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Android 图形系统之六：BufferQueue

article 2024/12/3 1:10:00

BufferQueue是Android图形系统的核心组件之一，用于实现生产者-消费者模型的图像数据传递。它负责协调图像缓冲区的分配、传递、显示，广泛用于窗口系统、Surface、OpenGL ES渲染管道等场景。
在这里插入图片描述

BufferQueue的核心概念

生产者与消费者模型
- 生产者（Producer）：通过IGraphicBufferProducer接口写入图像数据，常见的生产者包括应用层的Surface、OpenGL等。
- 消费者（Consumer）：通过IGraphicBufferConsumer接口读取图像数据，常见的消费者包括SurfaceFlinger、视频解码器等。
双端缓冲队列
- 使用双端队列(std::deque)管理缓冲区。
- 生产者写入空闲缓冲区（dequeueBuffer），消费者从队列中获取已填充缓冲区（acquireBuffer）。

BufferQueue核心组成

BufferQueue主要由以下部分组成：

BufferQueueCore
- 实现核心逻辑，包括缓冲区管理和同步机制。
- 提供线程安全的操作。
BufferQueueProducer
- 实现IGraphicBufferProducer接口。
- 提供给生产者使用，用于管理缓冲区的生产操作（如申请、填充）。
BufferQueueConsumer
- 实现IGraphicBufferConsumer接口。
- 提供给消费者使用，用于获取和消费缓冲区。
同步机制
- 使用信号量（如 Fence）确保生产者和消费者的操作同步。
- Fence 保证当生产者提交缓冲区时，消费者可以正确等待图像数据写入完成。

BufferQueue的源码解析

BufferQueue的主要代码位于frameworks/native/libs/gui中，其核心文件如下：

BufferQueue.h/BufferQueue.cpp：定义并实现生产者和消费者的逻辑。
IGraphicBufferProducer.h/IGraphicBufferConsumer.h：定义生产者和消费者的IPC接口。
BufferItem.h：表示队列中每个缓冲区的元数据结构。
BufferQueueCore 管理了缓冲区的核心数据结构。源码路径：frameworks/native/libs/gui/BufferQueueCore.cpp

BufferQueueCore::BufferQueueCore(const sp& allocator)
    : mAllocator(allocator),
      mConnectedApi(NO_CONNECTED_API),
      mQueue(mAllocator->createBufferQueue())
{
    ALOGV("BufferQueueCore constructed");
}

BufferQueue的工作原理

以下是BufferQueue的工作流程，结合源码简述其运作机制：

生产者操作：
- dequeueBuffer() 生产者从BufferQueue中申请一个空闲缓冲区。核心代码片段：

status_t BufferQueueProducer::dequeueBuffer(...) {
    Mutex::Autolock lock(mCore->mMutex);
    int found = INVALID_BUFFER_SLOT;
    // 从空闲队列中查找一个可用缓冲区
    for (int i = 0; i < NUM_BUFFER_SLOTS; ++i) {
        if (mSlots[i].mBufferState == BufferSlot::FREE) {
            found = i;
            break;
        }
    }
    ...
    return found;
}

queueBuffer() 将填充完成的缓冲区提交到BufferQueue。核心代码片段：

status_t BufferQueueProducer::queueBuffer(...) {
    Mutex::Autolock lock(mCore->mMutex);
    // 更新缓冲区状态为已填充
    mSlots[slot].mBufferState = BufferSlot::QUEUED;
    mCore->mQueue.push_back(slot);
    mCore->mDequeueCondition.signal();
    return NO_ERROR;
}

消费者操作：
- acquireBuffer() 从队列中获取已填充缓冲区。核心代码片段：

status_t BufferQueueConsumer::acquireBuffer(BufferItem* buffer) {
    Mutex::Autolock lock(mCore->mMutex);
    if (mCore->mQueue.empty()) {
        return NO_BUFFER_AVAILABLE;
    }
    // 从队列中取出缓冲区
    *buffer = mCore->mQueue.front();
    mCore->mQueue.pop_front();
    return NO_ERROR;
}

releaseBuffer() 消费完成后将缓冲区返回给BufferQueue。核心代码片段：

status_t BufferQueueConsumer::releaseBuffer(...) {
    Mutex::Autolock lock(mCore->mMutex);
    // 更新缓冲区状态为可用
    mSlots[slot].mBufferState = BufferSlot::FREE;
    mCore->mFreeList.push_back(slot);
    return NO_ERROR;
}

BufferQueue的应用场景

Surface与SurfaceFlinger
- 应用层通过Surface将图像提交到BufferQueue。
- SurfaceFlinger作为消费者，从BufferQueue获取图像并显示。
视频解码器
- 解码器通过BufferQueue将解码后的帧传递给渲染器。
GPU渲染
- OpenGL ES渲染管道通过BufferQueue与显示设备交互。