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Android VSYNC (Choreographer)与UI刷新原理分析

从UI控件内容更改到被重新绘制到屏幕上,这中间到底经历了什么?另外,连续两次setTextView到底会触发几次UI重绘呢?为什么Android APP的帧率最高是60FPS呢,这就是本文要讨论的内容。

以电影为例,动画至少要达到24FPS,才能保证画面的流畅性,低于这个值,肉眼会感觉到卡顿。在手机上,这个值被调整到60FPS,增加丝滑度,这也是为什么有个(1000/60)16ms的指标,一般而言目前的Android系统最高FPS也就是60,它是通过了一个VSYNC来保证每16ms最多绘制一帧。简而言之:UI必须至少等待16ms的间隔才会绘制下一帧,所以连续两次setTextView只会触发一次重绘。下面来具体看一下UI的重绘流程。

UI刷新流程示意

以Textview为例 ,当我们通过setText改变TextView内容后,UI界面不会立刻改变,APP端会先向VSYNC服务请求,等到下一次VSYNC信号触发后,APP端的UI才真的开始刷新,基本流程如下

image.png

从我们的代码端来看如下:setText最终调用invalidate申请重绘,最后会通过ViewParent递归到ViewRootImpl的invalidate,请求VSYNC,在请求VSYNC的时候,会添加一个同步栅栏,防止UI线程中同步消息执行,这样做为了加快VSYNC的响应速度,如果不设置,VSYNC到来的时候,正在执行一个同步消息,那么UI更新的Task就会被延迟执行,这是Android的Looper跟MessageQueue决定的。

APP端触发重绘,申请VSYNC流程示意

image.png

等到VSYNC到来后,会移除同步栅栏,并率先开始执行当前帧的处理,调用逻辑如下

VSYNC回来流程示意

image.png

doFrame执行UI绘制的示意图

image.png

UI刷新源码跟踪

同TextView类似,View内容改变一般都会调用invalidate触发视图重绘,这中间经历了什么呢?View会递归的调用父容器的invalidateChild,逐级回溯,最终走到ViewRootImpl的invalidate,如下:

View.java

 void invalidateInternal(int l, int t, int r, int b, boolean invalidateCache,
            boolean fullInvalidate) {
            // Propagate the damage rectangle to the parent view.
            final AttachInfo ai = mAttachInfo;
            final ViewParent p = mParent;
            if (p != null && ai != null && l < r && t < b) {
                final Rect damage = ai.mTmpInvalRect;
                damage.set(l, t, r, b);
                p.invalidateChild(this, damage);
            }
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ViewRootImpl.java

void invalidate() {
    mDirty.set(0, 0, mWidth, mHeight);
    if (!mWillDrawSoon) {
        scheduleTraversals();
    }
}
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ViewRootImpl会调用scheduleTraversals准备重绘,但是,重绘一般不会立即执行,而是往Choreographer的Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL队列中添加了一个mTraversalRunnable,同时申请VSYNC,这个mTraversalRunnable要一直等到申请的VSYNC到来后才会被执行,如下:

ViewRootImpl.java

 // 将UI绘制的mTraversalRunnable加入到下次垂直同步信号到来的等待callback中去
 // mTraversalScheduled用来保证本次Traversals未执行前,不会要求遍历两边,浪费16ms内,不需要绘制两次
void scheduleTraversals() {
    if (!mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = true;
        // 防止同步栅栏,同步栅栏的意思就是拦截同步消息
        mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
        // postCallback的时候,顺便请求vnsc垂直同步信号scheduleVsyncLocked
        mChoreographer.postCallback(
                Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
         <!--添加一个处理触摸事件的回调,防止中间有Touch事件过来-->
        if (!mUnbufferedInputDispatch) {
            scheduleConsumeBatchedInput();
        }
        notifyRendererOfFramePending();
        pokeDrawLockIfNeeded();
    }
}
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Choreographer.java

private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
        Object action, Object token, long delayMillis) {
        
    synchronized (mLock) {
        final long now = SystemClock.uptimeMillis();
        final long dueTime = now + delayMillis;
        mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);

        if (dueTime <= now) {
        <!--申请VSYNC同步信号-->
            scheduleFrameLocked(now);
        } 
    }
}
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scheduleTraversals利用mTraversalScheduled保证,在当前的mTraversalRunnable未被执行前,scheduleTraversals不会再被有效调用,也就是Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL理论上应该只有一个mTraversalRunnable的Task。mChoreographer.postCallback将mTraversalRunnable插入到CallBack之后,会接着调用scheduleFrameLocked请求Vsync同步信号

// mFrameScheduled保证16ms内,只会申请一次垂直同步信号
// scheduleFrameLocked可以被调用多次,但是mFrameScheduled保证下一个vsync到来之前,不会有新的请求发出
// 多余的scheduleFrameLocked调用被无效化
private void scheduleFrameLocked(long now) {
    if (!mFrameScheduled) {
        mFrameScheduled = true;
        if (USE_VSYNC) {
        
            if (isRunningOnLooperThreadLocked()) {
                scheduleVsyncLocked();
            } else {
                // 因为invalid已经有了同步栅栏,所以必须mFrameScheduled,消息才能被UI线程执行
                Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC);
                msg.setAsynchronous(true);
                mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg);
            }
        }  
    }
}
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scheduleFrameLocked跟上一个scheduleTraversals类似,也采用了利用mFrameScheduled来保证:在当前申请的VSYNC到来之前,不会再去请求新的VSYNC,因为16ms内申请两个VSYNC没意义。再VSYNC到来之后,Choreographer利用Handler将FrameDisplayEventReceiver封装成一个异步Message,发送到UI线程的MessageQueue,

  private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver
            implements Runnable {
        private boolean mHavePendingVsync;
        private long mTimestampNanos;
        private int mFrame;

        public FrameDisplayEventReceiver(Looper looper) {
            super(looper);
        }

        @Override
        public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
           
            long now = System.nanoTime();
            if (timestampNanos > now) {
            <!--正常情况,timestampNanos不应该大于now,一般是上传vsync的机制出了问题-->
                timestampNanos = now;
            }
            <!--如果上一个vsync同步信号没执行,那就不应该相应下一个(可能是其他线程通过某种方式请求的)-->
	          if (mHavePendingVsync) {
                Log.w(TAG, "Already have a pending vsync event.  There should only be "
                        + "one at a time.");
            } else {
                mHavePendingVsync = true;
            }
            <!--timestampNanos其实是本次vsync产生的时间,从服务端发过来-->
            mTimestampNanos = timestampNanos;
            mFrame = frame;
            Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
            <!--由于已经存在同步栅栏,所以VSYNC到来的Message需要作为异步消息发送过去-->
            msg.setAsynchronous(true);
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
        }

        @Override
        public void run() {
            mHavePendingVsync = false;
            <!--这里的mTimestampNanos其实就是本次Vynsc同步信号到来的时候,但是执行这个消息的时候,可能延迟了-->
            doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
        }
    }
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之所以封装成异步Message,是因为前面添加了一个同步栅栏,同步消息不会被执行。UI线程被唤起,取出该消息,最终调用doFrame进行UI刷新重绘

void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
    final long startNanos;
    synchronized (mLock) {
    <!--做了很多东西,都是为了保证一次16ms有一次垂直同步信号,有一次input 、刷新、重绘-->
        if (!mFrameScheduled) {
            return; // no work to do
        }
       long intendedFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
        startNanos = System.nanoTime();
        final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
        <!--检查是否因为延迟执行掉帧,每大于16ms,就多掉一帧-->
        if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
            final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
            <!--跳帧,其实就是上一次请求刷新被延迟的时间,但是这里skippedFrames为0不代表没有掉帧-->
            if (skippedFrames >= SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT) {
            <!--skippedFrames很大一定掉帧,但是为 0,去并非没掉帧-->
                Log.i(TAG, "Skipped " + skippedFrames + " frames!  "
                        + "The application may be doing too much work on its main thread.");
            }
            final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos;
				<!--开始doFrame的真正有效时间戳-->
            frameTimeNanos = startNanos - lastFrameOffset;
        }

        if (frameTimeNanos < mLastFrameTimeNanos) {
            <!--这种情况一般是生成vsync的机制出现了问题,那就再申请一次-->
            scheduleVsyncLocked();
            return;
        }
		  <!--intendedFrameTimeNanos是本来要绘制的时间戳,frameTimeNanos是真正的,可以在渲染工具中标识延迟VSYNC多少-->
        mFrameInfo.setVsync(intendedFrameTimeNanos, frameTimeNanos);
        <!--移除mFrameScheduled判断,说明处理开始了,-->
        mFrameScheduled = false;
        <!--更新mLastFrameTimeNanos-->
        mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
    }

    try {
    	 <!--真正开始处理业务-->
        Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "Choreographer#doFrame");
		<!--处理打包的move事件-->
        mFrameInfo.markInputHandlingStart();
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
		<!--处理动画-->
        mFrameInfo.markAnimationsStart();
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
		<!--处理重绘-->
        mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
		<!--不知道干啥的-->
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
    } finally {
        Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
    }
}
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doFrame也采用了一个boolean遍历mFrameScheduled保证每次VSYNC中,只执行一次,可以看到,为了保证16ms只执行一次重绘,加了好多次层保障。doFrame里除了UI重绘,其实还处理了很多其他的事,比如检测VSYNC被延迟多久执行,掉了多少帧,处理Touch事件(一般是MOVE),处理动画,以及UI,当doFrame在处理Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL的回调时(mTraversalRunnable),才是真正的开始处理View重绘:

  final class TraversalRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        doTraversal();
    }
}
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回到ViewRootImpl调用doTraversal进行View树遍历,

// 这里是真正执行了,
void doTraversal() {
    if (mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = false;
        <!--移除同步栅栏,只有重绘才设置了栅栏,说明重绘的优先级还是挺高的,所有的同步消息必须让步-->
        mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
        performTraversals();
    }
}
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doTraversal会先将栅栏移除,然后处理performTraversals,进行测量、布局、绘制,提交当前帧给SurfaceFlinger进行图层合成显示。以上多个boolean变量保证了每16ms最多执行一次UI重绘,这也是目前Android存在60FPS上限的原因。

注: VSYNC同步信号需要用户主动去请求才会收到,并且是单次有效。

UI局部重绘

某一个View重绘刷新,并不会导致所有View都进行一次measure、layout、draw,只是这个待刷新View链路需要调整,剩余的View可能不需要浪费精力再来一遍,反应再APP侧就是:不需要再次调用所有ViewupdateDisplayListIfDirty构建RenderNode渲染Op树,如下

View.java

    public RenderNode updateDisplayListIfDirty() {
        final RenderNode renderNode = mRenderNode;
		  ...
        if ((mPrivateFlags & PFLAG_DRAWING_CACHE_VALID) == 0
                || !renderNode.isValid()
                || (mRecreateDisplayList)) {
           <!--失效了,需要重绘-->
        } else {
        <!--依旧有效,无需重绘-->
            mPrivateFlags |= PFLAG_DRAWN | PFLAG_DRAWING_CACHE_VALID;
            mPrivateFlags &= ~PFLAG_DIRTY_MASK;
        }
        return renderNode;
    }
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总结

  • android最高60FPS,是VSYNC及决定的,每16ms最多一帧
  • VSYNC要客户端主动申请,才会有
  • 有VSYNC到来才会刷新
  • UI没更改,不会请求VSYNC也就不会刷新
  • UI局部重绘其实只是省去了再次构建硬件加速用的DrawOp树(复用上衣帧的)

作者:看书的小蜗牛

Android VSYNC (Choreographer)与UI刷新原理分析.md

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