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简介

• 在前面的几篇笔记中，我已经把 Camera 控制流的部分梳理得比较清楚了。在 Camera 流程中，还有一个重要的部分，即数据流。
• Camera API 1 中，数据流主要是通过函数回调的方式，依照从下往上的方向，逐层 return 到 Applications 中。
• 由于数据流的部分相对来说比较简单，所以我就将其与 Camera 的控制流结合起来，从 takePicture() 方法切入，追踪一个比较完整的 Camera 流程，这个系列的笔记到这篇也就可以结束了。

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takePicture() flow

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1. Open 流程

• Camera Open 的流程，在之前的一篇笔记中已经比较详细地描述了。
• 在这里，再关注一下这个流程中，HAL 层的部分。

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1.1 CameraHardwareInterface.h

• 位置：frameworks/av/services/camera/libcameraservice/device1/CameraHardwareInterface.h
• setCallback()：
  • 设置 notify 回调，这用来通知数据已经更新。
  • 设置 data 回调以及 dataTimestamp 回调，对应的是函数指针 mDataCb 与 mDataCvTimestamp 。
  • 注意到，设置 mDevice->ops 对应回调函数时，传入的不是之前设置的函数指针，而是 __data_cb 这样的函数。在该文件中，实现了 __data_cb ，将回调函数做了一层封装。

/** Set the notification and data callbacks */
void setCallbacks(notify_callback notify_cb,data_callback data_cb,data_callback_timestamp data_cb_timestamp,void* user)
{mNotifyCb = notify_cb;mDataCb = data_cb;mDataCbTimestamp = data_cb_timestamp;mCbUser = user;ALOGV("%s(%s)", __FUNCTION__, mName.string());if (mDevice->ops->set_callbacks) {mDevice->ops->set_callbacks(mDevice,__notify_cb,__data_cb,__data_cb_timestamp,__get_memory,this);}
}

• __data_cb()：
  • 对原 callback 函数简单封装，附加了一个防止数组越界判断。

static void __data_cb(int32_t msg_type,const camera_memory_t *data, unsigned int index,camera_frame_metadata_t *metadata,void *user)
{ALOGV("%s", __FUNCTION__);CameraHardwareInterface *__this =static_cast<CameraHardwareInterface *>(user);sp<CameraHeapMemory> mem(static_cast<CameraHeapMemory *>(data->handle));if (index >= mem->mNumBufs) {ALOGE("%s: invalid buffer index %d, max allowed is %d", __FUNCTION__,index, mem->mNumBufs);return;}__this->mDataCb(msg_type, mem->mBuffers[index], metadata, __this->mCbUser);
}

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2. 控制流

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2.1 Framework

2.1.1 Camera.java

• 位置：frameworks/base/core/java/android/hardware/Camera.java
• takePicture()：
  • 设置快门回调。
  • 设置各种类型的图片数据回调。
  • 调用 JNI takePicture 方法。
  • 注意，传入的参数 msgType 是根据相应 CallBack 是否存在而确定的，每种 Callback 应该对应一个二进制中的数位（如 1，10，100 中 1 的位置），于是这里采用 |= 操作给它赋值。

public final void takePicture(ShutterCallback shutter, PictureCallback raw,PictureCallback postview, PictureCallback jpeg) {mShutterCallback = shutter;mRawImageCallback = raw;mPostviewCallback = postview;mJpegCallback = jpeg;// If callback is not set, do not send me callbacks.int msgType = 0;if (mShutterCallback != null) {msgType |= CAMERA_MSG_SHUTTER;}if (mRawImageCallback != null) {msgType |= CAMERA_MSG_RAW_IMAGE;}if (mPostviewCallback != null) {msgType |= CAMERA_MSG_POSTVIEW_FRAME;}if (mJpegCallback != null) {msgType |= CAMERA_MSG_COMPRESSED_IMAGE;}native_takePicture(msgType);mFaceDetectionRunning = false;
}

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2.2 Android Runtime

2.2.1 android_hardware_Camera.cpp

• 位置：frameworks/base/core/jni/android_hardware_Camera.cpp
  • takePicture()：
  • 获取已经打开的 camera 实例，调用其 takePicture() 接口。
  • 注意，在这个函数中，对于 RAW_IMAGE 有一些附加操作：
    • 如果设置了 RAW 的 callback ，则要检查上下文中，是否能找到对应 Buffer。
    • 若无法找到 Buffer ，则将 CAMERA_MSG_RAW_IMAGE 的信息去掉，换成 CAMERA_MSG_RAW_IMAGE_NOTIFY。
    • 替换后，就只会获得 notification 的消息，而没有对应的图像数据。

static void android_hardware_Camera_takePicture(JNIEnv *env, jobject thiz, jint msgType)
{ALOGV("takePicture");JNICameraContext* context;sp<Camera> camera = get_native_camera(env, thiz, &context);if (camera == 0) return;/** When CAMERA_MSG_RAW_IMAGE is requested, if the raw image callback* buffer is available, CAMERA_MSG_RAW_IMAGE is enabled to get the* notification _and_ the data; otherwise, CAMERA_MSG_RAW_IMAGE_NOTIFY* is enabled to receive the callback notification but no data.** Note that CAMERA_MSG_RAW_IMAGE_NOTIFY is not exposed to the* Java application.*/if (msgType & CAMERA_MSG_RAW_IMAGE) {ALOGV("Enable raw image callback buffer");if (!context->isRawImageCallbackBufferAvailable()) {ALOGV("Enable raw image notification, since no callback buffer exists");msgType &= ~CAMERA_MSG_RAW_IMAGE;msgType |= CAMERA_MSG_RAW_IMAGE_NOTIFY;}}if (camera->takePicture(msgType) != NO_ERROR) {jniThrowRuntimeException(env, "takePicture failed");return;}
}

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2.3 C/C++ Libraries

2.3.1 Camera.cpp

• 位置：frameworks/av/camera/Camera.cpp
• takePicture()：
  • 获取一个 ICamera，调用其 takePicture 接口。
  • 这里直接用 return 的方式调用，比较简单。

// take a picture
status_t Camera::takePicture(int msgType)
{ALOGV("takePicture: 0x%x", msgType);sp <::android::hardware::ICamera> c = mCamera;if (c == 0) return NO_INIT;return c->takePicture(msgType);
}

2.3.2 ICamera.cpp

• 位置：frameworks/av/camera/ICamera.cpp
• takePicture()：
  • 利用 Binder 机制发送相应指令到服务端。
  • 实际调用到的是 CameraClient::takePicture() 函数。

// take a picture - returns an IMemory (ref-counted mmap)
status_t takePicture(int msgType)
{ALOGV("takePicture: 0x%x", msgType);Parcel data, reply;data.writeInterfaceToken(ICamera::getInterfaceDescriptor());data.writeInt32(msgType);remote()->transact(TAKE_PICTURE, data, &reply);status_t ret = reply.readInt32();return ret;
}

2.3.3 CameraClient.cpp

• 位置：frameworks/av/services/camera/libcameraservice/api1/CameraClient.cpp
• takePicture()：
  • 注意，CAMERA_MSG_RAW_IMAGE 指令与 CAMERA_MSG_RAW_IMAGE_NOTIFY 指令不能同时有效，需要进行对应的检查。
  • 对传入的指令过滤，只留下与 takePicture() 操作相关的。
  • 调用 CameraHardwareInterface 中的 takePicture() 接口。

// take a picture - image is returned in callback
status_t CameraClient::takePicture(int msgType) {LOG1("takePicture (pid %d): 0x%x", getCallingPid(), msgType);Mutex::Autolock lock(mLock);status_t result = checkPidAndHardware();if (result != NO_ERROR) return result;if ((msgType & CAMERA_MSG_RAW_IMAGE) &&(msgType & CAMERA_MSG_RAW_IMAGE_NOTIFY)) {ALOGE("CAMERA_MSG_RAW_IMAGE and CAMERA_MSG_RAW_IMAGE_NOTIFY"" cannot be both enabled");return BAD_VALUE;}// We only accept picture related message types// and ignore other types of messages for takePicture().int picMsgType = msgType& (CAMERA_MSG_SHUTTER |CAMERA_MSG_POSTVIEW_FRAME |CAMERA_MSG_RAW_IMAGE |CAMERA_MSG_RAW_IMAGE_NOTIFY |CAMERA_MSG_COMPRESSED_IMAGE);enableMsgType(picMsgType);return mHardware->takePicture();
}

2.4 HAL

2.4.1 CameraHardwareInterface.h

• 位置：frameworks/av/services/camera/libcameraservice/device1/CameraHardwareInterface.h
• takePicture()：
  • 通过 mDevice 中设置的函数指针，调用 HAL 层中具体平台对应的 takePicture 操作的实现逻辑。
  • 接下来就是与具体的平台相关的流程了，这部分内容对我并非主要，而且在上一篇笔记中已经有比较深入的探索，所以在这里就不继续向下挖掘了。
  • 控制流程到了 HAL 层后，再向 Linux Drivers 发送控制指令，从而使具体的 Camera 设备执行指令，并获取数据。

/*** Take a picture.*/
status_t takePicture()
{ALOGV("%s(%s)", __FUNCTION__, mName.string());if (mDevice->ops->take_picture)return mDevice->ops->take_picture(mDevice);return INVALID_OPERATION;
}

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3. 数据流

• 由于数据流是通过 callback 函数实现的，所以探究其流程的时候我是从底层向上层进行分析的。

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3.1 HAL

3.1.1 CameraHardwareInterface.h

• 位置：frameworks/av/services/camera/libcameraservice/device1/CameraHardwareInterface.h
• 这里我们只选择 dataCallback 相关流程进行分析。
• __data_cb()：
  • 该回调函数是在同文件中实现的 setCallbacks() 函数中设置的。
  • Camera 设备获得数据后，就会往上传输，在 HAL 层中会调用到这个回调函数。
  • 通过函数指针 mDataCb 调用从上一层传入的回调，从而将数据上传。
  • 这个 mDataCb 指针对应的，是 CameraClient 类中实现的 dataCallback()。

static void __data_cb(int32_t msg_type,const camera_memory_t *data, unsigned int index,camera_frame_metadata_t *metadata,void *user)
{ALOGV("%s", __FUNCTION__);CameraHardwareInterface *__this =static_cast<CameraHardwareInterface *>(user);sp<CameraHeapMemory> mem(static_cast<CameraHeapMemory *>(data->handle));if (index >= mem->mNumBufs) {ALOGE("%s: invalid buffer index %d, max allowed is %d", __FUNCTION__,index, mem->mNumBufs);return;}__this->mDataCb(msg_type, mem->mBuffers[index], metadata, __this->mCbUser);
}

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3.2 C/C++ Libraries

3.2.1 CameraClient.cpp

• 位置：frameworks/av/services/camera/libcameraservice/api1/CameraClient.cpp
• dataCallback()：
  • 这个回调在该文件实现的 initialize() 函数中设置到 CameraHardwareInterface 中。
  • 启动这个回调后，就从 Cookie 中获取已连接的客户端。
  • 根据 msgType，启动对应的 handle 操作。
  • 选择其中一个分支的 handle 函数来看。

void CameraClient::dataCallback(int32_t msgType,const sp<IMemory>& dataPtr, camera_frame_metadata_t *metadata, void* user) {LOG2("dataCallback(%d)", msgType);sp<CameraClient> client = static_cast<CameraClient*>(getClientFromCookie(user).get());if (client.get() == nullptr) return;if (!client->lockIfMessageWanted(msgType)) return;if (dataPtr == 0 && metadata == NULL) {ALOGE("Null data returned in data callback");client->handleGenericNotify(CAMERA_MSG_ERROR, UNKNOWN_ERROR, 0);return;}switch (msgType & ~CAMERA_MSG_PREVIEW_METADATA) {case CAMERA_MSG_PREVIEW_FRAME:client->handlePreviewData(msgType, dataPtr, metadata);break;case CAMERA_MSG_POSTVIEW_FRAME:client->handlePostview(dataPtr);break;case CAMERA_MSG_RAW_IMAGE:client->handleRawPicture(dataPtr);break;case CAMERA_MSG_COMPRESSED_IMAGE:client->handleCompressedPicture(dataPtr);break;default:client->handleGenericData(msgType, dataPtr, metadata);break;}
}

• handleRawPicture()：
  • 在 open 流程中，connect() 函数调用时，mRemoteCallback 已经设置为一个客户端实例，其对应的是 ICameraClient 的强指针。
  • 通过这个实例，这里基于 Binder 机制来启动客户端的 dataCallback。
  • 客户端的 dataCallback 是实现在 Camera 类中。

// picture callback - raw image ready
void CameraClient::handleRawPicture(const sp<IMemory>& mem) {disableMsgType(CAMERA_MSG_RAW_IMAGE);ssize_t offset;size_t size;sp<IMemoryHeap> heap = mem->getMemory(&offset, &size);sp<hardware::ICameraClient> c = mRemoteCallback;mLock.unlock();if (c != 0) {c->dataCallback(CAMERA_MSG_RAW_IMAGE, mem, NULL);}
}

3.2.2 Camera.cpp

• 位置：frameworks/av/camera/Camera.cpp
• dataCallback()：
  • 调用 CameraListener 的 postData 接口，将数据继续向上传输。
  • postData 接口的实现是在 android_hardware_Camera.cpp 中。

// callback from camera service when frame or image is ready
void Camera::dataCallback(int32_t msgType, const sp<IMemory>& dataPtr,camera_frame_metadata_t *metadata)
{sp<CameraListener> listener;{Mutex::Autolock _l(mLock);listener = mListener;}if (listener != NULL) {listener->postData(msgType, dataPtr, metadata);}
}

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3.3 Android Runtime

3.3.1 android_hardware_Camera.cpp

• 位置：frameworks/base/core/jni/android_hardware_Camera.cpp
• postData()：
  • 是 JNICameraContext 类的成员函数，该类继承了 CameraListener。
  • 首先获取虚拟机指针。
  • 然后过滤掉 CAMERA_MSG_PREVIEW_METADATA 信息。
  • 进入分支处理。
  • 对于数据传输路径，关键是在于 copyAndPost() 函数。

void JNICameraContext::postData(int32_t msgType, const sp<IMemory>& dataPtr,camera_frame_metadata_t *metadata)
{// VM pointer will be NULL if object is releasedMutex::Autolock _l(mLock);JNIEnv *env = AndroidRuntime::getJNIEnv();if (mCameraJObjectWeak == NULL) {ALOGW("callback on dead camera object");return;}int32_t dataMsgType = msgType & ~CAMERA_MSG_PREVIEW_METADATA;// return data based on callback typeswitch (dataMsgType) {case CAMERA_MSG_VIDEO_FRAME:// should never happenbreak;// For backward-compatibility purpose, if there is no callback// buffer for raw image, the callback returns null.case CAMERA_MSG_RAW_IMAGE:ALOGV("rawCallback");if (mRawImageCallbackBuffers.isEmpty()) {env->CallStaticVoidMethod(mCameraJClass, fields.post_event,mCameraJObjectWeak, dataMsgType, 0, 0, NULL);} else {copyAndPost(env, dataPtr, dataMsgType);}break;// There is no data.case 0:break;default:ALOGV("dataCallback(%d, %p)", dataMsgType, dataPtr.get());copyAndPost(env, dataPtr, dataMsgType);break;}// post frame metadata to Javaif (metadata && (msgType & CAMERA_MSG_PREVIEW_METADATA)) {postMetadata(env, CAMERA_MSG_PREVIEW_METADATA, metadata);}
}

• copyAndPost()：
  • 首先确认 Memory 中数据是否存在。
  • 申请 Java 字节数组(jbyteArray, jbyte*)，并将 Memory 数据赋予到其中。
  • 重点是这个函数：
    • env->CallStaticVoidMethod(mCameraJClass, fields.post_event, mCameraJObjectWeak, msgType, 0, 0, obj);
    • 它的功能是将图像传给 Java 端。
    • 通过字段 post_event，在 c++ 中调用 Java 的方法，并传入对应的参数。
    • 最终调用到 Java 端的 postEventFromNative() 方法。

void JNICameraContext::copyAndPost(JNIEnv* env, const sp<IMemory>& dataPtr, int msgType)
{jbyteArray obj = NULL;// allocate Java byte array and copy dataif (dataPtr != NULL) {ssize_t offset;size_t size;sp<IMemoryHeap> heap = dataPtr->getMemory(&offset, &size);ALOGV("copyAndPost: off=%zd, size=%zu", offset, size);uint8_t *heapBase = (uint8_t*)heap->base();if (heapBase != NULL) {const jbyte* data = reinterpret_cast<const jbyte*>(heapBase + offset);if (msgType == CAMERA_MSG_RAW_IMAGE) {obj = getCallbackBuffer(env, &mRawImageCallbackBuffers, size);} else if (msgType == CAMERA_MSG_PREVIEW_FRAME && mManualBufferMode) {obj = getCallbackBuffer(env, &mCallbackBuffers, size);if (mCallbackBuffers.isEmpty()) {ALOGV("Out of buffers, clearing callback!");mCamera->setPreviewCallbackFlags(CAMERA_FRAME_CALLBACK_FLAG_NOOP);mManualCameraCallbackSet = false;if (obj == NULL) {return;}}} else {ALOGV("Allocating callback buffer");obj = env->NewByteArray(size);}if (obj == NULL) {ALOGE("Couldn't allocate byte array for JPEG data");env->ExceptionClear();} else {env->SetByteArrayRegion(obj, 0, size, data);}} else {ALOGE("image heap is NULL");}}// post image data to Javaenv->CallStaticVoidMethod(mCameraJClass, fields.post_event,mCameraJObjectWeak, msgType, 0, 0, obj);if (obj) {env->DeleteLocalRef(obj);}
}

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3.4 Framework

3.4.1 Camera.java

• 位置：frameworks/base/core/java/android/hardware/Camera.java
• 以下两个方法都是 EventHandler 的成员，这个类继承了 Handler 类。
• postEventFromNative()：
  • 首先确定 Camera 是否已经实例化。
  • 确认后，通过 Camera 的成员 mEventHandler 的 obtainMessage 方法将从 Native 环境中获得的数据封装成 Message 类的一个实例，然后调用 sendMessage() 方法将数据传出。

private static void postEventFromNative(Object camera_ref,int what, int arg1, int arg2, Object obj)
{Camera c = (Camera)((WeakReference)camera_ref).get();if (c == null)return;if (c.mEventHandler != null) {Message m = c.mEventHandler.obtainMessage(what, arg1, arg2, obj);c.mEventHandler.sendMessage(m);}
}

• handleMessage()：
  • sendMessage() 方法传出的数据会通过这个方法作出处理，从而发送到对应的回调类中。
  • 注意到几个不同的回调类（mRawImageCallback、mJpegCallback 等）中都有 onPictureTaken() 方法，通过调用这个方法，底层传输到此的数据最终发送到最上层的 Java 应用中，上层应用通过解析 Message 就可以得到拍到的图像，从而得以进行后续的操作。
  • 我所分析的数据流的流程到此就可以结束了。

@Override
public void handleMessage(Message msg) {switch(msg.what) {case CAMERA_MSG_SHUTTER:if (mShutterCallback != null) {mShutterCallback.onShutter();}return;case CAMERA_MSG_RAW_IMAGE:if (mRawImageCallback != null) {mRawImageCallback.onPictureTaken((byte[])msg.obj, mCamera);}return;case CAMERA_MSG_COMPRESSED_IMAGE:if (mJpegCallback != null) {mJpegCallback.onPictureTaken((byte[])msg.obj, mCamera);}return;case CAMERA_MSG_PREVIEW_FRAME:PreviewCallback pCb = mPreviewCallback;if (pCb != null) {if (mOneShot) {// Clear the callback variable before the callback// in case the app calls setPreviewCallback from// the callback functionmPreviewCallback = null;} else if (!mWithBuffer) {// We're faking the camera preview mode to prevent// the app from being flooded with preview frames.// Set to oneshot mode again.setHasPreviewCallback(true, false);}pCb.onPreviewFrame((byte[])msg.obj, mCamera);}return;case CAMERA_MSG_POSTVIEW_FRAME:if (mPostviewCallback != null) {mPostviewCallback.onPictureTaken((byte[])msg.obj, mCamera);}return;case CAMERA_MSG_FOCUS:AutoFocusCallback cb = null;synchronized (mAutoFocusCallbackLock) {cb = mAutoFocusCallback;}if (cb != null) {boolean success = msg.arg1 == 0 ? false : true;cb.onAutoFocus(success, mCamera);}return;case CAMERA_MSG_ZOOM:if (mZoomListener != null) {mZoomListener.onZoomChange(msg.arg1, msg.arg2 != 0, mCamera);}return;case CAMERA_MSG_PREVIEW_METADATA:if (mFaceListener != null) {mFaceListener.onFaceDetection((Face[])msg.obj, mCamera);}return;case CAMERA_MSG_ERROR :Log.e(TAG, "Error " + msg.arg1);if (mErrorCallback != null) {mErrorCallback.onError(msg.arg1, mCamera);}return;case CAMERA_MSG_FOCUS_MOVE:if (mAutoFocusMoveCallback != null) {mAutoFocusMoveCallback.onAutoFocusMoving(msg.arg1 == 0 ? false : true, mCamera);}return;default:Log.e(TAG, "Unknown message type " + msg.what);return;}
}

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流程简图

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小结

• 在这篇笔记中，我们从 Camera.takePicture() 方法着手，联系之前学习的 Open 流程，将整个 Camera 流程简单地追踪了一遍。
• 不管是控制流还是数据流，都是要通过五大层次依次执行下一步的。控制流是将命令从顶层流向底层，而数据流则是将底层的数据流向顶层。
• 如果要自定义一个对数据进行处理的 C++ 功能库，并将其加入相机中，我们可以通过对 HAL 层进行一些修改，将 RAW 图像流向我们的处理过程，再将处理后的 RAW 图像传回 HAL 层（需要在 HAL 层对 RAW 格式进行一些处理才能把图像上传），最后通过正常的回调流程把图像传到顶层应用中，就可以实现我们的自定义功能了。
• 至此，对于整个 Camera 的框架，及其运作方式，我们就已经有了比较清晰的了解了。

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• 在 Android 5.0 版本后，Camera 推出了 Camera API 2，它有着全新的流程（但总体架构是不会有大变化的）。接下来我会找空余的时间去学习学习这个新的东西，到时候再另开一系列的学习笔记吧。