校园生活真快乐

如需转载请评论或简信，并注明出处，未经允许不得转载 目录 前言 现在Android的应用界面越来越复杂，很多时候页面中还有各种动画，所以页面卡顿、掉帧等问题就随之而来，所以就想研究一下屏幕刷新的原理，以便于更快的定位和解决问题 基本概念 Android的屏幕刷新中涉及到最重要的三个概念（为便于理解，这里先做简单介绍） CPU：执行应用层的measure、layout、draw等操作，绘制完成后将数据提交给GPU GPU：进一步处理数据，并将数据缓存起来 屏幕：由一个个像素点组成，以固定的频率（16.6ms，即1秒60帧）从缓冲区中取出数据来填充像素点 总结一句话就是：CPU 绘制后提交数据、GPU 进一步处理和缓存数据、最后屏幕从缓冲区中读取数据并显示 我们开发过程中主要关心CPU绘制部分，对GPU和屏幕基本不用关心。所以，看到这里，有的人可能就会想说，我对view的绘制流程（measure、layout、draw）已经非常熟悉，至于GPU和屏幕，和我也没有太大关系吧。其实这里面还有更多的细节值得我们去探索，了解和掌握了这些细节，有助于我们解决一些实际开发过程中的问题，我们不妨一步步往下看 双缓冲机制 看完上面的流程图，我们很容易想到一个问题，屏幕是以16.6ms的固定频率进行刷新的，但是我们应用层触发绘制的时机是完全随机的（比如我们随时都可以触摸屏幕触发绘制），如果在GPU向缓冲区写入数据的同时，屏幕也在向缓冲区读取数据，会发生什么情况呢？有可能屏幕上就会出现一部分是前一帧的画面，一部分是另一帧的画面，这显然是无法接受的，那怎么解决这个问题呢？ 这个其实和我们平时使用代码管理工具Git的一些思路有相似之处，首先我们有一个master分支，对应线上版本的代码，当有新的需求来的时候，我们往往不会在master分支上直接进行开发，都会拉出一个新的分支，比如develop分支，在develop分支上开发新需求，等开发完成测试通过后才会合并到master分支 所以，在屏幕刷新中，Android系统引入了双缓冲机制。GPU只向Back Buffer中写入绘制数据，且GPU会定期交换Back Buffer和Frame Buffer，也就是让Back Buffer 变成Frame Buffer交给屏幕进行绘制，让原先的Frame Buffer变成Back Buffer进行数据写入。交换的频率也是60次/秒，这就与屏幕的刷新频率保持了同步 虽然我们引入了双缓冲机制，但是我们知道，当布局比较复杂，或设备性能较差的时候，CPU并不能保证在16.6ms内就完成绘制数据的计算，所以这里系统又做了一个处理 当你的应用正在往Back Buffer中填充数据时，系统会将Back Buffer锁定。如果到了GPU交换两个Buffer的时间点，你的应用还在往Back Buffer中填充数据，GPU会发现Back Buffer被锁定了，它会放弃这次交换 这样做的后果就是手机屏幕仍然显示原先的图像，这就是我们常常说的丢帧，所以为了避免丢帧的发生，我们就要尽量减少布局层级，减少不必要的View的invalidate调用，减少大量对象的创建（GC也会占用CPU时间）等等。对这方面有兴趣的可以看我的性能优化专题下的文章 Choreographer 我们看下面这张图，这里已经是基于双缓冲机制，且应用层的优化已经做得非常好，绘制时间均少于16.6ms，但依然出现了丢帧，为什么呢？ 原因是第2帧虽然绘制时间少于16.6ms，但是绘制开始的时间距离vsync信号（就是一个发起屏幕刷新的信号，Vertical Synchronization的缩写）发出的时间比较短暂，导致当vsync信号来的时候，第2帧还没有绘制完成，所以Back Buffer依然是锁定的状态，也就出现了丢帧 如果我们可以保证每次绘制开始的时间和vsync信号发起的时间一致（如下图所示），是不是就可以解决这个问题呢？ Android在每一帧中实际上只是在完成三个操作，分别是输入(Input)、动画(Animation)、绘制(Draw)。在Android4.1(API 16)之后，Android系统开始加入Choreographer这个类，这个类名翻译过来是“舞蹈指导”，字面上的意思就是指挥以上三个UI操作一起完成一支舞蹈。这个类就可以解决vsync和绘制不同步的问题，其实它的原理用一句话总结就是往Choreographer里发一个消息，最快也要等到下一个vsync信号来的时候才会开始处理消息 下面我们通过源码分析来看看Choreographer的实现原理 Activity中的布局首次绘制，以及每次调用View 的 invalidate() 时，都会调用到ViewRootImp#requestLayout()，对于这块不是很清楚的具体可以看最全的View绘制流程（上）— Window、DecorView、ViewRootImp的关系，所以我们接下来分析一下ViewRootImp#requestLayout()里面做了什么 ViewRootImp#requestLayout() public void requestLayout() { if (!mHandlingLayoutInLayoutRequest) { //检查是否是主线程，不然会抛出异常 checkThread(); mLayoutRequested = true; scheduleTraversals(); } } ViewRootImp#scheduleTraversals() 如果在同一帧中出现多次requestLayout()调用，其实最终也只会绘制一次，为什么呢？我们可以看到下面有个mTraversalScheduled标志位，稍后我们可以看看这个标志位是哪里被置为false的 void scheduleTraversals() { if (!mTraversalScheduled) { mTraversalScheduled = true; //添加同步消息屏障，这个方法也比较关键，这里先不关心，我们说完Choreographer再分析 mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier(); //向Choreographer中发送消息 mChoreographer.postCallback( Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null); //... } } Choreographer#postCallbackDelayedInternal() mChoreographer.postCallback()接着会调用这个方法 private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType, Object action, Object token, long delayMillis) { synchronized (mLock) { final long now = SystemClock.uptimeMillis(); final long dueTime = now + delayMillis; //将消息以当前的时间戳放进mCallbackQueue 队列里 mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token); if (dueTime <= now) { //如果没有设置消息延时，直接执行 scheduleFrameLocked(now); } else { //消息延时，但是最终依然会调用scheduleFrameLocked Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action); msg.arg1 = callbackType; msg.setAsynchronous(true); mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime); } } } Choreographer#scheduleFrameLocked() private void scheduleFrameLocked(long now) { if (!mFrameScheduled) { mFrameScheduled = true; if (USE_VSYNC) { if (isRunningOnLooperThreadLocked()) { //如果当前线程是Choreographer的工作线程，我理解就是主线程 scheduleVsyncLocked(); } else { //否则发一条消息到主线程 Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC); //设置消息为异步消息，其实就是一个标志位，具体作用我们后面会讲 msg.setAsynchronous(true); //插到消息队列头部，可以理解为设置最高优先级 mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg); } } else { final long nextFrameTime = Math.max( mLastFrameTimeNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS + sFrameDelay, now); if (DEBUG_FRAMES) { Log.d(TAG, "Scheduling next frame in " + (nextFrameTime - now) + " ms."); } Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_FRAME); msg.setAsynchronous(true); mHandler.sendMessageAtTime(msg, nextFrameTime); } } } 接下来最终会调用到一个native方法 private void scheduleVsyncLocked() { mDisplayEventReceiver.scheduleVsync(); } public void scheduleVsync() { if (mReceiverPtr == 0) { Log.w(TAG, "Attempted to schedule a vertical sync pulse but the display event " + "receiver has already been disposed."); } else { nativeScheduleVsync(mReceiverPtr); } } @FastNative private static native void nativeScheduleVsync(long receiverPtr); native方法我们在Android Studio中不能直接查看，这里我们换一种思路。前面Choreographer#postCallbackDelayedInternal()方法中，我们看到了将消息以当前的时间戳放进队列里，那消息什么时候被取出来执行呢？ CallbackQueue private final class CallbackQueue { private CallbackRecord mHead; public boolean hasDueCallbacksLocked(long now) { return mHead != null && mHead.dueTime <= now; } //这就是取出消息的方法 public CallbackRecord extractDueCallbacksLocked(long now) { CallbackRecord callbacks = mHead; if (callbacks == null || callbacks.dueTime > now) { return null; } CallbackRecord last = callbacks; CallbackRecord next = last.next; while (next != null) { if (next.dueTime > now) { last.next = null; break; } last = next; next = next.next; } mHead = next; return callbacks; } //添加消息 public void addCallbackLocked(long dueTime, Object action, Object token) {...} //删除消息 public void removeCallbacksLocked(Object action, Object token) {...} } 跟踪代码发现，这个CallbackQueue#extractDueCallbacksLocked()会被Choreographer#doCallbacks()调用，Choreographer#doCallbacks()又会被Choreographer#doFrame()调用，最终我们跟到了FrameDisplayEventReceiver类 FrameDisplayEventReceiver 因为上面的native方法我们没有跟进去分析，担心给大家绕晕了，我们会用一个新的章节来分析native层做的事情，这里先直接给出结论 nativeScheduleVsync()会向SurfaceFlinger注册Vsync信号的监听，VSync信号由SurfaceFlinger实现并定时发送，当Vsync信号来的时候就会回调FrameDisplayEventReceiver#onVsync()，这个方法给发送一个带时间戳Runnable消息，这个Runnable消息的run()实现就是FrameDisplayEventReceiver# run()， 接着就会执行doFrame() private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver implements Runnable { private boolean mHavePendingVsync; private long mTimestampNanos; private int mFrame; public FrameDisplayEventReceiver(Looper looper, int vsyncSource) { super(looper, vsyncSource); } @Override public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) { if (builtInDisplayId != SurfaceControl.BUILT_IN_DISPLAY_ID_MAIN) { scheduleVsync(); return; } long now = System.nanoTime(); if (timestampNanos > now) { timestampNanos = now; } if (mHavePendingVsync) { } else { mHavePendingVsync = true; } mTimestampNanos = timestampNanos; mFrame = frame; Message msg = Message.obtain(mHandler, this); //设置异步消息 msg.setAsynchronous(true); mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS); } @Override public void run() { mHavePendingVsync = false; doFrame(mTimestampNanos, mFrame); } } doFrame()会计算当前时间与时间戳的间隔，间隔越大表示这一帧处理的时间越久，如果间隔超过一个周期，就会去计算跳过了多少帧，并打印出一个日志，这个日志我想很多人可能都见过 Log.i(TAG, "Skipped " + skippedFrames + " frames! " + "The application may be doing too much work on its main thread."); 最终doFrame()会从mCallbackQueue 中取出消息并按照时间戳顺序调用mTraversalRunnable的run()函数，mTraversalRunnable就是最初被加入到Choreographer中的Runnable() //ViewRootImp mChoreographer.postCallback( Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null); TraversalRunnable doTraversal()中就会开始我们View的绘制流程，View的绘制流程不是本文的重点，感兴趣的可以看最全的View绘制流程（下）— Measure、Layout、Draw final class TraversalRunnable implements Runnable { @Override public void run() { doTraversal(); } } ViewRootImp#doTraversal() void doTraversal() { if (mTraversalScheduled) { mTraversalScheduled = false; //移除同步消息屏障 mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier); if (mProfile) { Debug.startMethodTracing("ViewAncestor"); } performTraversals(); if (mProfile) { Debug.stopMethodTracing(); mProfile = false; } } } 到此为止，从触发绘制到屏幕真正开始绘制的过程就基本讲完了，但是这里还有最后一个细节没有进行分析 同步消息屏障 还记不记得前面说有mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier()这个方法还没有进行分析，这个方法的作用是什么呢？ void scheduleTraversals() { if (!mTraversalScheduled) { mTraversalScheduled = true; //☆ mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier(); //向Choreographer中发送消息 mChoreographer.postCallback( Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null); //... } } 我们知道，Android是基于消息机制的，每一个操作都是一个Message，如果在触发绘制的时候，消息队列中还有很多消息没有被执行，那是不是意味着要等到消息队列中的消息执行完成后，绘制消息才能被执行到，那么依然无法保证Vsync信号和绘制的同步，所以依然可能出现丢帧的现象 还记不记得我们之前在Choreographer#scheduleFrameLocked()和FrameDisplayEventReceiver#onVsync()中提到，我们会给与Message有关的绘制请求设置成异步消息(msg.setAsynchronous(true))，为什么要这么做呢？这时候MessageQueue#postSyncBarrier()就发挥它的作用了，简单来说，它的作用就是一个同步消息屏障，能够把我们的异步消息（也就是绘制消息）的优先级提到最高 MessageQueue#postSyncBarrier() 主线程的 Looper 会一直循环调用 MessageQueue 的 next() 来取出队头的 Message 执行，当 Message 执行完后再去取下一个。当 next() 方法在取 Message 时发现队头是一个同步屏障的消息时，就会去遍历整个队列，只寻找设置了异步标志的消息，如果有找到异步消息，那么就取出这个异步消息来执行，否则就让 next() 方法陷入阻塞状态。如果 next() 方法陷入阻塞状态，那么主线程此时就是处于空闲状态的，也就是没在干任何事。所以，如果队头是一个同步屏障的消息的话，那么在它后面的所有同步消息就都被拦截住了，直到这个同步屏障消息被移除，否则主线程就一直不会去处理同步屏障后面的同步消息 那这么同步屏障是什么时候被移除的呢？ 其实我们就是在我们上面提到的ViewRootImp#doTraversal()方法中 总结 本文讲了屏幕刷新的基本原理，以及双缓冲机制、Choreographer的作用、同步消息屏障，不同的地方出了问题都可能引起丢帧，所以了解这些细节有助于我们更好的排查项目开发过程中的问题，最后，来梳理一下屏幕刷新的流程图