Android之窗口系統
要點
1.Android窗口系統通過C-S架構和一套Buffer循環機制實現，在保證安全穩定的前提下基本上做到了極致性能（無大塊內存拷貝，IPC通信內容最少）。
2.SurfaceFlinger創建Layer，將其中的BufferQueueProducer作爲IGraphicBufferProducer傳給應用側的Surface，因而構成窗口。
3.Surface是皮，BufferQueue是肉，通過這樣的皮肉關係構建了Buffer循環機制。Buffer循環機制不僅用於窗口系統，也用於視頻播放解碼流，相機拍照數據流等（Camera2.0架構）。
注：代碼基於Android 5.0
窗口系統接口
作爲一個應用，繪圖是自由的，基本上也是平臺無關的。但如果要把繪圖的結果顯示出來，就必須依賴平臺提供的窗口系統。好比我們寫篇文章出來容易，要投到雜誌上發表，就必須按雜誌社的格式，並通過審校等一堆流程，不然每個人都隨便發，肯定亂套了。
Android的窗口系統設計
Android爲應用層提供的窗口接口爲ANativeWindow。這個接口可用來調整配置參數，獲取圖形內存並送還觸發顯示。應用層是Buffer的生產者。
對於非GPU繪圖的應用，通過這個類去獲取圖形內存（dequeueBuffer），並在繪製完成之後送還（queueBuffer），讓顯示系統在合適的時機顯示。
對於GPU繪圖（嚴格來說，是使用EGL標準）的應用，在創建OpenGL上下文時將ANativeWindow的指針傳入，GPU的驅動會在合適的時候完成獲取內存和送還的操作。應用層只需要調用eglSwapBuffers換緩存即可。
Android的Windows接口
對應用層開放的windows接口定義在
system/core/include/system/windows.h
主要接口函數如下：
struct ANativeWindow
{
/*......*/
int (*setSwapInterval)(struct ANativeWindow* window, int interval);//設置Buffer失效期限，當應用生產Buffer快於消費者（一般是顯示系統）的消費時，這個參數決定是否丟棄之前沒來得及消費的Buffer。
int (*query)(const struct ANativeWindow* window, int what, int* value);//查詢參數
int (*perform)(struct ANativeWindow* window,int operation, ... );//設置參數，其中也包括做連接
int (*dequeueBuffer)(struct ANativeWindow* window, struct ANativeWindowBuffer** buffer, int* fenceFd);//從隊列中取出一塊Buffer用於生產（一般是圖形渲染），若是第一次調用，會觸發Buffer的申請
int (*queueBuffer)(struct ANativeWindow* window, struct ANativeWindowBuffer* buffer, int fenceFd);//將生產完成的Buffer送還
int (*cancelBuffer)(struct ANativeWindow* window, struct ANativeWindowBuffer* buffer, int fenceFd);//釋放Buffer隊列中的Buffer，一般是disconnect時調用
};用於perform和query接口的一些宏定義如下：
/*用於perform和query接口的宏*/
enum {
NATIVE_WINDOW_SET_USAGE = 0,
NATIVE_WINDOW_CONNECT = 1, /* deprecated */
NATIVE_WINDOW_DISCONNECT = 2, /* deprecated */
NATIVE_WINDOW_SET_CROP = 3, /* private */
NATIVE_WINDOW_SET_BUFFER_COUNT = 4,
NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_GEOMETRY = 5, /* deprecated */
NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_TRANSFORM = 6,
NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_TIMESTAMP = 7,
NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_DIMENSIONS = 8,
NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_FORMAT = 9,
NATIVE_WINDOW_SET_SCALING_MODE = 10, /* private */
NATIVE_WINDOW_LOCK = 11, /* private */
NATIVE_WINDOW_UNLOCK_AND_POST = 12, /* private */
NATIVE_WINDOW_API_CONNECT = 13, /* private */
NATIVE_WINDOW_API_DISCONNECT = 14, /* private */
NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_USER_DIMENSIONS = 15, /* private */
NATIVE_WINDOW_SET_POST_TRANSFORM_CROP = 16, /* private */
NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_STICKY_TRANSFORM = 17,/* private */
NATIVE_WINDOW_SET_SIDEBAND_STREAM = 18,
NATIVE_WINDOW_SET_BUFFERS_DATASPACE = 19
};窗口的創建與使用
Surface
自Android 4.2之後，FramebufferNativeWindow被廢棄，所有窗口均繼承Surface。Surface本身是一種ANativeWindow。
class Surface
: public ANativeObjectBase<ANativeWindow, Surface, RefBase>/*Surface繼承於ANativeWindow*/
{
public:
Surface(const sp<IGraphicBufferProducer>& bufferProducer, bool controlledByApp = false);
/*......*/
private:
// ANativeWindow hooks
/*這幾個hook函數對應於 window.h 中的接口函數*/
static int hook_cancelBuffer(ANativeWindow* window,
ANativeWindowBuffer* buffer, int fenceFd);
static int hook_dequeueBuffer(ANativeWindow* window,
ANativeWindowBuffer** buffer, int* fenceFd);
static int hook_perform(ANativeWindow* window, int operation, ...);
static int hook_query(const ANativeWindow* window, int what, int* value);
static int hook_queueBuffer(ANativeWindow* window,
ANativeWindowBuffer* buffer, int fenceFd);
static int hook_setSwapInterval(ANativeWindow* window, int interval);
static int hook_cancelBuffer_DEPRECATED(ANativeWindow* window,
ANativeWindowBuffer* buffer);
static int hook_dequeueBuffer_DEPRECATED(ANativeWindow* window,
ANativeWindowBuffer** buffer);
static int hook_lockBuffer_DEPRECATED(ANativeWindow* window,
ANativeWindowBuffer* buffer);
static int hook_queueBuffer_DEPRECATED(ANativeWindow* window,
ANativeWindowBuffer* buffer);
/*.......*/
public:
/*這兩個函數主要是CPU繪圖時調用，除了獲取，映射Buffer之外，額外將非髒區域從上一塊Buffer拷貝到本塊Buffer，以便渲染時只繪製髒區域*/
virtual int lock(ANativeWindow_Buffer* outBuffer, ARect* inOutDirtyBounds);
virtual int unlockAndPost();
/*.......*/
private:
struct BufferSlot {
sp<GraphicBuffer> buffer;
Region dirtyRegion;
};
/*Buffer生產者，Surface*/
sp<IGraphicBufferProducer> mGraphicBufferProducer;
BufferSlot mSlots[NUM_BUFFER_SLOTS];
/*通過native_window_set_buffers_dimensions改變，用於在合適的時機改變GraphicBuffer的長寬*/
uint32_t mReqWidth;
uint32_t mReqHeight;
/*需求的GraphicBuffer格式，用於動態調整*/
PixelFormat mReqFormat;
/*需求Usage說明，影響GraphicBuffer的flags*/
uint32_t mReqUsage;
/*時間戳，用於判斷Buffer是否過期*/
int64_t mTimestamp;
/*Buffer的使用範圍*/
Rect mCrop;
/*Buffer後續變換需求，只包括水平、垂直翻轉，90度旋轉*/
uint32_t mTransformHint;
/*BufferProducer是否由使用Surface的App控制，這個主要是用來決定dequeueBuffer時是否堵塞*/
bool mProducerControlledByApp;
/*......*/
};
}; // namespace android窗口的創建
用於圖形顯示的窗口，是由SurfaceFlinger進程負責創建的：
爲應用層創建Surface（窗口）時，SurfaceFlinger同步創建一個Layer，並將Layer的生產者關聯到Surface上。這樣，應用側便可以通過Surface申請Buffer，作爲生產者渲染圖像，送顯由Layer中的消費者負責。
Buffer循環機制
對於按一定幀率刷新的窗口系統，每一次渲染只有很有限的時間，頻繁地申請/釋放圖形內存是不可接受的。Android的做法是維護一個Buffer隊列，按生產者——消費者模式循環利用。這個Buffer就是上一章所述的GraphicBuffer。
Buffer的狀態
Buffer隊列池中持有固定數量的Buffer（由setBufferCount函數決定，一般是3塊），每個Buffer有四種狀態，決定其是否可以被生產者/消費者訪問。
Buffer的生產
序號化
由於Layer位於SurfaceFlinger進程中，GraphicBuffer是在SurfaceFlinger進程中創建的。應用層作爲生產者，使用時需要將其映射到自己的進程空間。在每次申請Buffer時都做一次映射很不明智。
很容易想到的一個方法是在應用層建一個GraphicBuffer隊列，和SurfaceFlinger中的Buffer隊列對應地映射起來，每次申請和返還時，以序號代替真實的GraphicBuffer傳替。Android也正是這麼做的。
dequeueBuffer
Surface::dequeueBuffer(android_native_buffer_t** buffer, int* fenceFd)
這接口用於申請內存進行生產（渲染）。
於Surface側，它獲取Buffer的序列號，然後檢查是否已經同步過，若沒有同步過調用requestBuffer同步（映射共享內存）。
於BufferQueue側，它檢查是否有 FREE 標誌的Buffer，如果沒有，根據 mProducerControlledByApp 標誌決定返回錯誤碼或者等待。
fenceFd是BufferQueue返回給Surface的，生產者有義務去等fence。
queueBuffer
int Surface::queueBuffer(android_native_buffer_t* buffer, int fenceFd)
於Surface側，它將Buffer送還給BufferQueue，但這不一定表示生產者用完了，消費者獲取到Buffer之後仍有義務等fence。
於BufferQueue側，接收到Buffer，將其放到一個可用隊列中，修改狀態，並且觸發監聽器的onFrameAvailable函數。
Buffer的消費
acquireBuffer
消費者獲取buffer，由於在queueBuffer時，會將Buffer放到一個隊列中，這時便從那個隊列去取。
releaseBuffer
消費者釋放buffer。