Sensor框架Framework层解读

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Sensor整体架构

　　

整体架构说明

1. 黄色部分表示硬件，它要挂在I2C总线上
2. 红色部分表示驱动，驱动注册到Kernel的Input Subsystem上，然后通过Event Device把Sensor数据传到HAL层，准确说是HAL从Event读
3. 绿色部分表示动态库，它封装了整个Sensor的IPC机制，如SensorManager是客户端，SensorService是服务端，而HAL部分是封装了服务端对Kernel的直接访问
4. 蓝色部分就是我们的Framework和Application了，JNI负责访问Sensor的客户端，而Application就是具体的应用程序，用来接收Sensor返回的数据，并处理实现对应的UI效果，如屏幕旋转，打电话时灭屏，自动调接背光（这三个功能的具体实现会在以后分析）

 

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Sensor总体调用关系图

　　本节主要解读Android的Framework层框架。

　　

 

　　Sensor 框架分为三个层次，客户度、服务端、HAL层，服务端负责从HAL读取数据，并将数据写到管道中，客户端通过管道读取服务端数据。

客户端主要类

　　SensorManager.java

　　　　从android4.1开始，把SensorManager定义为一个抽象类，定义了一些主要的方法，该类主要是应用层直接使用的类，提供给应用层的接口

　　SystemSensorManager.java

　　　　继承于SensorManager，客户端消息处理的实体，应用程序通过获取其实例，并注册监听接口，获取sensor数据。

　　sensorEventListener接口

　　　　用于注册监听的接口

　　sensorThread

　　　　是SystemSensorManager的一个内部类，开启一个新线程负责读取读取sensor数据，当注册了sensorEventListener接口的时候才会启动线程

　　android_hardware_SensorManager.cpp

　　　　负责与java层通信的JNI接口

　　SensorManager.cpp

　　　　sensor在Native层的客户端，负责与服务端SensorService.cpp的通信

　　SenorEventQueue.cpp

　　　　消息队列

服务端主要类

　　SensorService.cpp

　　　　服务端数据处理中心

　　SensorEventConnection

　　　　从BnSensorEventConnection继承来，实现接口ISensorEventConnection的一些方法，ISensorEventConnection在SensorEventQueue会保存一个指针，指向调用服务接口创建的SensorEventConnection对象

　　Bittube.cpp

　　　　在这个类中创建了管道，用于服务端与客户端读写数据

　　SensorDevice

　　　　负责与HAL读取数据

HAL层

　　Sensor.h是google为Sensor定义的Hal接口，单独提出去

 

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客户端读取数据

调用时序图

　

apk注册监听器

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　　Activity实现了SensorEventListener接口。

　　在onCreate方法中，获取SystemSensorManager，并获取到加速传感器的Sensor；

　　在onResume方法中调用SystemSensorManager，registerListenerImpl注册监听器；

　　当Sensor数据有改变的时候将会回调onSensorChanged方法。

初始化SystemSensorManager

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　　系统开机启动的时候，会创建SystemSensorManager的实例，在其构造函数中，主要做了四件事情：

1. 初始化JNI：调用JNI函数nativeClassInit()进行初始化
2. 初始化Sensor列表：调用JNI函数sensors_module_init，对Sensor模块进行初始化。创建了native层SensorManager的实例。
3. 获取Sensor列表：调用JNI函数sensors_module_get_next_sensor()获取Sensor，并存在sHandleToSensor列表中
4. 构造SensorThread类：构造线程的类函数，并没有启动线程，当有应用注册的时候才会启动线程

启动SensorThread线程读取消息队列中数据

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　　当有应用程序调用registerListenerImpl()方法注册监听的时候，会调用SensorThread.startLoacked()启动线程。

　　线程只会启动一次，并调用enableSensorLocked()接口对指定的sensor使能，并设置采样时间。

　　SensorThreadRunnable实现了Runnable接口，在SensorThread类中被启动

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　　在open函数中调用JNI函数sensors_create_queue()来创建消息队列,然后调用SensorManager. createEventQueue()创建。

　　在startLocked函数中启动新的线程后，做了一个while的等待while (mSensorsReady == false)，只有当mSensorsReady等于true的时候，才会执行enableSensorLocked()函数对sensor使能。而mSensorsReady变量，是在open()调用创建消息队列成功之后才会true，所以认为，三个功能调用顺序是如下：

1. 调用open函数创建消息队列
2. 调用enableSensorLocked()函数对sensor使能
3. 调用sensors_data_poll从消息队列中读取数据，而且是在while (true)循环里一直读取

 

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服务端实现

调用时序图

 

 

启动SensorService服务

　　在SystemServer进程中的main函数中，通过JNI调用，调用到com_android_server_SystemServer.cpp的android_server_SystemServer_init1()方法，该方法又调用system_init.cpp中的system_init():

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　　在这里创建了SensorService的实例。

SensorService初始化

　　SensorService创建完之后，将会调用SensorService::onFirstRef()方法，在该方法中完成初始化工作。

　　首先获取SensorDevice实例，在其构造函数中，完成了对Sensor模块HAL的初始化：

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　　这里主要做了三个工作：

1. 调用HAL层的hw_get_modele()方法，加载Sensor模块so文件
2. 调用sensor.h的sensors_open方法打开设备
3. 调用sensors_poll_device_t->activate()对Sensor模块使能

　　再看看SensorService::onFirstRef()方法：

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　　在这个方法中，主要做了4件事情：

1. 创建SensorDevice实例
2. 获取Sensor列表
3. 调用SensorDevice.getSensorList(),获取Sensor模块所有传感器列表
4. 为每个传感器注册监听器

　　registerSensor( new HardwareSensor(list[i]) );

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　　HardwareSensor实现了SensorInterface接口。

1. 启动线程读取数据

　　调用run方法启动新线程，将调用SensorService::threadLoop()方法。

在新的线程中读取HAL层数据

　　SensorService实现了Thread类，当在onFirstRef中调用run方法后，将在新的线程中调用SensorService::threadLoop()方法。

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　　在while循环中一直读取HAL层数据，再调用SensorEventConnection->sendEvents将数据写到管道中。

 

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客户端与服务端通信

数据传送

　　客户端与服务端通信的状态图：

　　

　　客户端服务端线程

　　　　在图中可以看到有两个线程：

1. 1. 一个是服务端的一个线程，这个线程负责源源不断的从HAL读取数据。
   2. 另一个是客户端的一个线程，客户端线程负责从消息队列中读数据。

　　创建消息队列

　　　　客户端可以创建多个消息队列，一个消息队列对应有一个与服务器通信的连接接口

　　创建连接接口

　　　　服务端与客户端沟通的桥梁，服务端读取到HAL层数据后，会扫面有多少个与客户端连接的接口，然后往每个接口的管道中写数据

　　创建管道

　　　　每一个连接接口都有对应的一个管道。

　　上面是设计者设计数据传送的原理，但是目前Android4.1上面的数据传送不能完全按照上面的理解。

　　因为在实际使用中，消息队列只会创建一个，也就是说客户端与服务端之间的通信只有一个连接接口，只有一个管道传数据。

　　那么数据的形式是怎么从HAL层传到JAVA层的呢？

　　其实数据是以一个结构体sensors_event_t的形式从HAL层传到JNI层。看看HAL的sensors_event_t结构体：

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　　在JNI层有一个ASensorEvent结构体与sensors_event_t向对应，frameworks/native/include/android/sensor.h：

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交互调用时序图

　　

　　经过前面的介绍，现在知道了客户端实现的方式及服务端的实现，但是没有具体讲到它们是如何进行通信的，现在看看客户端与服务端之间的通信。

　　主要涉及的是进程间通信，有IBind和管道通信。

　　客户端通过IBind通信获取到服务端的远程调用，然后通过管道进行sensor数据的传输。

服务端

　　native层实现了sensor服务的核心实现，Sensor服务的主要流程的实现在sensorservice类中，下面重点分析下这个类的流程。

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　　看看sensorService继承的类:

　　　　继承BinderService<SensorService>这个模板类添加到系统服务,用于Ibinder进程间通信。

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　　在前面的介绍中，SensorService服务的实例是在System_init.cpp中调用SensorService::instantiate()创建的，即调用了上面的instantiate()方法，接着调用了publish(),在该方法中，我们看到了new SensorService的实例，并且调用了defaultServiceManager::addService()将Sensor服务添加到了系统服务管理中，客户端可以通过defaultServiceManager:getService()获取到Sensor服务的实例。

　　继承BnSensorServer这个是sensor服务抽象接口类提供给客户端调用：

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　　ISensorServer接口提供了两个抽象方法给客户端调用，关键在于createSensorEventConnection()方法，该在服务端被实现，在客户端被调用，并返回一个SensorEventConnection的实例，创建连接，客户端拿到SensorEventConnection实例之后，可以对sensor进行通信操作，仅仅作为通信的接口而已，它并没有用来传送Sensor数据，因为Sensor数据量比较大，IBind实现比较困难。真正实现Sensor数据传送的是管道，在创建SensorEventConnection实例中，创建了BitTube对象，里面创建了管道，用于客户端与服务端的通信。

客户端

　　时序图

　　

　　客户端主要在SensorManager.cpp中创建消息队列

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　　SensorEventQueue类作为消息队列，作用非常重要，在创建其实例的时候，传入了SensorEventConnection的实例，SensorEventConnection继承于ISensorEventConnection。

　　SensorEventConnection其实是客户端调用SensorService的createSensorEventConnection()方法创建的，它是客户端与服务端沟通的桥梁，通过这个桥梁，可以完成一下任务：

1. 获取管道的句柄
2. 往管道读写数据
3. 通知服务端对Sensor使能

 

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流程解析

客户端获取SensorService服务实例

　　客户端初始化的时候，即SystemSensorManager的构造函数中，通过JNI调用，创建native层SensorManager的实例，然后调用SensorManager::assertStateLocked()方法做一些初始化的动作。

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　　前面我们讲到过，SensorService的创建的时候调用了defaultServiceManager:getService()将服务添加到了系统服务管理中。

　　现在我们又调用defaultServiceManager::geService()获取到SensorService服务的实例。

　　在通过IBind通信，就可以获取到Sensor列表，所以在客户端初始化的时候，做了两件事情：

1.  获取SensorService实例引用
2.  获取Sensor传感器列表

注册SensorLisenter

　　时序图

　　

　　new ListenerDelegate(SensorEventListener listener, Sensor sensor, Handler handler) 

　　在这个构造函数中会创建一个Handler，它会在获取到Sensor数据的时候被调用。

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创建消息队列

　　时序图

　　

　　当客户端第一次注册监听器的时候，就需要创建一个消息队列，也就是说，android在目前的实现中，只创建了一个消息队列，一个消息队列中有一个管道，用于服务端与客户断传送Sensor数据。

　　在SensorManager.cpp中的createEventQueue方法创建消息队列：

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　　客户端与服务器创建一个SensorEventConnection连接接口，而一个消息队列中包含一个连接接口。

　　创建连接接口：

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　　关键在于BitTube，在构造函数中创建了管道：

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　　其中：fds[0]就是对应的mReceiveFd,是管道的读端，sensor数据的读取端，对应的是客户端进程访问的。

　　fds[1]就是对应mSendFd,是管道的写端,sensor数据写入端,是sensor的服务进程访问的一端。

　　通过pipe(fds)创建管道,通过fcntl来设置操作管道的方式,设置通道两端的操作方式为O_NONBLOCK ，非阻塞IO方式，read或write调用返回-1和EAGAIN错误。

　　总结下消息队列

　　客户端第一次注册监听器的时候，就需要创建一个消息队列，客户端创了SensorThread线程从消息队列里面读取数据。

　　SensorEventQueue中有一个SensorEventConnection实例的引用，SensorEventConnection中有一个BitTube实例的引用。

使能Sensor

　　客户端创建了连接接口SensorEventConnection后，可以调用其方法使能Sensor传感器：

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　　handle对应着Sensor传感器的句柄

服务端往管道写数据

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　　前面介绍过，在SensorService中，创建了一个线程不断从HAL层读取Sensor数据，就是在threadLoop方法中。

　　关键在与下面了一个for循环，其实是扫描有多少个客户端连接接口，然后就往没每个连接的管道中写数据。

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　　调用该连接接口的BitTube::write():

 View Code

　　到此，服务端就完成了往管道的写端写入数据。

客户端读管道数据

　　时序图

　　

 View Code 

　　调用到了BitTube::read()：

 View Code 

 

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参考文章

http://blog.sina.com.cn/u/2314572533

http://blog.csdn.net/cs_lht