这篇文章主要为大家介绍了Android 鼠标光标的图形合成原理实例探究,有需要的朋友可以借鉴参考下,希望能够有所帮助,祝大家多多进步,早日升职加薪

引言
一直很好奇鼠标光标是如何实现的，它反映很快、延迟很小，没有受到 Android 显示系统的影响。正好最近做相关的工作，跟着源码好好研究一下。

本文参考 Android 9.0 源码。

从 Input 说起
我们并不是要讲 Input，只想看看鼠标光标的绘制过程。但是，Android 将鼠标光标的实现放到了 Input 中，这看起来也是合理的。在 Input 中，光标由类Sprite 实现。源码中对 Sprite 的解释为：显示在其他图层之上的图形对象。看来 Sprite 并非专为光标设计，但在源码中的位置表明，它在 Android 中也只为鼠标或触摸之类的输入设备的光标服务。Sprite 的定义中也只提供了简单的图形操作。

frameworks/base/libs/input/SpriteController.h
/*
 * A sprite is a simple graphical object that is displayed on-screen above other layers.
 * The basic sprite class is an interface.
 * The implementation is provided by the sprite controller.
 */
class Sprite : public RefBase {
protected:
    Sprite() { }
    virtual ~Sprite() { }
public:
    enum {
        // The base layer for pointer sprites.
        BASE_LAYER_POINTER = 0, // reserve space for 1 pointer
        // The base layer for spot sprites.
        BASE_LAYER_SPOT = 1, // reserve space for MAX_POINTER_ID spots
    };
    /* Sets the bitmap that is drawn by the sprite.
     * The sprite retains a copy of the bitmap for subsequent rendering. */
    virtual void setIcon(const SpriteIcon& icon) = 0;
    inline void clearIcon() {
        setIcon(SpriteIcon());
    }
    /* Sets whether the sprite is visible. */
    virtual void setVisible(bool visible) = 0;
    /* Sets the sprite position on screen, relative to the sprite's hot spot. */
    virtual void setPosition(float x, float y) = 0;
    /* Sets the layer of the sprite, relative to the system sprite overlay layer.
     * Layer 0 is the overlay layer, > 0 appear above this layer. */
    virtual void setLayer(int32_t layer) = 0;
    /* Sets the sprite alpha blend ratio between 0.0 and 1.0. */
    virtual void setAlpha(float alpha) = 0;
    /* Sets the sprite transformation matrix. */
    virtual void setTransformationMatrix(const SpriteTransformationMatrix& matrix) = 0;
};

控制光标的类叫做 SpriteController，PointerController 会使用这个类来显示光标。这里我们只关心光标图形的合成，真正显示和更新光标的方法是 SpriteController::doUpdateSprites() 。

frameworks/base/libs/input/SpriteController.cpp
void SpriteController::doUpdateSprites() {
    // 从invalidatedSprites 中收集需要更新的 Sprite
    Vector<SpriteUpdate> updates;
    size_t numSprites;
    { // acquire lock
        AutoMutex _l(mLock);
        numSprites = mLocked.invalidatedSprites.size();
        for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) {
            const sp<SpriteImpl>& sprite = mLocked.invalidatedSprites.itemAt(i);
            updates.push(SpriteUpdate(sprite, sprite->getStateLocked()));
            sprite->resetDirtyLocked();
        }
        mLocked.invalidatedSprites.clear();
    } // release lock
    // surfaces 未创建或丢失时，重新创建 surface
    bool surfaceChanged = false;
    for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) {
        SpriteUpdate& update = updates.editItemAt(i);
        if (update.state.surfaceControl == NULL && update.state.wantSurfaceVisible()) {
            update.state.surfaceWidth = update.state.icon.bitmap.width();
            update.state.surfaceHeight = update.state.icon.bitmap.height();
            update.state.surfaceDrawn = false;
            update.state.surfaceVisible = false;
            // 创建 Surface，我们这次的关注点
            update.state.surfaceControl = obtainSurface(
                    update.state.surfaceWidth, update.state.surfaceHeight);
            if (update.state.surfaceControl != NULL) {
                update.surfaceChanged = surfaceChanged = true;
            }
        }
    }
    // 如果需要，重新调整 sprites 大小
    SurfaceComposerClient::Transaction t;
    bool needApplyTransaction = false;
    for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) {
        ......
            if (update.state.surfaceWidth < desiredWidth
                    || update.state.surfaceHeight < desiredHeight) {
                needApplyTransaction = true;
                t.setSize(update.state.surfaceControl,
                        desiredWidth, desiredHeight);
                ......
            }
        }
    }
    if (needApplyTransaction) {
        t.apply();
    }
    // 如果需要，重画 sprites
    for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) {
        SpriteUpdate& update = updates.editItemAt(i);
        if ((update.state.dirty & DIRTY_BITMAP) && update.state.surfaceDrawn) {
            update.state.surfaceDrawn = false;
            update.surfaceChanged = surfaceChanged = true;
        }
        if (update.state.surfaceControl != NULL && !update.state.surfaceDrawn
                && update.state.wantSurfaceVisible()) {
            sp<Surface> surface = update.state.surfaceControl->getSurface();
            ANativeWindow_Buffer outBuffer;
            ......
                // 使用 SKIA 画图
                SkBitmap surfaceBitmap;
                ssize_t bpr = outBuffer.stride * bytesPerPixel(outBuffer.format);
                surfaceBitmap.installPixels(SkImageInfo::MakeN32Premul(outBuffer.width, outBuffer.height),
                                            outBuffer.bits, bpr);
                SkCanvas surfaceCanvas(surfaceBitmap);
                SkPaint paint;
                paint.setBlendMode(SkBlendMode::kSrc);
                surfaceCanvas.drawBitmap(update.state.icon.bitmap, 0, 0, &paint);
                if (outBuffer.width > update.state.icon.bitmap.width()) {
                    paint.setColor(0); // transparent fill color
                    surfaceCanvas.drawRect(SkRect::MakeLTRB(update.state.icon.bitmap.width(), 0,
                            outBuffer.width, update.state.icon.bitmap.height()), paint);
                }
                if (outBuffer.height > update.state.icon.bitmap.height()) {
                    paint.setColor(0); // transparent fill color
                    surfaceCanvas.drawRect(SkRect::MakeLTRB(0, update.state.icon.bitmap.height(),
                            outBuffer.width, outBuffer.height), paint);
                }
                ......
    }
    // 根据 dirty 值来设置 Surface
    needApplyTransaction = false;
    for (size_t i = 0; i < numSprites; i++) {
        SpriteUpdate& update = updates.editItemAt(i);
        bool wantSurfaceVisibleAndDrawn = update.state.wantSurfaceVisible()
                && update.state.surfaceDrawn;
        bool becomingVisible = wantSurfaceVisibleAndDrawn && !update.state.surfaceVisible;
        bool becomingHidden = !wantSurfaceVisibleAndDrawn && update.state.surfaceVisible;
        if (update.state.surfaceControl != NULL && (becomingVisible || becomingHidden
                || (wantSurfaceVisibleAndDrawn && (update.state.dirty & (DIRTY_ALPHA
                        | DIRTY_POSITION | DIRTY_TRANSFORMATION_MATRIX | DIRTY_LAYER
                        | DIRTY_VISIBILITY | DIRTY_HOTSPOT))))) {
        ......
    }
    if (needApplyTransaction) {
        status_t status = t.apply();
        if (status) {
            ALOGE("Error applying Surface transaction");
        }
    }
......
}

一次的光标的更新就会涉及到如此多的代码逻辑，可见UI真是不容易。其他的逻辑线不管，这次我们只关心光标的图层。上述代码通过 obtainSurface() 来创建 Surface。

frameworks/base/libs/input/SpriteController.cpp
 
sp<SurfaceControl> SpriteController::obtainSurface(int32_t width, int32_t height) {
    ensureSurfaceComposerClient();
 
    sp<SurfaceControl> surfaceControl = mSurfaceComposerClient->createSurface(
            String8("Sprite"), width, height, PIXEL_FORMAT_RGBA_8888,
            ISurfaceComposerClient::eHidden |
            ISurfaceComposerClient::eCursorWindow);
    if (surfaceControl == NULL || !surfaceControl->isValid()) {
        ALOGE("Error creating sprite surface.");
        return NULL;
    }
    return surfaceControl;
}

这里我们需要重点关注的是 createSurface() 方法中的参数 flags。Sprite 中这个 flags 设置了eHidden和eCursorWindow，它们表明创建的 Surface 是隐藏的，并标识为 Cursor 使用。

来到 Surface
Input 中为光标创建了一个 Surface，并且标识这是一个 Cursor 使用的 Surface。之后，Surface 中会根据情形对光标图层做特殊处理，这里的关键字就是 Cursor。

我们还是以光标图层为主线进行跟踪，先继续看下createSurface()。经过一系列的 Binder 调用和 Message传递，最终通过 SurfaceFlinger 的createLayer()完成图层创建。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp
 
status_t SurfaceFlinger::createLayer(const String8& name, const sp<Client>& client, uint32_t w,
                                     uint32_t h, PixelFormat format, uint32_t flags,
                                     int32_t windowType, int32_t ownerUid, sp<IBinder>* handle,
                                     sp<IGraphicBufferProducer>* gbp,
                                     const sp<IBinder>& parentHandle,
                                     const sp<Layer>& parentLayer) {
    ......
    switch (flags & ISurfaceComposerClient::eFXSurfaceMask) {
        // 普通图层
        case ISurfaceComposerClient::eFXSurfaceNormal:
            result = createBufferLayer(client,
                    uniqueName, w, h, flags, format,
                    handle, gbp, &layer);
 
            break;
        // 纯色图层
        case ISurfaceComposerClient::eFXSurfaceColor:
            result = createColorLayer(client,
                    uniqueName, w, h, flags,
                    handle, &layer);
            break;
        default:
            result = BAD_VALUE;
            break;
    }
    ......
    // Client中通过Layer管理Surface，将创建的Layer加入到LayerStack中
    result = addClientLayer(client, *handle, *gbp, layer, parentHandle, parentLayer);
    if (result != NO_ERROR) {
        return result;
    }
    mInterceptor->saveSurfaceCreation(layer);
 
    setTransactionFlags(eTransactionNeeded);
    return result;
}

createLayer()中，光标算是普通图层，所以仅需调用createBufferLayer()来创建。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp
status_t SurfaceFlinger::createBufferLayer(const sp<Client>& client,
        const String8& name, uint32_t w, uint32_t h, uint32_t flags, PixelFormat& format,
        sp<IBinder>* handle, sp<IGraphicBufferProducer>* gbp, sp<Layer>* outLayer)
{
    ......
    // 创建一个BufferLayer
    sp<BufferLayer> layer = new BufferLayer(this, client, name, w, h, flags);
    // 设置Buffer属性
    status_t err = layer->setBuffers(w, h, format, flags);
    if (err == NO_ERROR) {
        *handle = layer->getHandle(); // 获取Layer的句柄
        *gbp = layer->getProducer(); // 获取GraphicBufferProducer对象 
        *outLayer = layer;
    }
    ALOGE_IF(err, "createBufferLayer() failed (%s)", strerror(-err));
    return err;
}

其中layer->setBuffers()设置了该BufferLayer的属性。可以看到，当申请的是一个 Cursor 图层时，mPotentialCursor被设置为true，表明该 BufferLayer 作为 Cursor 使用。

frameworks/native/services/surfaceflinger/BufferLayer.cpp
status_t BufferLayer::setBuffers(uint32_t w, uint32_t h, PixelFormat format, uint32_t flags) {
    ......
    mFormat = format;
    mPotentialCursor = (flags & ISurfaceComposerClient::eCursorWindow) ? true : false;
    mProtectedByApp = (flags & ISurfaceComposerClient::eProtectedByApp) ? true : false;
    mCurrentOpacity = getOpacityForFormat(format);
    mConsumer->setDefaultBufferSize(w, h);
    mConsumer->setDefaultBufferFormat(format);
    mConsumer->setConsumerUsageBits(getEffectiveUsage(0));
    return NO_ERROR;
}

SurfaceFlinger 中的 Cursor 操作
上面讲到 Cursor Layer 最核心的属性mPotentialCursor，createSurface()只是设置了这个属性，真正的使用在 SurfaceFlinger 渲染过程中。接着我发现，想把这个东西看明白，先需要把 Android 图形合成弄清楚，这可是的庞大的工程。借张图，有兴趣的自己研究。

但是，时间有限，怎么办？我的解决办法就是搜索关键字。搜索关键字Cursor后，可以得到一些相关的操作。SurfaceFlinger 接收到 Vsync 信号后，会调用handleMessageRefresh()来刷新显示。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp
 
void SurfaceFlinger::handleMessageRefresh() {
    ......
    preComposition(refreshStartTime); //合成预处理
    rebuildLayerStacks(); //重新构建LayerStacks
    setUpHWComposer(); //更新HWComposer的图层和属性
    doDebugFlashRegions(); //图形绘制的debug模式
    doTracing("handleRefresh");
    logLayerStats();
    doComposition(); //合成所有图层
    postComposition(refreshStartTime); //合成后处理
    ......
}

我们还是只关心 Cursor 的操作，它位于 HWComposer 控制的图层中。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp
void SurfaceFlinger::setUpHWComposer() {
    ......
    // 遍历所有的DisplayDevice，为绘制做准备
    for (size_t dpy=0 ; dpy<mDisplays.size() ; dpy++) {
        ......
        mDisplays[dpy]->beginFrame(mustRecompose);
        if (mustRecompose) {
            mDisplays[dpy]->lastCompositionHadVisibleLayers = !empty;
        }
    }
    // 设置HWC Layer
    if (CC_UNLIKELY(mGeometryInvalid)) {
        mGeometryInvalid = false;
        for (size_t dpy=0 ; dpy<mDisplays.size() ; dpy++) {
            ......
                for (size_t i = 0; i < currentLayers.size(); i++) {
                    const auto& layer = currentLayers[i];
                    // 尝试创建HWC Layer，如果失败则强制OpenGL渲染
                    if (!layer->hasHwcLayer(hwcId)) {
                        if (!layer->createHwcLayer(getBE().mHwc.get(), hwcId)) {
                            layer->forceClientComposition(hwcId);
                            continue;
                        }
                    }
                    // 设置HWC Layer的显示区域、合成模式、Alpha、Order等
                    layer->setGeometry(displayDevice, i);
                    // HWC被禁止或绘制debug模式时，强制OpenGL渲染
                    if (mDebugDisableHWC || mDebugRegion) {
                        layer->forceClientComposition(hwcId);
                    }
        ......
    }
    // 准备HWC需要渲染的数据
    for (size_t displayId = 0; displayId < mDisplays.size(); ++displayId) {
        auto& displayDevice = mDisplays[displayId];
        const auto hwcId = displayDevice->getHwcDisplayId();
        ......
            //调用 setPerFrameData方法
            layer->setPerFrameData(displayDevice);
        ......
    }
    ......
    for (size_t displayId = 0; displayId < mDisplays.size(); ++displayId) {
        ......
        // 尝试进行显示
        status_t result = displayDevice->prepareFrame(*getBE().mHwc);
        ......
    }
}

其中setPerFrameData()完成 HWComposer 的相关设置，为显示做准备。

frameworks/native/services/surfaceflinger/BufferLayer.cpp
void BufferLayer::setPerFrameData(const sp<const DisplayDevice>& displayDevice) {
    ......
    // 设置可见区域
    auto error = hwcLayer->setVisibleRegion(visible);
    ......
    // 设置刷新区域
    error = hwcLayer->setSurfaceDamage(surfaceDamageRegion);
    ......
    // Sideband layers设置
    if (getBE().compositionInfo.hwc.sidebandStream.get()) {
        setCompositionType(hwcId, HWC2::Composition::Sideband);
        error = hwcLayer->setSidebandStream(getBE().compositionInfo.hwc.sidebandStream->handle());
        ......
        return;
    }
    if (mPotentialCursor) {
        // Cursor layers设置
        setCompositionType(hwcId, HWC2::Composition::Cursor);
    } else {
        // Device layers设置
        setCompositionType(hwcId, HWC2::Composition::Device);
    }
    // 设置色彩空间
    error = hwcLayer->setDataspace(mCurrentDataSpace);
    if (error != HWC2::Error::None) {
        ALOGE("[%s] Failed to set dataspace %d: %s (%d)", mName.string(), mCurrentDataSpace,
              to_string(error).c_str(), static_cast<int32_t>(error));
    }
    // 获取HDR数据并设置到HWC中
    const HdrMetadata& metadata = mConsumer->getCurrentHdrMetadata();
    error = hwcLayer->setPerFrameMetadata(displayDevice->getSupportedPerFrameMetadata(), metadata);
    ......
    // 获取渲染的数据buffer和Fence，设置到HWC中
    sp<GraphicBuffer> hwcBuffer;
    hwcInfo.bufferCache.getHwcBuffer(getBE().compositionInfo.mBufferSlot,
                                     getBE().compositionInfo.mBuffer, &hwcSlot, &hwcBuffer);
    auto acquireFence = mConsumer->getCurrentFence();
    error = hwcLayer->setBuffer(hwcSlot, hwcBuffer, acquireFence);
    ......
}

我们终于找到了希望看到的mPotentialCursor，通过这个标识告诉 HWC2 这是一个 CursorLayer。除此之外，对于 CursorLayer 的操作与 DeviceLayer 并没有区别。所以，SurfaceFlinger 更多的是希望 HWComposer 根据 Layer 的类型进行不同处理。目前 HWC2 支持的 Layer 类型有，

HWC2_COMPOSITION_CLIENT：不通过 HWC 硬件来合成图层。GPU 将这类图层合成到一个图像 Buffer 中，然后传递给 HWC。
HWC2_COMPOSITION_DEVICE：使用 HWC 硬件来合成图层。
HWC2_COMPOSITION_SOLID_COLOR：用来处理 ColorLayer 数据，如果 HWC 不支持，则改为使用 CLIENT 方式合成。
HWC2_COMPOSITION_CURSOR：用来处理 CursorLayer 数据，位置通过setCursorPosition 异步设置。如果 HWC 不支持，则改为使用 CLIENT 或 DEVICE 方式合成。
HWC2_COMPOSITION_SIDEBAND：对于这种 Layer，需要由外部机制提供内容更新，例如电视信号的视频数据。如果 HWC 不支持，则改为使用 CLIENT 或 DEVICE 方式合成，但可能无法正确显示。
Cursor Layer还有一个重要的操作，setCursorPosition()，这个方法用来设置 Cursor 的位置，具体的实现依然在 HWComposer 中。当用户进程更新 Surface 图形时，SurfaceFlinger 会发送INVALIDATE消息给相应的 Layer。消息处理函数调用handleTransaction()和handlePageFlip()来更新Layer对象。handleTransaction()

用来处理 Layer 和显示设备的变化，它继续调用handleTransactionLocked()。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp
void SurfaceFlinger::handleTransactionLocked(uint32_t transactionFlags)
{
    ......
    // 处理Layer的变化
    if (transactionFlags & eTraversalNeeded) {
        ......
    }
    // 处理显示设备的变化
    if (transactionFlags & eDisplayTransactionNeeded) {
        processDisplayChangesLocked();
        processDisplayHotplugEventsLocked();
    }
    // 设置transform hint
    if (transactionFlags & (eDisplayLayerStackChanged|eDisplayTransactionNeeded)) {
        ......
   }
   //处理Layer的增减
   if (mLayersAdded) {
        ......
    }
    if (mLayersRemoved) {
        ......
    }
    commitTransaction();
    // 更新光标位置
    updateCursorAsync();
}

我们找到了 Cursor 更新的地方，SurfaceFlinger 更新图形时会同步更新光标位置。之后，在 Vsync 到来时，完成图像的更新显示。

frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp
void SurfaceFlinger::updateCursorAsync()
{
    for (size_t displayId = 0; displayId < mDisplays.size(); ++displayId) {
        ......
        // 调用Layer的对应方法
        for (auto& layer : displayDevice->getVisibleLayersSortedByZ()) {
            layer->updateCursorPosition(displayDevice);
        }
    }
}

frameworks/native/services/surfaceflinger/Layer.cpp
void Layer::updateCursorPosition(const sp<const DisplayDevice>& displayDevice) {
    // HWC Layer不存在或者不是Cursor Layer，不做处理
    auto hwcId = displayDevice->getHwcDisplayId();
    if (getBE().mHwcLayers.count(hwcId) == 0 ||
        getCompositionType(hwcId) != HWC2::Composition::Cursor) {
        return;
    }
    ......
    // 获取图层的位置
    Rect bounds = reduce(win, s.activeTransparentRegion);
    Rect frame(getTransform().transform(bounds));
    frame.intersect(displayDevice->getViewport(), &frame);
    if (!s.finalCrop.isEmpty()) {
        frame.intersect(s.finalCrop, &frame);
    }
    auto& displayTransform(displayDevice->getTransform());
    auto position = displayTransform.transform(frame);
    // 调用HWC的方法来设置图层位置
    auto error = getBE().mHwcLayers[hwcId].layer->setCursorPosition(position.left, position.top);
}

到达 HWComposer
上面分析了许多代码，但真正与 Cursor 相关的并不多。CursorLayer 的真正实现还是在 HWComposer 中。但是 HWComposer 的实现是与平台相关的，不同的平台对 CursorLayer 的实现可能不同。效率的方式是使用一个独立的硬件 OSD 来显示 CursorLayer，然后通过硬件合成的方式将 CursorLayer 叠加到 UI 显示层。使用这种方式，光标的移动效率也很高，只要改变硬件 OSD 显示的位置即可。如果没有独立的硬件 OSD 来使用，就只能在标准显示层上进行软件叠加，或者使用 GPU 来叠加。

参考：

Android显示系统SurfaceFlinger详解

Android SurfaceFlinger

由于跟平台相关的实现具有私密性，这里不再继续分析，更多关于Android鼠标光标图形合成的资料请关注

原文链接：https://segmentfault.com/a/1190000041693760