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Android渲染/合成底层原理详解

news 2025/8/8 7:37:03

一、核心组件详解

1. 核心硬件

GPU：执行图形渲染，将绘图指令转为像素数据（OpenGL ES/Vulkan）。
DPU（显示处理单元）：负责图层合成（重叠区域计算/缩放/格式转换）。
HWC（硬件合成器）：HAL(HWC)对合成操作进行了抽象，屏蔽了具体实现.绝大多数情况下hwc的实现者是DPU，除了合成工作外，hwc模块还负责送显以及发送VSync信号。

2. GraphicBuffer

作用：GraphicBuffer是整个图形系统的核心，所有的渲染操作都将在此对象上进行，包括同步给GPU和HWC每当应用有显示需求时，应用会向系统申请一块GraphicBuffer内存，这块内存将会共享给GPU用于执行渲染工作，接着会同步给HWC用于合成和显示。我们可以把每一个GraphicBuffer对象看做是一个个渲染完成的图层。
生命周期状态：
- FREE：空闲状态，APP可申请使用。
- DEQUEUED：APP正在渲染（GPU写入数据）。
- QUEUED：渲染完成，等待SF消费。
- ACQUIRED：SF正在合成（HWC/GPU读取）。
生命周期具体描述：

渲染阶段：应用有绘图需求了，由GPU分配一块内存给应用，应用调用GPU执行绘图，此时使用者是GPU
合成阶段：GPU渲染完成后将图层传递给sf进程，sf进程决定由谁来合成，hwc或者GPU如果使用GPU合成，那么此时buffer的使用者依旧是GPU，如果使用hwc合成，那么此时buffer的使用者是hwc。

显示阶段：所有的buffer在此阶段的使用者都是hwc，因为hwc控制着显示芯片从生命周期可以看出GraphicBuffer对象在流转的过程中，会被GPU、CPU、DPU三个不同的硬件访问，如果同一块内存能够被多个硬件设备访问，就需要一个同步机制。在Android图形系统中，Fence机制就是用来保证跨硬件访问时的数据安全
同步机制：Fence（硬件锁）
- 原理：每个硬件访问GraphicBuffer前需等待Fence信号（如GPU渲染完成才允许DPU读取）。
- 类型：acquire_fence（消费者锁）, release_fence（生产者锁）。

3. BufferQueue

角色：协调生产者（APP）和消费者（SF）的核心队列。
从名称就可以看出来，它是一个封装了GraphicBuffer的队列，BufferQueue对外提供了GraphicBuffer对象出列/入列的接口
工作流程：

图表
三重缓冲：默认3个GraphicBuffer循环使用，避免帧等待（VSync周期内可预渲染下一帧）。

4. Surface

定位：APP的绘图入口，封装BufferQueue的生产者接口。
详细描述：应用中所有的绘图操作最终都是在Surface中执行的，Surface作为图像的生产者，持有BufferQueue的引用，并且封装了出列和入列两个方法
以2D绘图的流程来举例：

1、需要显示图形时，首先创建一个Surface对象
2、调用Surface#lockCanvas()获取Canvas对象
3、调用Canvas的draw开头的函数执行一系列的绘图操作
4、调用Surface#unlockCanvasAndPost()将绘制完成的图层提交，等待下一步合成显示

第二步的[lockCanvas()]方法返回了Canvas对象供开发者绘图使用，其内部就调用了BufferQueue#dequeueBuffer()申请一块图形buffer，后续所有的绘图结果都会写入这块内存中
第四步的[unlockCanvasAndPost()]方法内部调用了BufferQueue#queueBuffer()方法将绘制完成的Buffer入列，等待sf进程在下一次同步信号周期合成并完成送显
关键方法：
- lockCanvas() → 调用dequeueBuffer()获取Canvas绘图。
- unlockCanvasAndPost() → 调用queueBuffer()提交数据。
底层绑定：ANativeWindow（NDK层），为OpenGL ES/Vulkan提供绘图表面。

5. SurfaceFlinger (SF，由init.rc启动)

职责：
- 接收所有Layer的GraphicBuffer。
- 调用HWC合成图层。
- 通过DRM/KMS驱动送显。
- 职责总结：SurfaceFlinger进程负责接受来自APP进程的图形数据，调用hwc进行合成并完成最终的送显（“请求VSync”和“执行合成工作”）
核心成员：
- mHWC：硬件合成器代理。
- mEventThread：分发VSync-app/VSync-sf信号。
- mPrimaryDispSync：预测硬件VSync模型。

6. HWComposer (HWC)

作用：辅助SF完成接受硬件的VSync信号以及完成图层合成工作
合成策略：
- 硬件合成：普通图层（无透明/变形），由DPU直接合成（低功耗）。
- GPU合成：复杂特效图层（调用OpenGL ES）。
查看方式：adb shell dumpsys SurfaceFlinger → DEVICE（硬件合成）/ CLIENT（GPU合成）。

组件	作用
GraphicBuffer	图形内存块，存储渲染结果，共享给GPU/DPU
BufferQueue	生产者-消费者模型管理GraphicBuffer，状态包括：FREE → DEQUEUED → QUEUED → ACQUIRED
Surface	APP绘图入口，封装BufferQueue的出列/入列操作
SurfaceFlinger (SF)	系统服务进程：接收图层、调用HWC合成、送显

二、显示全流程

1. 进程启动与视图绑定

2. ViewRootImpl核心能力

成员：
- mView：持有DecorView，控制视图树。
- mSurface：绑定BufferQueue，管理绘图内存。
- mChoreographer：接收VSync驱动绘制。
首次绘制：
1. ViewRootImpl.setView() → requestLayout() → 请求VSync。
2. VSync到达 → 执行performTraversals()（measure/layout/draw）。

3. 渲染加速机制

方式	执行线程	实现	适用场景
软件渲染	UI线程	CPU直接绘制到Canvas	简单视图/兼容模式
硬件加速	RenderThread	构建DisplayList → GPU渲染	复杂动画/现代APP
SurfaceView	任意线程	独立Surface → 直接提交Buffer	游戏/视频播放器

4. SF合成五部曲

预处理 (preComposition)：检查新增图层。
重建图层栈 (rebuildLayerStacks)：计算脏区域/Z序。
准备HWC (setUpHWComposer)：分配合成方式。
执行合成 (doComposition)：
- GPU合成：HWC无法处理的图层。
- 硬件合成：DPU直接合成图层。
送显 (postComposition)：DRM提交帧 → 等下次硬件VSync显示。

三、VSync同步机制

1. VSync信号流

2. 关键优化

VSync Offset：错开APP/SF的VSync信号（APP先执行，SF延迟执行），实现流水线处理。
同步屏障：VSync到来时阻塞普通消息，优先执行绘制（ViewRootImpl#scheduleTraversals()）。

四、常见问题

Q1: 为什么要有Fence机制？

答：防止多硬件（GPU/DPU）同时写GraphicBuffer导致数据竞争。例如：

GPU渲染未完成时，DPU若读取Buffer会显示残缺帧。
Fence工作流：DPU消费前等待acquire_fence（GPU渲染完成信号）。

Q2: SurfaceView为什么不会阻塞UI线程？

答：

拥有独立Surface和BufferQueue，渲染在子线程执行。
不受主线程VSync约束，通过unlockCanvasAndPost()直接提交帧。（SurfaceView让应用无需等待VSync信号的到来便可以执行绘制工作，这是它和普通View最大的区别）

Q3: 丢帧的根本原因是什么？

答：任一阶段超时：

APP渲染 > 16.6ms（60Hz）
SF合成 > 16.6ms
Buffer排队（未及时释放FREE Buffer）

Q4: HWC如何提升性能？

答：

硬件合成比GPU合成功耗低30%+。
减少GPU负载 → 降低发热/提升续航。

Q5: 三重缓冲如何减少卡顿？

答：允许APP在SF消费前一帧时，提前渲染下一帧（VSync周期内可排队2帧），避免等SF释放Buffer。

总结：

Q：Android点击应用图标到画面显示的完整流程。

A：
整个过程分为四个阶段：

进程启动与视图创建
- AMS通知Zygote孵化APP进程，创建ActivityThread。
- Activity创建PhoneWindow和DecorView，通过WindowManager关联到ViewRootImpl。
- ViewRootImpl初始化Surface和Choreographer，准备接收VSync信号。
VSync驱动绘制
- APP首次调用requestLayout()请求VSync-app。
- VSync-app到达 → Choreographer触发ViewRootImpl#performTraversals()。
- 执行measure/layout/draw：
  - 软件渲染：UI线程直接绘制Canvas。
  - 硬件加速：构建DisplayList → RenderThread异步执行GPU渲染。
- 绘制结束 → Surface提交GraphicBuffer到BufferQueue。
SurfaceFlinger合成
- BufferQueue通知SF有帧就绪 → SF请求VSync-sf。
- VSync-sf到达 → SF执行合成五部曲：
  1. 预处理检查新图层。
  2. 重建图层栈（计算脏区域/Z序）。
  3. HWC分配合成方式（硬件/GPU）。
  4. 执行合成并提交结果到显示框架。
- HWC等待下次硬件VSync切换帧。
显示
- 显示器在硬件VSync信号到来时切换帧缓冲区，用户看到画面。