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一、Android 显示系统架构总览

1. 核心组件全景图（按职责划分）

组件	职责	所属层级
App (ViewRootImpl)	接收输入事件 → 触发 View 测量/布局/绘制	Java Framework
SurfaceFlinger	合成所有 Layer 图层 → 输出到 FrameBuffer	Native Service
DisplayManagerService (DMS)	管理显示设备生命周期（如亮灭屏）→ 连接 SurfaceFlinger	Java Service
HWComposer HAL	提供硬件合成能力（GPU/GPU混合渲染）→ 控制 VSync 中断	Hardware Abstraction
BufferQueue	生产消费模式管理 GraphicBuffer 缓冲区	C++ Lib

2. 关键数据流

App draw() 
→ BufferQueue dequeue/queue 
→ SurfaceFlinger composeLayers 
→ HWComposer set(hal_module)
→ FrameBufferDevice (最终输出)

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二、核心组件详解与协作机制

1. DisplayManagerService (DMS)

核心功能：

• 监控显示设备插拔（如热插拔 HDMI）
• 管理 DisplayDeviceInfo（分辨率/DPI/刷新率）
• 创建 DisplayToken 并传递给 SurfaceFlinger

源码位置：

// Java 层入口
frameworks/base/services/core/java/com/android/server/display/DisplayManagerService.java

关键调用链：

// DMS 初始化时注册显示设备
private void registerDefaultDisplay(int displayId, IBinder displayToken) {// 通过 SF 的 BootInitialize 设置主屏SurfaceControl.setDisplayToken(displayToken);
}

2. SurfaceFlinger

核心职责：

• 接收并缓存多个 Layer（来自 App 的 Surface）
• 根据 Z-order 合成图层 → 通过 HWC 或 OpenGL 渲染
• 管理帧缓冲区（FrameBuffer）

源码位置：

// Native 入口
frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp

启动流程：

int main() {// Step1: 创建实例sp<SurfaceFlinger> flinger = new SurfaceFlinger();// Step2: 初始化硬件抽象层flinger->init();// Step3: 注册 Binder 接口sp<ISurfaceFlinger> iFlinger = flinger;defaultServiceManager()->addService(String16("SurfaceFlinger"), iFlinger);// Step4: 启动消息循环runLoop();
}

3. BufferQueue：生产者-消费者模型

工作机制：

• 应用侧（Producer）通过 dequeueBuffer 获取空缓冲区
• 绘制完成后调用 queueBuffer 提交
• SurfaceFlinger（Consumer）消费缓冲区进行合成

核心状态机：

[ FREE ] --dequeue--> [ DEQUEUED ]^                     ||                   queue+----<<acquire<<-----+ 

源码位置：

// BufferQueue 核心实现
frameworks/native/libs/gui/include/gui/BufferQueue.h
frameworks/native/libs/gui/BufferQueue.cpp

4. VSync 信号同步机制

原理图：

HWComposer.generateVSync()↓
EventThread.dispatchVSync()↓
SurfaceFlinger.onVSyncReceived()↓
App.doTraversal() → 开始下一帧绘制

黄油计划改进（Android 4.1+）：

• 引入 Choreographer 实现 UI 渲染与 VSync 的同步
• 支持多级 VSync offset（避免输入延迟）

源码片段（Choreographer）：

public void postCallback(int callbackType, Runnable action, Object token) {synchronized (mLock) {// 计算下一帧时间戳long now = SystemClock.uptimeMillis();mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(now, action, token);// 请求下一次 VSyncscheduleFrameLocked(now);}
}

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三、显示流程全链路跟踪

1. App 侧 View 绘制到 BufferQueue

// Activity 启动后触发首次绘制
ViewRootImpl.setView() {// 创建 Surface 并关联到 WindowSessionmSurface = new Surface();mWindowSession.addToDisplay(...);// 开始绘制循环requestLayout();
}// Canvas 绘制完成提交缓冲区
Surface.unlockCanvasAndPost(Canvas canvas) {nativeUnlockCanvasAndPost(mNativeObject, canvas);
}

2. BufferQueue 本地提交流程（C++ 层）

// frameworks/native/libs/gui/BufferQueueProducer.cpp
virtual status_t queueBuffer(...) {// 通知 Consumer 可以消费mCore->signalCondition();// 更新缓冲区状态bufferState[b].status = BufferSlot::DEQUEUED;
}

3. SurfaceFlinger 合成逻辑

// SurfaceFlinger.cpp
void onMessageReceived(int32_t what) {switch (what) {case MessageQueue::INVALIDATE:// 触发合成handleRepaint();break;}
}void handleRepaint() {// 遍历所有 Layerfor (size_t i=0 ; i<mLayers.size() ; i++) {Layer* layer = mLayers[i];// 准备缓冲区layer->beginFrame();// 合成操作layer->prepare(SurfaceFlinger::eNextAnimationFrame);}
}

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四、必看调试命令与工具

# 查看 SurfaceFlinger 当前负载
adb shell dumpsys SurfaceFlinger --latency# 分析 BufferQueue 状态
adb shell service call SurfaceFlinger 1013# 抓取 Systrace 分析 VSync
python systrace.py --time=10 -o trace.html gfx view wm# 查看当前显示设备信息
adb shell dumpsys display

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五、推荐动手实验

1. 修改 VSync 周期

   // 修改 frameworks/native/services/surfaceflinger/EventThread.cpp
   static const nsecs_t vsyncPeriod = 16666666; // 默认 60Hz
   

2. 打印 BufferQueue 状态
   在 BufferQueueProducer::queueBuffer() 添加日志输出
3. 强制软件合成

   adb shell setprop debug.sf.force_gpu false