Android 图形系统之一：概览

Android 图形系统是一套完整的架构，用于管理从应用绘制到显示屏幕的整个流程。它涉及多个层次和组件，从应用程序到硬件，确保每一帧都能准确、高效地呈现到用户的设备屏幕上。

1. Android 图形系统的架构

Android 图形系统的架构可以分为以下几层：

1.1 应用层

• 主要功能：负责生成绘制内容（UI）。
• 核心组件：View 和 ViewGroup：应用 UI 的基础构件。Canvas：绘制 2D 图形的接口。SurfaceView/TextureView：支持自定义绘制和高性能显示。

1.2 框架层

• 主要功能：桥接应用层和底层图形系统。
• 核心组件：ViewRootImpl：管理 View 的绘制、布局以及输入事件的分发。SurfaceControl：控制 Surface（窗口或图层）的创建、属性设置等。Choreographer：协调绘制和显示的同步，处理 VSync 信号。

1.3 原生层

• 主要功能：管理图形缓冲区和帧合成。
• 核心组件：SurfaceFlinger：Android 的窗口合成器，负责将多个应用的窗口内容合成到屏幕。BufferQueue：生产者和消费者模型，负责在应用和 SurfaceFlinger 之间传递帧。Gralloc：图形内存分配器，为图形缓冲区分配共享内存。

1.4 硬件抽象层 (HAL)

• 主要功能：为系统提供统一的硬件接口。
• 核心组件：Hardware Composer (HWC)：负责与显示硬件交互，优化图层合成（如直接使用硬件 Overlays）。OpenGL ES/Vulkan：提供 GPU 加速的渲染接口。

图片源于Linux Graphic Stack相關的名詞

1.5 硬件层

• 主要功能：包括 GPU 和显示控制器。
• 核心组件：GPU：负责执行 OpenGL ES 或 Vulkan 命令，处理复杂图形计算。
• 显示控制器：直接控制显示设备，如屏幕刷新。

2. 图形系统的关键流程

2.1 渲染和绘制流程

以下是从应用代码到屏幕内容呈现的完整流程：

1. 应用绘制：

• 应用通过 View 或 Canvas 发起绘制。
• 绘制内容被写入 Surface（帧缓冲区）。

2. 帧提交：

• 应用通过 Surface 提交绘制的帧，写入 BufferQueue 的生产端。

3. SurfaceFlinger 合成：

• 从 BufferQueue 的消费端获取缓冲区。
• 通过 GPU 或 HWC 合成所有窗口的图层。
• 最终合成的帧被提交给显示设备。

4. 屏幕显示：

• 显示控制器接收最终帧，并根据 VSync 刷新显示屏幕。

2.2 VSync 信号和帧同步

• VSync 信号：由显示控制器产生，用于驱动屏幕刷新。
• 帧同步流程：VSync 信号触发 Choreographer。应用通过 doFrame 回调完成 UI 渲染。SurfaceFlinger 在下一次 VSync 周期前完成合成。

3. Android 图形系统的核心组件

3.1 SurfaceFlinger

• 职责：管理窗口的图层合成和屏幕内容显示。
• 工作方式：使用 GPU 或 HWC 完成图层的合成。确保屏幕内容按正确顺序和属性（透明度、旋转等）呈现。

3.2 Hardware Composer (HWC)

• 职责：直接与显示硬件交互，优化合成。
• 功能：将部分图层直接传递给硬件 Overlay，避免 GPU 合成。

3.3 BufferQueue

• 职责：在应用和 SurfaceFlinger 之间传递缓冲区。
• 模型：生产者：应用写入图像帧。消费者：SurfaceFlinger 获取并合成图像帧。

4. Android 图形性能调优

4.1 性能指标

• FPS（帧率）：反映屏幕的流畅度。
• Frame Time（帧时间）：每帧所需时间，理想值为 16.67ms（60Hz 屏幕）。
• Jank（卡顿）：掉帧导致的用户体验不佳。

4.2 性能瓶颈

• CPU 过载：应用逻辑过于复杂。
• GPU 瓶颈：复杂绘制导致 GPU 渲染延迟。
• 缓冲区问题：BufferQueue 过满或过慢导致帧延迟。

4.3 调试工具

1. Systrace：

• 分析应用和系统的图形性能。
• 定位掉帧和绘制延迟问题。

2. GPU Profiler：

• 查看 GPU 的性能使用情况。
• 分析渲染效率。

3. Perfetto：

• 深入分析系统级性能，包括 SurfaceFlinger 和 HWC 的行为。

5. 图形系统的未来趋势

1. 高刷新率支持：适配 120Hz 或更高刷新率设备。
2. Vulkan 加速：更多应用使用 Vulkan 进行高性能渲染。
3. 多窗口和多显示支持：优化多任务和外接显示器的用户体验。
4. 节能优化：利用硬件 Overlay 和 Display Panel 自适应刷新率降低功耗。

图示：Android 图形架构

图片源于Android进阶宝典 – Android系统图像绘制原理大全解

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原文地址：https://blog.csdn.net/wudexiaoade2008/article/details/144095149

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