這篇文章主要介紹“BufferQueue的設(shè)計思想和內(nèi)部實現(xiàn)方法是什么”的相關(guān)知識，小編通過實際案例向大家展示操作過程，操作方法簡單快捷，實用性強，希望這篇“BufferQueue的設(shè)計思想和內(nèi)部實現(xiàn)方法是什么”文章能幫助大家解決問題。
1. 背景
對業(yè)務(wù)開發(fā)來說，無法接觸到BufferQueue，甚至不知道BufferQueue是什么東西。對系統(tǒng)來說，BufferQueue是很重要的傳遞數(shù)據(jù)的組件，Android顯示系統(tǒng)依賴于BufferQueue，只要顯示內(nèi)容到“屏幕”(此處指抽象的屏幕，有時候還可以包含編碼器)，就一定需要用到BufferQueue，可以說在顯示/播放器相關(guān)的領(lǐng)域中，BufferQueue無處不在。即使直接調(diào)用Opengl ES來繪制，底層依然需要BufferQueue才能顯示到屏幕上。
弄明白BufferQueue，不僅可以增強對Android系統(tǒng)的了解，還可以弄明白/排查相關(guān)的問題，如為什么Mediacodec調(diào)用dequeueBuffer老是返回-1？為什么普通View的draw方法直接繪制內(nèi)容即可，SurfaceView在draw完畢后還需要unlockCanvasAndPost？
注：本文分析的代碼來自于Android6.0.1。
BufferQueue是Android顯示系統(tǒng)的核心，它的設(shè)計哲學(xué)是生產(chǎn)者-消費者模型，只要往BufferQueue中填充數(shù)據(jù)，則認為是生產(chǎn)者，只要從BufferQueue中獲取數(shù)據(jù)，則認為是消費者。有時候同一個類，在不同的場景下既可能是生產(chǎn)者也有可能是消費者。如SurfaceFlinger，在合成并顯示UI內(nèi)容時，UI元素作為生產(chǎn)者生產(chǎn)內(nèi)容，SurfaceFlinger作為消費者消費這些內(nèi)容。而在截屏?xí)r，SurfaceFlinger又作為生產(chǎn)者將當(dāng)前合成顯示的UI內(nèi)容填充到另一個BufferQueue，截屏應(yīng)用此時作為消費者從BufferQueue中獲取數(shù)據(jù)并生產(chǎn)截圖。
以下是常見的BufferQueue使用步驟：
初始化一個BufferQueue
圖形數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者通過BufferQueue申請一塊GraphicBuffer，對應(yīng)圖中的dequeueBuffer方法
申請到GraphicBuffer后，獲取GraphicBuffer，通過函數(shù)requestBuffer獲取
獲取到GraphicBuffer后，通過各種形式往GraphicBuffer中填充圖形數(shù)據(jù)后，然后將GraphicBuffer入隊到BufferQueue中，對應(yīng)上圖中的queueBuffer方法
在新的GraphicBuffer入隊BufferQueue時，BufferQueue會通過回調(diào)通知圖形數(shù)據(jù)的消費者，有新的圖形數(shù)據(jù)被生產(chǎn)出來了
然后消費者從BufferQueue中出隊一個GraphicBuffer，對應(yīng)圖中的acquireBuffer方法
待消費者消費完圖形數(shù)據(jù)后，將空的GraphicBuffer還給BufferQueue以便重復(fù)利用，此時對應(yīng)上圖中的releaseBuffer方法
此時BufferQueue再通過回調(diào)通知圖形數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者有空的GraphicBuffer了，圖形數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者又可以從BufferQueue中獲取一個空的GraphicBuffer來填充數(shù)據(jù)
一直循環(huán)2-8步驟，這樣就有條不紊的完成了圖形數(shù)據(jù)的生產(chǎn)-消費
當(dāng)然圖形數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者可以不用等待BufferQueue的回調(diào)再生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而是一直生產(chǎn)數(shù)據(jù)然后入隊到BufferQueue，直到BufferQueue滿為止。圖形數(shù)據(jù)的消費者也可以不用等BufferQueue的回調(diào)通知，每次都從BufferQueue中嘗試獲取數(shù)據(jù)，獲取失敗則嘗試，只是這樣效率比較低，需要不斷的輪訓(xùn)BufferQueue（因為BufferQueue有同步阻塞和非同步阻塞兩種機種，在非同步阻塞機制下獲取數(shù)據(jù)失敗不會阻塞該線程直到有數(shù)據(jù)才喚醒該線程，而是直接返回-1）。
同時使用BufferQueue的生產(chǎn)者和消費者往往處在不同的進程，BufferQueue內(nèi)部使用共享內(nèi)存和Binder在不同的進程傳遞數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)拷貝提高效率。
和BufferQueue有關(guān)的幾個類分別是：
BufferBufferCore：BufferQueue的實際實現(xiàn)
BufferSlot：用來存儲GraphicBuffer
BufferState：表示GraphicBuffer的狀態(tài)
IGraphicBufferProducer：BufferQueue的生產(chǎn)者接口，實現(xiàn)類是BufferQueueProducer
IGraphicBufferConsumer：BufferQueue的消費者接口，實現(xiàn)類是BufferQueueConsumer
GraphicBuffer：表示一個Buffer，可以填充圖像數(shù)據(jù)
ANativeWindow_Buffer：GraphicBuffer的父類
ConsumerBase：實現(xiàn)了ConsumerListener接口，在數(shù)據(jù)入隊列時會被調(diào)用到，用來通知消費者
BufferQueue中用BufferSlot來存儲GraphicBuffer，使用數(shù)組來存儲一系列BufferSlot，數(shù)組默認大小為64。
GraphicBuffer用BufferState來表示其狀態(tài)，有以下狀態(tài)：
FREE：表示該Buffer沒有被生產(chǎn)者-消費者所使用，該Buffer的所有權(quán)屬于BufferQueue
DEQUEUED：表示該Buffer被生產(chǎn)者獲取了，該Buffer的所有權(quán)屬于生產(chǎn)者
QUEUED：表示該Buffer被生產(chǎn)者填充了數(shù)據(jù)，并且入隊到BufferQueue了，該Buffer的所有權(quán)屬于BufferQueue
ACQUIRED：表示該Buffer被消費者獲取了，該Buffer的所有權(quán)屬于消費者
為什么需要這些狀態(tài)呢？ 假設(shè)不需要這些狀態(tài)，實現(xiàn)一個簡單的BufferQueue，假設(shè)是如下實現(xiàn)：
重慶分公司
重慶分公司
BufferQueue{
vector slots;
void push(GraphicBuffer slot){
slots.push(slot);
}
GraphicBuffer pull(){
return slots.pull();
}
} 生產(chǎn)者生產(chǎn)完數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用BufferQueue的push函數(shù)將數(shù)據(jù)插入到vector中。消費者調(diào)用BufferQueue的pull函數(shù)出隊一個Buffer數(shù)據(jù)。
上述實現(xiàn)的問題在于，生產(chǎn)者每次都需要自行創(chuàng)建GraphicBuffer，而消費者每次消費完數(shù)據(jù)后的GraphicBuffer就被釋放了，GraphicBuffer沒有得到循環(huán)利用。而在Android中，由于BufferQueue的生產(chǎn)者-消費者往往處于不同的進程，GraphicBuffer內(nèi)部是需要通過共享內(nèi)存來連接生成者-消費者進程的，每次創(chuàng)建GraphicBuffer，即意味著需要創(chuàng)建共享內(nèi)存，效率較低。
而BufferQueue中用BufferState來表示GraphicBuffer的狀態(tài)則解決了這個問題。每個GraphicBuffer都有當(dāng)前的狀態(tài)，通過維護GraphicBuffer的狀態(tài)，完成GraphicBuffer的復(fù)用。
由于BufferQueue內(nèi)部實現(xiàn)是BufferQueueCore，下文均用BufferQueueCore代替BufferQueue。先介紹下BufferQueueCore內(nèi)部相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再介紹BufferQueue的狀態(tài)扭轉(zhuǎn)過程和生產(chǎn)-消費過程。
以下是Buffer的入隊/出隊操作和BufferState的狀態(tài)扭轉(zhuǎn)的過程，這里只介紹非同步阻塞模式。
核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
BufferQueueDefs::SlotsType mSlots：用數(shù)組存放的Slot，數(shù)組默認大小為BufferQueueDefs::NUM_BUFFER_SLOTS,具體是64，代表所有的Slot
std::set mFreeSlots：當(dāng)前所有的狀態(tài)為FREE的Slot，這些Slot沒有關(guān)聯(lián)上具體的GraphicBuffer，后續(xù)用的時候還需要關(guān)聯(lián)上GraphicBuffer
std::list mFreeBuffers：當(dāng)前所有的狀態(tài)為FREE的Slot，這些Slot已經(jīng)關(guān)聯(lián)上具體的GraphicBuffer，可以直接使用
Fifo mQueue：一個先進先出隊列，保存了生產(chǎn)者生產(chǎn)的數(shù)據(jù) 在BufferQueueCore初始化時，由于此時隊列中沒有入隊任何數(shù)據(jù)，按照上面的介紹，此時mFreeSlots應(yīng)該包含所有的Slot，元素大小和mSlots一致，初始化代碼如下：
for (int slot = 0; slot < BufferQueueDefs::NUM_BUFFER_SLOTS; ++slot) {
mFreeSlots.insert(slot);
}當(dāng)生產(chǎn)者可以生產(chǎn)圖形數(shù)據(jù)時，首先向BufferQueue中申請一塊GraphicBuffer。調(diào)用函數(shù)BufferQueueProducer.dequeueBuffer，如果當(dāng)前BufferQueue中有可用的GraphicBuffer，則返回其對用的索引；如果不存在，則返回-1，代碼在BufferQueueProducer，流程如下：
status_t BufferQueueProducer::dequeueBuffer(int *outSlot,
sp *outFence, bool async,
uint32_t width, uint32_t height, PixelFormat format, uint32_t usage) {
//1. 尋找可用的Slot，可用指Buffer狀態(tài)為FREE
status_t status = waitForFreeSlotThenRelock("dequeueBuffer", async,
&found, &returnFlags);
if (status != NO_ERROR) {
return status;
}
//2.找到可用的Slot，將Buffer狀態(tài)設(shè)置為DEQUEUED，由于步驟1找到的Slot狀態(tài)為FREE,因此這一步完成了FREE到DEQUEUED的狀態(tài)切換
*outSlot = found;
ATRACE_BUFFER_INDEX(found);
attachedByConsumer = mSlots[found].mAttachedByConsumer;
mSlots[found].mBufferState = BufferSlot::DEQUEUED;
//3. 找到的Slot如果需要申請GraphicBuffer，則申請GraphicBuffer，這里采用了懶加載機制，如果內(nèi)存沒有申請，申請內(nèi)存放在生產(chǎn)者來處理
if (returnFlags & BUFFER_NEEDS_REALLOCATION) {
status_t error;
sp graphicBuffer(mCore->mAllocator->createGraphicBuffer(width, height, format, usage, &error));
graphicBuffer->setGenerationNumber(mCore->mGenerationNumber);
mSlots[*outSlot].mGraphicBuffer = graphicBuffer;
}
} 關(guān)鍵在于尋找可用Slot，waitForFreeSlotThenRelock的流程如下：
status_t BufferQueueProducer::waitForFreeSlotThenRelock(const char* caller,
bool async, int* found, status_t* returnFlags) const {
//1. mQueue 是否太多
bool tooManyBuffers = mCore->mQueue.size()> static_cast(maxBufferCount);
if (tooManyBuffers) {
} else {
// 2. 先查找mFreeBuffers中是否有可用的，由2.1介紹可知，mFreeBuffers中的元素關(guān)聯(lián)了GraphicBuffer，直接可用
if (!mCore->mFreeBuffers.empty()) {
auto slot = mCore->mFreeBuffers.begin();
*found = *slot;
mCore->mFreeBuffers.erase(slot);
} else if (mCore->mAllowAllocation && !mCore->mFreeSlots.empty()) {
// 3. 再查找mFreeSlots中是否有可用的，由2.1可知，初始化時會填充滿這個列表，因此第一次調(diào)用一定不會為空。同時用這個列表中的元素需要關(guān)聯(lián)上GraphicBuffer才可以直接使用，關(guān)聯(lián)的過程由外層函數(shù)來實現(xiàn)
auto slot = mCore->mFreeSlots.begin();
// Only return free slots up to the max buffer count
if (*slot < maxBufferCount) {
*found = *slot;
mCore->mFreeSlots.erase(slot);
}
}
}
tryAgain = (*found == BufferQueueCore::INVALID_BUFFER_SLOT) ||
tooManyBuffers;
//4. 如果找不到可用的Slot或者Buffer太多（同步阻塞模式下），則可能需要等
if (tryAgain) {
if (mCore->mDequeueBufferCannotBlock &&
(acquiredCount <= mCore->mMaxAcquiredBufferCount)) {
return WOULD_BLOCK;
}
mCore->mDequeueCondition.wait(mCore->mMutex);
}
} waitForFreeSlotThenRelock函數(shù)會嘗試尋找一個可用的Slot，可用的Slot狀態(tài)一定是FREE（因為是從兩個FREE狀態(tài)的列表中獲取的），然后dequeueBuffer將狀態(tài)改變?yōu)镈EQUEUED，即完成了狀態(tài)的扭轉(zhuǎn)。
waitForFreeSlotThenRelock返回可用的Slot分為兩種：
從mFreeBuffers中獲取到的，mFreeBuffers中的元素關(guān)聯(lián)了GraphicBuffer，直接可用
從mFreeSlots中獲取到的，沒有關(guān)聯(lián)上GraphicBuffer，因此需要申請GraphicBuffer并和Slot關(guān)聯(lián)上，通過createGraphicBuffer申請一個GraphicBuffer，然后賦值給Slot的mGraphicBuffer完成關(guān)聯(lián)
小結(jié)dequeueBuffer：嘗試找到一個Slot，并完成Slot與GraphicBuffer的關(guān)聯(lián)（如果需要），然后將Slot的狀態(tài)由FREE扭轉(zhuǎn)成DEQUEUED，返回Slot在BufferQueueCore中mSlots對應(yīng)的索引。
dequeueBuffer函數(shù)獲取到了可用Slot的索引后，通過requestBuffer獲取到對應(yīng)的GraphicBuffer。流程如下：
status_t BufferQueueProducer::requestBuffer(int slot, sp* buf) {
// 1. 判斷slot參數(shù)是否合法
if (slot < 0 || slot >= BufferQueueDefs::NUM_BUFFER_SLOTS) {
BQ_LOGE("requestBuffer: slot index %d out of range [0, %d)",
slot, BufferQueueDefs::NUM_BUFFER_SLOTS);
return BAD_VALUE;
} else if (mSlots[slot].mBufferState != BufferSlot::DEQUEUED) {
BQ_LOGE("requestBuffer: slot %d is not owned by the producer "
"(state = %d)", slot, mSlots[slot].mBufferState);
return BAD_VALUE;
}
//2. 將mRequestBufferCalled置為true
mSlots[slot].mRequestBufferCalled = true;
*buf = mSlots[slot].mGraphicBuffer;
return NO_ERROR;
} 這一步不是必須的，業(yè)務(wù)層可以直接通過Slot的索引獲取到對應(yīng)的GraphicBuffer。
上文dequeueBuffer獲取到一個Slot后，就可以在Slot對應(yīng)的GraphicBuffer上完成圖像數(shù)據(jù)的生產(chǎn)了，可以是View的主線程Draw過程，也可以是SurfaceView的子線程繪制過程，甚至可以是MediaCodec的解碼過程。
填充完圖像數(shù)據(jù)后，需要將Slot入隊BufferQueueCore（數(shù)據(jù)寫完了，可以傳給生產(chǎn)者-消費者隊列，讓消費者來消費了），入隊調(diào)用queueBuffer函數(shù)。queueBuffer的流程如下：
status_t BufferQueueProducer::queueBuffer(int slot,
const QueueBufferInput &input, QueueBufferOutput *output) {
// 1. 先判斷傳入的Slot是否合法
if (slot < 0 || slot >= maxBufferCount) {
BQ_LOGE("queueBuffer: slot index %d out of range [0, %d)",
slot, maxBufferCount);
return BAD_VALUE;
}
//2. 將Buffer狀態(tài)扭轉(zhuǎn)成QUEUED，此步完成了Buffer的狀態(tài)由DEQUEUED到QUEUED的過程
mSlots[slot].mFence = fence;
mSlots[slot].mBufferState = BufferSlot::QUEUED;
++mCore->mFrameCounter;
mSlots[slot].mFrameNumber = mCore->mFrameCounter;
//3. 入隊mQueue
if (mCore->mQueue.empty()) {
mCore->mQueue.push_back(item);
frameAvailableListener = mCore->mConsumerListener;
}
// 4. 回調(diào)frameAvailableListener，告知消費者有數(shù)據(jù)入隊了
if (frameAvailableListener != NULL) {
frameAvailableListener->onFrameAvailable(item);
} else if (frameReplacedListener != NULL) {
frameReplacedListener->onFrameReplaced(item);
}
}從上面的注釋可以看到，queueBuffer的主要步驟如下：
將Buffer狀態(tài)扭轉(zhuǎn)成QUEUED，此步完成了Buffer的狀態(tài)由DEQUEUED到QUEUED的過程
將Buffer入隊到BufferQueueCore的mQueue隊列中
回調(diào)frameAvailableListener，告知消費者有數(shù)據(jù)入隊，可以來消費數(shù)據(jù)了，frameAvailableListener是消費者注冊的回調(diào)
小結(jié)queueBuffer：將Slot的狀態(tài)扭轉(zhuǎn)成QUEUED，并添加到mQueue中，最后通知消費者有數(shù)據(jù)入隊。
在消費者接收到onFrameAvailable回調(diào)時或者消費者主動想要消費數(shù)據(jù)，調(diào)用acquireBuffer嘗試向BufferQueueCore獲取一個數(shù)據(jù)以供消費。消費者的代碼在BufferQueueConsumer中，acquireBuffer流程如下：
status_t BufferQueueConsumer::acquireBuffer(BufferItem* outBuffer,
nsecs_t expectedPresent, uint64_t maxFrameNumber) {
//1. 如果隊列為空，則直接返回
if (mCore->mQueue.empty()) {
return NO_BUFFER_AVAILABLE;
}
//2. 取出mQueue隊列的第一個元素，并從隊列中移除
BufferQueueCore::Fifo::iterator front(mCore->mQueue.begin());
int slot = front->mSlot;
*outBuffer = *front;
mCore->mQueue.erase(front);
//3. 處理expectedPresent的情況，這種情況可能會連續(xù)丟幾個Slot的“顯示”時間小于expectedPresent的情況,這種情況下這些Slot已經(jīng)是“過時”的，直接走下文的releaseBuffer消費流程,代碼比較長，忽略了
//4. 更新Slot的狀態(tài)為ACQUIRED
if (mCore->stillTracking(front)) {
mSlots[slot].mAcquireCalled = true;
mSlots[slot].mNeedsCleanupOnRelease = false;
mSlots[slot].mBufferState = BufferSlot::ACQUIRED;
mSlots[slot].mFence = Fence::NO_FENCE;
}
//5. 如果步驟3有直接releaseBuffer的過程，則回調(diào)生產(chǎn)者，有數(shù)據(jù)被消費了
if (listener != NULL) {
for (int i = 0; i < numDroppedBuffers; ++i) {
listener->onBufferReleased();
}
}
}從上面的注釋可以看到，acquireBuffer的主要步驟如下：
從mQueue隊列中取出并移除一個元素
改變Slot對應(yīng)的狀態(tài)為ACQUIRED
如果有丟幀邏輯，回調(diào)告知生產(chǎn)者有數(shù)據(jù)被消費，生產(chǎn)者可以準(zhǔn)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)了
小結(jié)acquireBuffer：將Slot的狀態(tài)扭轉(zhuǎn)成ACQUIRED，并從mQueue中移除，最后通知生產(chǎn)者有數(shù)據(jù)出隊。
消費者獲取到Slot后開始消費數(shù)據(jù)（典型的消費如SurfaceFlinger的UI合成），消費完畢后，需要告知BufferQueueCore這個Slot被消費者消費完畢了，可以給生產(chǎn)者重新生產(chǎn)數(shù)據(jù)，releaseBuffer流程如下：
status_t BufferQueueConsumer::releaseBuffer(int slot, uint64_t frameNumber,
const sp& releaseFence, EGLDisplay eglDisplay,EGLSyncKHR eglFence) {
//1. 檢查Slot是否合法
if (slot < 0 || slot >= BufferQueueDefs::NUM_BUFFER_SLOTS ||
return BAD_VALUE;
}
//2. 容錯處理：如果要處理的Slot存在于mQueue中，那么說明這個Slot的來源不合法，并不是從2.5的acquireBuffer獲取的Slot，拒絕處理
BufferQueueCore::Fifo::iterator current(mCore->mQueue.begin());
while (current != mCore->mQueue.end()) {
if (current->mSlot == slot) {
return BAD_VALUE;
}
++current;
}
// 3. 將Slot的狀態(tài)扭轉(zhuǎn)為FREE，之前是ACQUIRED，并將該Slot添加到BufferQueueCore的mFreeBuffers列表中（mFreeBuffers的定義參考2.1的介紹）
if (mSlots[slot].mBufferState == BufferSlot::ACQUIRED) {
mSlots[slot].mEglDisplay = eglDisplay;
mSlots[slot].mEglFence = eglFence;
mSlots[slot].mFence = releaseFence;
mSlots[slot].mBufferState = BufferSlot::FREE;
mCore->mFreeBuffers.push_back(slot);
listener = mCore->mConnectedProducerListener;
BQ_LOGV("releaseBuffer: releasing slot %d", slot);
}
// 4. 回調(diào)生產(chǎn)者，有數(shù)據(jù)被消費了
if (listener != NULL) {
listener->onBufferReleased();
}
} 從上面的注釋可以看到，releaseBuffer的主要步驟如下：
將Slot的狀態(tài)扭轉(zhuǎn)為FREE
將被消費的Slot添加到mFreeBuffers供后續(xù)的生產(chǎn)者dequeueBuffer使用
回調(diào)告知生產(chǎn)者有數(shù)據(jù)被消費，生產(chǎn)者可以準(zhǔn)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)了
小結(jié)releaseBuffer：將Slot的狀態(tài)扭轉(zhuǎn)成FREE，并添加到BufferQueueCore mFreeBuffers隊列中，最后通知生產(chǎn)者有數(shù)據(jù)出隊。
總結(jié)下狀態(tài)變化的過程：
關(guān)于“BufferQueue的設(shè)計思想和內(nèi)部實現(xiàn)方法是什么”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識，可以關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)-成都網(wǎng)站建設(shè)公司行業(yè)資訊頻道，小編每天都會為大家更新不同的知識點。
