(const sp<const DisplayDevice>& displayDevice) { // HWC Layer不存在或者不是Cursor Layer,不做处理 auto hwcId = displayDevice->getHwcDisplayId(); if (getBE().mHwcLayers.count(hwcId) == 0 || getCompositionType(hwcId) != HWC2::Composition::Cursor) { return; } ...... // 获取图层的位置 Rect bounds = reduce(win, s.activeTransparentRegion); Rect frame(getTransform().transform(bounds)); frame.intersect(displayDevice->getViewport(), &frame); if (!s.finalCrop.isEmpty()) { frame.intersect(s.finalCrop, &frame); } auto& displayTransform(displayDevice->getTransform()); auto position = displayTransform.transform(frame); // 调用HWC的方法来设置图层位置 auto error = getBE().mHwcLayers[hwcId].layer->setCursorPosition(position.left, position.top); }
到达 HWComposer
上面分析了许多代码,但真正与 Cursor 相关的并不多。CursorLayer 的真正实现还是在 HWComposer 中。但是 HWComposer 的实现是与平台相关的,不同的平台对 CursorLayer 的实现可能不同。效率的方式是使用一个独立的硬件 OSD 来显示 CursorLayer,然后通过硬件合成的方式将 CursorLayer 叠加到 UI 显示层。使用这种方式,光标的移动效率也很高,只要改变硬件 OSD 显示的位置即可。如果没有独立的硬件 OSD 来使用,就只能在标准显示层上进行软件叠加,或者使用 GPU 来叠加。
参考:
由于跟平台相关的实现具有私密性,这里不再继续分析,更多关于Android鼠标光标图形合成的资料请关注脚本之家其它相关文章!
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