Android 图形系统之五：Gralloc
Gralloc (Graphics Allocator) 是 Android 系统中的关键组件之一，用于管理图形缓冲区的分配、映射以及处理。在 Android 的图形架构中，Gralloc 充当了 HAL (Hardware Abstraction Layer) 的一部分，为系统和硬件提供了通用的接口，使应用程序能够高效地处理图形数据。
Gralloc 的主要功能
Gralloc 的功能可以划分为以下几个核心部分：
1. 图形缓冲区分配
- 目标：为应用程序或系统组件分配物理内存，用于存储显示图形数据。
- 细节：缓冲区的分配依据 宽度、高度、像素格式 和 使用场景 (Usage Flags)。显存分配通常由底层 GPU 或特定硬件模块管理。
2. 内存映射
- 目标：通过映射将物理内存的缓冲区暴露给用户态程序。
- 细节：映射操作将内存映射到调用进程的虚拟地址空间。支持映射为 CPU 可访问的地址（用户态程序可直接操作数据）。
3. 跨进程共享
- 目标：缓冲区能在不同进程间高效传递。
- 细节：Gralloc 使用文件描述符 (FD) 作为缓冲区的共享句柄。通过 binder 或其他机制，FD 可在生产者和消费者之间传递，无需拷贝数据。
4. 缓冲区属性管理
- 目标：为缓冲区附加元数据，描述缓冲区的用途和限制。
- 细节：包括 像素格式（RGB、YUV 等）、宽高尺寸、使用标志（Usage Flags）等。这些属性会影响底层驱动分配显存的策略。
Gralloc 的架构设计
Gralloc 的架构可以分为以下几个层次：
1. 高层：应用程序接口
- 上层应用通常通过图形库（如 OpenGL ES、Vulkan）或 Android 提供的 UI 组件（如 SurfaceView、TextureView）使用 Gralloc。
- 示例：OpenGL ES 使用 GPU 渲染后，需要通过 Gralloc 分配的缓冲区将结果共享到显示层。视频解码时，MediaCodec 使用 Gralloc 分配的缓冲区存储解码后的帧。
2. 中间层：Framework 和 HAL
- Gralloc HAL提供抽象接口，屏蔽硬件细节，支持多种硬件实现。HAL 的接口通过 allocator 和 mapper 提供主要功能：IGraphicBufferAllocator：缓冲区分配接口。IGraphicBufferMapper：缓冲区映射、属性管理和释放接口。HAL 的实现位于 /hardware/interfaces/graphics/。
- BufferQueue****BufferQueue 是 Android 图形堆栈的核心组件，管理生产者（Producer）和消费者（Consumer）之间的缓冲区流转。生产者使用 Gralloc 分配缓冲区后，交由消费者处理。BufferQueue 通过 Binder IPC 支持跨进程通信。
3. 底层：驱动与硬件
- Gralloc 的底层实现依赖硬件供应商提供的驱动支持：显存分配：显存通常由 GPU 驱动分配。DMA 支持：某些硬件支持通过 DMA 直接访问内存。Cache 操作：确保 CPU 和 GPU 对缓冲区的访问保持一致。
- 映射内存管理内存映射需要确保多进程、多设备的一致性，通常通过内核接口（如 mmap）实现。
Gralloc 的关键组件
1. GraphicBuffer
- 它是 Android Framework 中用于表示图形缓冲区的核心类，封装了分配、引用和访问缓冲区的功能。
sp buffer = new GraphicBuffer(width, height, format, usage);
2. BufferQueue
- BufferQueue 是 Android 图形堆栈的核心组件之一，负责管理生产者（Producer）和消费者（Consumer）之间的缓冲区传递。
3. Buffer 分配策略
Gralloc 的分配通常基于以下参数：
- 大小（宽度和高度）
- 格式（如 RGB、YUV）
- 用途（Usage Flags，例如 CPU/GPU 读取或写入）
示例 Usage Flags：
- GRALLOC_USAGE_SW_READ_OFTEN：缓冲区需要频繁被软件读取。
- GRALLOC_USAGE_HW_TEXTURE：缓冲区用作 GPU 纹理。
数据流分析
以应用程序绘制一帧图像到屏幕为例，Gralloc 的典型数据流如下：
- 分配缓冲区
- 应用通过 SurfaceFlinger 或其他接口请求分配图形缓冲区。
- SurfaceFlinger 调用 Gralloc HAL 完成分配。
- 分配的缓冲区封装为 GraphicBuffer。
- 写入缓冲区
- 生产者（如 GPU）通过 OpenGL/Vulkan API 渲染到缓冲区。
- Gralloc 确保缓冲区内存可被写入。
- 共享缓冲区
- 渲染完成后，缓冲区通过 BufferQueue 提供给消费者。
- 消费者可以是显示系统（如 SurfaceFlinger）或其他应用程序。
- 释放缓冲区
- 使用完成后，缓冲区由 Gralloc HAL 释放，回收资源。
Gralloc 的具体实现
1. Gralloc HAL 接口
接口定义
Gralloc HAL 主要接口位于 /hardware/interfaces/graphics/allocator 和 /hardware/interfaces/graphics/mapper 中，定义如下：
- IGraphicBufferAllocator：分配缓冲区
// allocator.hal
virtual Error allocate(
uint32_t width, uint32_t height, PixelFormat format,
uint64_t usage, uint32_t stride, buffer_handle_t* handle) = 0;
- IGraphicBufferMapper：映射和管理缓冲区
// mapper.hal
virtual Error lock(
buffer_handle_t buffer, uint64_t usage,
const Rect& accessRegion, void** outData) = 0;
virtual Error unlock(buffer_handle_t buffer) = 0;
2. GraphicBuffer 类
GraphicBuffer 是 Android Framework 层对 Gralloc 分配的缓冲区的封装，定义在 /frameworks/native/libs/ui/GraphicBuffer.h。
构造函数示例：
GraphicBuffer::GraphicBuffer(
uint32_t width, uint32_t height, PixelFormat format, uint32_t usage)
{
sp allocator = GraphicBufferAllocator::get();
allocator->allocate(width, height, format, usage, &mHandle, &mStride);
}
代码示例
以下是使用 Gralloc HAL 分配缓冲区的代码示例：
#include
#include
const hw_module_t* module;
gralloc_module_t* gralloc;
buffer_handle_t buffer;
int stride;
void* mappedData;
// 初始化 Gralloc 模块
if (hw_get_module(GRALLOC_HARDWARE_MODULE_ID, &module) == 0) {
gralloc = reinterpret_cast(module);
// 分配缓冲区
gralloc->alloc(gralloc, 1920, 1080, HAL_PIXEL_FORMAT_RGBA_8888,
GRALLOC_USAGE_SW_READ_OFTEN | GRALLOC_USAGE_SW_WRITE_OFTEN,
&buffer, &stride);
// 映射缓冲区
gralloc->lock(gralloc, buffer, GRALLOC_USAGE_SW_WRITE_OFTEN, 0, 0, 1920, 1080, &mappedData);
// 操作缓冲区数据
memset(mappedData, 0, 1920 * 1080 * 4); // 清除为黑色
// 取消映射缓冲区
gralloc->unlock(gralloc, buffer);
// 释放缓冲区
gralloc->free(gralloc, buffer);
}
Android 11 及后续版本的变化
- Allocator 3.x 和 Mapper 4.x
- 新版本通过 AIDL/HIDL 提供更统一的分配和管理接口。
- 增强了跨设备的兼容性。
- GPU 缓存一致性优化
- 增加支持 CPU/GPU 混合访问场景的优化，减少同步开销。
相关资料
- Graphics HAL 源码
- Android Graphics Architecture