0 前言

安卓系统的每帧画面其实都是由若干图层合并而成的，该操作称之为“图像合成”[3]：

图0.1 图像合成示意图[3]

本文将对合成方式和它们的性能对比进行说明。

1 安卓

安卓系统主要包含GPU和HWC两种合成方式，可通过开发者模式关闭和打开HWC合成：

图1.1

也可通过下面命令禁止/允许HWC合成：

adb shell service call SurfaceFlinger 1008 i32 1 // 禁止HWC合成
adb shell service call SurfaceFlinger 1008 i32 0 // 允许HWC合成

在禁止HWC合成的情况下只能走GPU合成，那么在否允许HWC合成的情况下是否就一定走HWC合成呢？答案是否定的，其影响因素有多个，其中最为主要的就是HWC硬件模块是否支持对该图层进行硬件合成。安卓模拟器直到29.0版本才模拟实现HWC硬件模块，同时安卓10的HWC HAL层提供了相应的软件支持，因此原生系统至少需要"模拟器29.0 + 安卓10"支持HWC合成，更早期的版本只能用GPU合成。

1.1 合成方式选择

SurfaceFlinger在创建图层时会为其选择对应的合成方式（如果禁止HWC合成所有图层均被强制设置为GPU合成，否则多数情况下选择HWC合成），但这并非最终的结果的，它需要交HWC HAL层进行校验，如果它判断出HWC硬件模块不支持对该图层进行HWC合成，则依然会将其强制改为GPU合成。

（1）安卓9

安卓9模拟器的HWC在对图层进行准备（校验）时，强制将所有图层的合成方式改为HWC_FRAMEBUFFER（对应的就是GPU合成）

static int hwc_prepare(hwc_composer_device_1_t* dev __unused, size_t numDisplays, hwc_display_contents_1_t** displays) {
    ...
    for (size_t i = 0; i < contents->numHwLayers; i++) {
    // We do not handle any layers, so set composition type of any non
    // HWC_FRAMEBUFFER_TARGET layer to to HWC_FRAMEBUFFER.
        if (contents->hwLayers[i].compositionType == HWC_FRAMEBUFFER_TARGET) {
            continue;
        }
        contents->hwLayers[i].compositionType = HWC_FRAMEBUFFER; // 瞧这里，全部改为HWC_FRAMEBUFFER合成（即GPU合成）
    }   
    return 0;
}
// @file: device/generic/goldfish/hwcomposer/hwcomposer.cpp

（2）安卓10

安卓10模拟器的HWC在对图层进行准备（校验）时，不再这么粗暴，而是允许部分图层进行HWC合成：

Error EmuHWC2::Display::validate(uint32_t* outNumTypes, uint32_t* outNumRequests) {
    ...
    if (!mChanges) {
        ...
        bool hostCompositionV1 = rcEnc->hasHostCompositionV1();
        ...
        if (hostCompositionV1) {
            // Support Device and SolidColor, otherwise, fallback all layers to Client
            bool fallBack = false;
            for (auto& layer : mLayers) {
                ...
                // 只将以下3种类型的图层合成方式改回GPU合成，其余的保留为HWC合成
                if (layer->getCompositionType() == Composition::Client ||
                    layer->getCompositionType() == Composition::Cursor ||
                    layer->getCompositionType() == Composition::Sideband) {
                    ALOGW("%s: layer %u CompositionType %d, fallback", __FUNCTION__,  (uint32_t)layer->getId(), layer->getCompositionType());
                    fallBack = true;
                    break;
                }
            }
            ...
            if (fallBack) {
                for (auto& layer : mLayers) {
                    if (layer->getCompositionType() == Composition::Invalid) {
                        continue;
                    }
                    if (layer->getCompositionType() != Composition::Client) {
                        mChanges->addTypeChange(layer->getId(),  Composition::Client);
                    }
                }
            }
       }
       ...
}
// @file: device/generic/goldfish-opengl/system/hwc2/EmuHWC2.cpp

1.2 合成类型查看

可通过下面命令查看其各图层的合成方式：

adb shell dumpsys SurfaceFlinger

其结果中的“Display 0 HWC layers”部分的“Comp Type”列就是合成类型，其参数说明如下：

Client：GPU合成
Device：HWC合成

（1）安卓9

安卓9模拟器尚未实现HWC合成，通过上面命令查看其各图层合成方式如下：

图1.1 安卓9图层合成方式

可见其所有图层的合成方式均为Client（即GPU合成）。

（2）安卓10

安卓10模拟器开始支持HWC合成，通过上面命令查看其各图层合成方式如下：

图1.2 安卓10图层合成方式

可见其所有图层的合成方式均为DEVICE（即HWC合成）。

2 GPU合成

所谓GPU合成，就是通过GPU来实现0.1各图层的合成，安卓模拟器的GPU主要有两种实现方案：

2.1 软件模拟

所谓软件模拟即通过CPU来模拟实现OpenGL APIs，具体可以在安卓系统内部实现，也可以在安卓模拟器中实现。

（1）安卓内模拟实现OpenGL

安卓9通过Swiftshader（源码路径：）模拟实现了OpenGL APIs，此时Swiftshader进程运行于虚拟机内，它直接消耗的是虚拟机的CPU和内存资源（当然，最终都会转化为宿主机的资源）。

（2）模拟器模拟实现OpenGL

模拟器29.0支持间接的Swiftshader模式，也就是将原本运行于安卓虚拟机内部的Swiftshader迁移到模拟器中实现，它直接消耗的是宿主机的CPU和内存资源，性能更佳。

拓展：Swiftshader是有Google实现，此外还有其它OpenGL软件实现可供选择，例如LLVMpipe、Softpipe、OpenSWR等。

（3）对比

方案2性能远胜于方案1，安卓10开始逐步淘汰方案1。

2.2 GPU加速

安卓系统可将OpenGL APIs调用透传到宿主机，从而实现GPU加速。具体透传的方案有两种：

（1）模拟GPU

安卓模拟器（其是QEMU的封装和二次开发）模式实现GPU，它内部会将具体的OpenGL APIs转发由宿主机的GPU实现：

图2.1 模拟GPU[6]

上述方案是安卓模拟器29.0原生支持的方案，已经比较成熟。

（2）VirtIO-GPU

通过VirtIO技术将GPU透传给虚拟机：

图2.2 VirtIO-GPU[6]

原生QEMU已支持该方案，安装Ubuntu虚拟机可用该方案，Cuttlefish模拟器也支持了该方案，但安卓Goldfish模拟器尚未支持该方案。

（3）对比

理论上方案2的性能更优于方案1，但想要用于安卓模拟器，还需不少移植工作。

3 HWC合成

模拟器29.0内部实现了HWC合成的支持，安卓只需将多个图层交付给模拟器即可，下面是安卓模拟器图像合成的入口函数：

bool FrameBuffer::compose(uint32_t bufferSize, void* buffer, bool needPost) {
    ComposeDevice* p = (ComposeDevice*)buffer;
    AutoLock mutex(m_lock);

    switch (p->version) {
    case 1: { 
        Post composeCmd;
        composeCmd.composeVersion = 1; 
        composeCmd.composeBuffer.resize(bufferSize);
        memcpy(composeCmd.composeBuffer.data(), buffer, bufferSize);
        composeCmd.cmd = PostCmd::Compose;
        sendPostWorkerCmd(composeCmd);
        if(needPost) {
            post(p->targetHandle, false);
        }    
        return true;
    }    
    ...
}
// @file: emu-30-release/external/qemu/android/android-emugl/host/libs/libOpenglRender/FrameBuffer.cpp

真机推荐使用该合成方式，因为它不仅性能好，功耗还低。那么在安卓模拟器中是否也是如此呢？答案是否定的，因为它最终也是调用宿主机OpenGL APIs实现合成，和GPU合成殊途同归，其性能并不一定比GPU合成好到哪里去。

参考资料

[1]Android-P模拟器

[2]Android-S模拟器

[3]Android P 图形显示系统（一）硬件合成HWC2

[4]iTOP4412|Android-4.4.4_r1 HWC-1.1

[5]NanoPC-T4|Android-Q HWC

[6]VirtIO GPU基本原理

0 前言

安卓系统的每帧画面其实都是由若干图层合并而成的，该操作称之为“图像合成”[3]：

图0.1 图像合成示意图[3]

本文将对合成方式和它们的性能对比进行说明。

1 安卓

安卓系统主要包含GPU和HWC两种合成方式，可通过开发者模式关闭和打开HWC合成：

图1.1

也可通过下面命令禁止/允许HWC合成：

adb shell service call SurfaceFlinger 1008 i32 1 // 禁止HWC合成
adb shell service call SurfaceFlinger 1008 i32 0 // 允许HWC合成

1.1 合成方式选择

（1）安卓9

安卓9模拟器的HWC在对图层进行准备（校验）时，强制将所有图层的合成方式改为HWC_FRAMEBUFFER（对应的就是GPU合成）

static int hwc_prepare(hwc_composer_device_1_t* dev __unused, size_t numDisplays, hwc_display_contents_1_t** displays) {
    ...
    for (size_t i = 0; i < contents->numHwLayers; i++) {
    // We do not handle any layers, so set composition type of any non
    // HWC_FRAMEBUFFER_TARGET layer to to HWC_FRAMEBUFFER.
        if (contents->hwLayers[i].compositionType == HWC_FRAMEBUFFER_TARGET) {
            continue;
        }
        contents->hwLayers[i].compositionType = HWC_FRAMEBUFFER; // 瞧这里，全部改为HWC_FRAMEBUFFER合成（即GPU合成）
    }   
    return 0;
}
// @file: device/generic/goldfish/hwcomposer/hwcomposer.cpp

（2）安卓10

安卓10模拟器的HWC在对图层进行准备（校验）时，不再这么粗暴，而是允许部分图层进行HWC合成：

Error EmuHWC2::Display::validate(uint32_t* outNumTypes, uint32_t* outNumRequests) {
    ...
    if (!mChanges) {
        ...
        bool hostCompositionV1 = rcEnc->hasHostCompositionV1();
        ...
        if (hostCompositionV1) {
            // Support Device and SolidColor, otherwise, fallback all layers to Client
            bool fallBack = false;
            for (auto& layer : mLayers) {
                ...
                // 只将以下3种类型的图层合成方式改回GPU合成，其余的保留为HWC合成
                if (layer->getCompositionType() == Composition::Client ||
                    layer->getCompositionType() == Composition::Cursor ||
                    layer->getCompositionType() == Composition::Sideband) {
                    ALOGW("%s: layer %u CompositionType %d, fallback", __FUNCTION__,  (uint32_t)layer->getId(), layer->getCompositionType());
                    fallBack = true;
                    break;
                }
            }
            ...
            if (fallBack) {
                for (auto& layer : mLayers) {
                    if (layer->getCompositionType() == Composition::Invalid) {
                        continue;
                    }
                    if (layer->getCompositionType() != Composition::Client) {
                        mChanges->addTypeChange(layer->getId(),  Composition::Client);
                    }
                }
            }
       }
       ...
}
// @file: device/generic/goldfish-opengl/system/hwc2/EmuHWC2.cpp

1.2 合成类型查看

可通过下面命令查看其各图层的合成方式：

adb shell dumpsys SurfaceFlinger

其结果中的“Display 0 HWC layers”部分的“Comp Type”列就是合成类型，其参数说明如下：

Client：GPU合成
Device：HWC合成

（1）安卓9

安卓9模拟器尚未实现HWC合成，通过上面命令查看其各图层合成方式如下：

图1.1 安卓9图层合成方式

可见其所有图层的合成方式均为Client（即GPU合成）。

（2）安卓10

安卓10模拟器开始支持HWC合成，通过上面命令查看其各图层合成方式如下：

图1.2 安卓10图层合成方式

可见其所有图层的合成方式均为DEVICE（即HWC合成）。

2 GPU合成

所谓GPU合成，就是通过GPU来实现0.1各图层的合成，安卓模拟器的GPU主要有两种实现方案：

2.1 软件模拟

所谓软件模拟即通过CPU来模拟实现OpenGL APIs，具体可以在安卓系统内部实现，也可以在安卓模拟器中实现。

（1）安卓内模拟实现OpenGL

（2）模拟器模拟实现OpenGL

拓展：Swiftshader是有Google实现，此外还有其它OpenGL软件实现可供选择，例如LLVMpipe、Softpipe、OpenSWR等。

（3）对比

方案2性能远胜于方案1，安卓10开始逐步淘汰方案1。

2.2 GPU加速

安卓系统可将OpenGL APIs调用透传到宿主机，从而实现GPU加速。具体透传的方案有两种：

（1）模拟GPU

安卓模拟器（其是QEMU的封装和二次开发）模式实现GPU，它内部会将具体的OpenGL APIs转发由宿主机的GPU实现：

图2.1 模拟GPU[6]

上述方案是安卓模拟器29.0原生支持的方案，已经比较成熟。

（2）VirtIO-GPU

通过VirtIO技术将GPU透传给虚拟机：

图2.2 VirtIO-GPU[6]

原生QEMU已支持该方案，安装Ubuntu虚拟机可用该方案，Cuttlefish模拟器也支持了该方案，但安卓Goldfish模拟器尚未支持该方案。

（3）对比

理论上方案2的性能更优于方案1，但想要用于安卓模拟器，还需不少移植工作。

3 HWC合成

模拟器29.0内部实现了HWC合成的支持，安卓只需将多个图层交付给模拟器即可，下面是安卓模拟器图像合成的入口函数：

bool FrameBuffer::compose(uint32_t bufferSize, void* buffer, bool needPost) {
    ComposeDevice* p = (ComposeDevice*)buffer;
    AutoLock mutex(m_lock);

    switch (p->version) {
    case 1: { 
        Post composeCmd;
        composeCmd.composeVersion = 1; 
        composeCmd.composeBuffer.resize(bufferSize);
        memcpy(composeCmd.composeBuffer.data(), buffer, bufferSize);
        composeCmd.cmd = PostCmd::Compose;
        sendPostWorkerCmd(composeCmd);
        if(needPost) {
            post(p->targetHandle, false);
        }    
        return true;
    }    
    ...
}
// @file: emu-30-release/external/qemu/android/android-emugl/host/libs/libOpenglRender/FrameBuffer.cpp

参考资料

[1]Android-P模拟器

[2]Android-S模拟器

[3]Android P 图形显示系统（一）硬件合成HWC2

[4]iTOP4412|Android-4.4.4_r1 HWC-1.1

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