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“终于懂了” 系列:Android屏幕刷新机制—VSync、Choreographer 全面理解!

阅读本篇可能需要的预备知识《View的工作原理》《Handler:Android消息机制》《Window和WindowManager》《Activity的启动过程详解》

一、背景和疑问

在Android中,当我们谈到 布局优化卡顿优化 时,通常都知道 需要减少布局层级、减少主线程耗时操作,这样可以减少丢帧。如果丢帧比较严重,那么界面可能会有明显的卡顿感。我们知道 通常手机刷新是每秒60次,即每隔16.6ms刷新一次。 问题来了:

  1. 丢帧(掉帧) ,是说 这一帧延迟显示 还是丢弃不再显示 ?
  2. 布局层级较多/主线程耗时 是如何造成 丢帧的呢?
  3. 16.6ms刷新一次 是啥意思?是每16.6ms都走一次 measure/layout/draw ?
  4. measure/layout/draw 走完,界面就立刻刷新了吗?
  5. 如果界面没动静止了,还会刷新吗?
  6. 可能你知道VSYNC,这个具体指啥?在屏幕刷新中如何工作的?
  7. 可能你还听过屏幕刷新使用 双缓存三缓存,这又是啥意思呢?
  8. 可能你还听过神秘的Choreographer,这又是干啥的?

小朋友,你是否有很多问号?

本文介绍的内容会详细解释以上问题,并在最后给解答。稳住,别慌~

二、显示系统基础知识

在一个典型的显示系统中,一般包括CPU、GPU、Display三个部分, CPU负责计算帧数据,把计算好的数据交给GPU,GPU会对图形数据进行渲染,渲染好后放到buffer(图像缓冲区)里存起来,然后Display(屏幕或显示器)负责把buffer里的数据呈现到屏幕上。如下图:

单缓存,从缓存映射到屏幕

2.1 基础概念

  • 屏幕刷新频率 一秒内屏幕刷新的次数(一秒内显示了多少帧的图像),单位 Hz(赫兹),如常见的 60 Hz。刷新频率取决于硬件的固定参数(不会变的)。

  • 逐行扫描 显示器并不是一次性将画面显示到屏幕上,而是从左到右边,从上到下逐行扫描,顺序显示整屏的一个个像素点,不过这一过程快到人眼无法察觉到变化。以 60 Hz 刷新率的屏幕为例,这一过程即 1000 / 60 ≈ 16ms。

  • 帧率 (Frame Rate) 表示 GPU 在一秒内绘制操作的帧数,单位 fps。例如在电影界采用 24 帧的速度足够使画面运行的非常流畅。而 Android 系统则采用更加流程的 60 fps,即每秒钟GPU最多绘制 60 帧画面。帧率是动态变化的,例如当画面静止时,GPU 是没有绘制操作的,屏幕刷新的还是buffer中的数据,即GPU最后操作的帧数据。

  • 画面撕裂(tearing) 一个屏幕内的数据来自2个不同的帧,画面会出现撕裂感,如下图

明显看出画面错位的位置,这就是画面撕裂。

2.2 双缓存

2.2.1 画面撕裂 原因

屏幕刷新频是固定的,比如每16.6ms从buffer取数据显示完一帧,理想情况下帧率和刷新频率保持一致,即每绘制完成一帧,显示器显示一帧。但是CPU/GPU写数据是不可控的,所以会出现buffer里有些数据根本没显示出来就被重写了,即buffer里的数据可能是来自不同的帧的, 当屏幕刷新时,此时它并不知道buffer的状态,因此从buffer抓取的帧并不是完整的一帧画面,即出现画面撕裂。

简单说就是Display在显示的过程中,buffer内数据被CPU/GPU修改,导致画面撕裂。

2.2.2 双缓存

那咋解决画面撕裂呢? 答案是使用 双缓存。

由于图像绘制和屏幕读取 使用的是同个buffer,所以屏幕刷新时可能读取到的是不完整的一帧画面。

双缓存,让绘制和显示器拥有各自的buffer:GPU 始终将完成的一帧图像数据写入到 Back Buffer,而显示器使用 Frame Buffer,当屏幕刷新时,Frame Buffer 并不会发生变化,当Back buffer准备就绪后,它们才进行交换。如下图: 双缓存,CPU/GPU写数据到Back Buffer,显示器从Frame Buffer取数据

2.2.3 VSync

问题又来了:什么时候进行两个buffer的交换呢?

假如是 Back buffer准备完成一帧数据以后就进行,那么如果此时屏幕还没有完整显示上一帧内容的话,肯定是会出问题的。看来只能是等到屏幕处理完一帧数据后,才可以执行这一操作了。

当扫描完一个屏幕后,设备需要重新回到第一行以进入下一次的循环,此时有一段时间空隙,称为VerticalBlanking Interval(VBI)。那,这个时间点就是我们进行缓冲区交换的最佳时间。因为此时屏幕没有在刷新,也就避免了交换过程中出现 screen tearing的状况。

VSync(垂直同步)是VerticalSynchronization的简写,它利用VBI时期出现的vertical sync pulse(垂直同步脉冲)来保证双缓冲在最佳时间点才进行交换。另外,交换是指各自的内存地址,可以认为该操作是瞬间完成。

所以说V-sync这个概念并不是Google首创的,它在早年的PC机领域就已经出现了。

三、Android屏幕刷新机制

3.1 Android4.1之前的问题

具体到Android中,在Android4.1之前,屏幕刷新也遵循 上面介绍的 双缓存+VSync 机制。如下图: 双缓存会在VSync脉冲时交换,但CPU/GPU绘制是随机的

以时间的顺序来看下将会发生的过程:

  1. Display显示第0帧数据,此时CPU和GPU渲染第1帧画面,且在Display显示下一帧前完成
  2. 因为渲染及时,Display在第0帧显示完成后,也就是第1个VSync后,缓存进行交换,然后正常显示第1帧
  3. 接着第2帧开始处理,是直到第2个VSync快来前才开始处理的。
  4. 第2个VSync来时,由于第2帧数据还没有准备就绪,缓存没有交换,显示的还是第1帧。这种情况被Android开发组命名为“Jank”,即发生了丢帧
  5. 当第2帧数据准备完成后,它并不会马上被显示,而是要等待下一个VSync 进行缓存交换再显示。

所以总的来说,就是屏幕平白无故地多显示了一次第1帧。

原因是 第2帧的CPU/GPU计算 没能在VSync信号到来前完成 。

我们知道,双缓存的交换 是在Vsyn到来时进行,交换后屏幕会取Frame buffer内的新数据,而实际 此时的Back buffer 就可以供GPU准备下一帧数据了。 如果 Vsyn到来时 CPU/GPU就开始操作的话,是有完整的16.6ms的,这样应该会基本避免jank的出现了(除非CPU/GPU计算超过了16.6ms)。 那如何让 CPU/GPU计算在 Vsyn到来时进行呢?

3.2 drawing with VSync

为了优化显示性能,Google在Android 4.1系统中对Android Display系统进行了重构,实现了Project Butter(黄油工程):系统在收到VSync pulse后,将马上开始下一帧的渲染。即一旦收到VSync通知(16ms触发一次),CPU和GPU 才立刻开始计算然后把数据写入buffer。如下图: VSync脉冲到来:双缓存交换,且开始CPU/GPU绘制 CPU/GPU根据VSYNC信号同步处理数据,可以让CPU/GPU有完整的16ms时间来处理数据,减少了jank。

一句话总结,VSync同步使得CPU/GPU充分利用了16.6ms时间,减少jank。

问题又来了,如果界面比较复杂,CPU/GPU的处理时间较长 超过了16.6ms呢?如下图: 虽然CPU/GPU开始在VSync,但超过16.6ms

  1. 在第二个时间段内,但却因 GPU 还在处理 B 帧,缓存没能交换,导致 A 帧被重复显示。
  2. 而B完成后,又因为缺乏VSync pulse信号,它只能等待下一个signal的来临。于是在这一过程中,有一大段时间是被浪费的。
  3. 当下一个VSync出现时,CPU/GPU马上执行操作(A帧),且缓存交换,相应的显示屏对应的就是B。这时看起来就是正常的。只不过由于执行时间仍然超过16ms,导致下一次应该执行的缓冲区交换又被推迟了——如此循环反复,便出现了越来越多的“Jank”。

为什么 CPU 不能在第二个 16ms 处理绘制工作呢?

原因是只有两个 buffer,Back buffer正在被GPU用来处理B帧的数据, Frame buffer的内容用于Display的显示,这样两个buffer都被占用,CPU 则无法准备下一帧的数据。 那么,如果再提供一个buffer,CPU、GPU 和显示设备都能使用各自的buffer工作,互不影响。

3.3 三缓存

三缓存就是在双缓冲机制基础上增加了一个 Graphic Buffer 缓冲区,这样可以最大限度的利用空闲时间,带来的坏处是多使用的一个 Graphic Buffer 所占用的内存。 三缓存

  1. 第一个Jank,是不可避免的。但是在第二个 16ms 时间段,CPU/GPU 使用 第三个 Buffer 完成C帧的计算,虽然还是会多显示一次 A 帧,但后续显示就比较顺畅了,有效避免 Jank 的进一步加剧。

  2. 注意在第3段中,A帧的计算已完成,但是在第4个vsync来的时候才显示,如果是双缓冲,那在第三个vynsc就可以显示了。

三缓冲有效利用了等待vysnc的时间,减少了jank,但是带来了延迟。 所以,是不是 Buffer 越多越好呢?这个是否定的,Buffer 正常还是两个,当出现 Jank 后三个足以。

以上就是Android屏幕刷新的原理了。

四、Choreographer

4.1 概述

上面讲到,Google在Android 4.1系统中对Android Display系统进行了优化:在收到VSync pulse后,将马上开始下一帧的渲染。即一旦收到VSync通知,CPU和GPU就立刻开始计算然后把数据写入buffer。本节就来讲 "drawing with VSync" 的实现——Choreographer

  • Choreographer,意为 舞蹈编导、编舞者。在这里就是指 对CPU/GPU绘制的指导—— 收到VSync信号 才开始绘制,保证绘制拥有完整的16.6ms,避免绘制的随机性。
  • Choreographer,是一个Java类,包路径android.view.Choreographer。类注释是“协调动画、输入和绘图的计时”。
  • 通常 应用层不会直接使用Choreographer,而是使用更高级的API,例如动画和View绘制相关的ValueAnimator.start()、View.invalidate()等。
  • 业界一般通过Choreographer来监控应用的帧率。

4.2 源码分析

学习 Choreographer 可以帮助理解 每帧运行的原理,也可加深对 Handler机制、View绘制流程的理解,这样再去做UI优化、卡顿优化,思路会更清晰。

好了,下面开始源码分析了~

4.2.1 入口 和 实例创建

《Window和WindowManager》《Activity的启动过程详解》中介绍过,Activity启动 走完onResume方法后,会进行window的添加。window添加过程会 调用ViewRootImpl的setView()方法,setView()方法会调用requestLayout()方法来请求绘制布局,requestLayout()方法内部又会走到scheduleTraversals()方法,最后会走到performTraversals()方法,接着到了我们熟知的测量、布局、绘制三大流程了。

另外,查看源码发现,当我们使用 ValueAnimator.start()、View.invalidate()时,最后也是走到ViewRootImpl的scheduleTraversals()方法。(View.invalidate()内部会循环获取ViewParent直到ViewRootImpl的invalidateChildInParent()方法,然后走到scheduleTraversals(),可自行查看源码 )

所有UI的变化都是走到ViewRootImpl的scheduleTraversals()方法。

那么问题又来了,scheduleTraversals() 到 performTraversals() 中间 经历了什么呢?是立刻执行吗?答案很显然是否定的,根据我们上面的介绍,在VSync信号到来时才会执行绘制,即performTraversals()方法。 下面来瞅瞅这是如何实现的:

    //ViewRootImpl.java
    void scheduleTraversals() {
        if (!mTraversalScheduled) {
            //此字段保证同时间多次更改只会刷新一次,例如TextView连续两次setText(),也只会走一次绘制流程
            mTraversalScheduled = true;
            //添加同步屏障,屏蔽同步消息,保证VSync到来立即执行绘制
            mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
            //mTraversalRunnable是TraversalRunnable实例,最终走到run(),也即doTraversal();
            mChoreographer.postCallback(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
            if (!mUnbufferedInputDispatch) {
                scheduleConsumeBatchedInput();
            }
            notifyRendererOfFramePending();
            pokeDrawLockIfNeeded();
        }
    }

    final class TraversalRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            doTraversal();
        }
    }
    final TraversalRunnable mTraversalRunnable = new TraversalRunnable();

    void doTraversal() {
        if (mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = false;
            //移除同步屏障
            mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
            ...
            //开始三大绘制流程
            performTraversals();
            ...
        }
    }
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主要有以下逻辑:

  1. 首先使用mTraversalScheduled字段保证同时间多次更改只会刷新一次,例如TextView连续两次setText(),也只会走一次绘制流程。
  2. 然后把当前线程的消息队列Queue添加了同步屏障,这样就屏蔽了正常的同步消息,保证VSync到来后立即执行绘制,而不是要等前面的同步消息。后面会具体分析同步屏障和异步消息的代码逻辑。
  3. 调用了mChoreographer.postCallback()方法,发送一个会在下一帧执行的回调,即在下一个VSync到来时会执行TraversalRunnable-->doTraversal()--->performTraversals()-->绘制流程

接下来,就是分析的重点——Choreographer。我们先看它的实例mChoreographer,是在ViewRootImpl的构造方法内使用Choreographer.getInstance()创建:

Choreographer mChoreographer;

//ViewRootImpl实例是在添加window时创建
public ViewRootImpl(Context context, Display display) {
    ...
    mChoreographer = Choreographer.getInstance();
    ...
}
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我们先来看看Choreographer.getInstance():


    public static Choreographer getInstance() {
        return sThreadInstance.get();
    }

    private static final ThreadLocal<Choreographer> sThreadInstance =
            new ThreadLocal<Choreographer>() {
        @Override
        protected Choreographer initialValue() {
            Looper looper = Looper.myLooper();
            if (looper == null) {
                //当前线程要有looper,Choreographer实例需要传入
                throw new IllegalStateException("The current thread must have a looper!");
            }
            Choreographer choreographer = new Choreographer(looper, VSYNC_SOURCE_APP);
            if (looper == Looper.getMainLooper()) {
                mMainInstance = choreographer;
            }
            return choreographer;
        }
    };
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看到这里 如你对Handler机制中looper比较熟悉的话,应该知道 Choreographer和Looper一样 是线程单例的。且当前线程要有looper,Choreographer实例需要传入。接着看看Choreographer构造方法:

    private Choreographer(Looper looper, int vsyncSource) {
        mLooper = looper;
        //使用当前线程looper创建 mHandler
        mHandler = new FrameHandler(looper);
        //USE_VSYNC 4.1以上默认是true,表示 具备接受VSync的能力,这个接受能力就是FrameDisplayEventReceiver
        mDisplayEventReceiver = USE_VSYNC
                ? new FrameDisplayEventReceiver(looper, vsyncSource)
                : null;
        mLastFrameTimeNanos = Long.MIN_VALUE;

        // 计算一帧的时间,Android手机屏幕是60Hz的刷新频率,就是16ms
        mFrameIntervalNanos = (long)(1000000000 / getRefreshRate());

        // 创建一个链表类型CallbackQueue的数组,大小为5,
        //也就是数组中有五个链表,每个链表存相同类型的任务:输入、动画、遍历绘制等任务(CALLBACK_INPUT、CALLBACK_ANIMATION、CALLBACK_TRAVERSAL)
        mCallbackQueues = new CallbackQueue[CALLBACK_LAST + 1];
        for (int i = 0; i <= CALLBACK_LAST; i++) {
            mCallbackQueues[i] = new CallbackQueue();
        }
        // b/68769804: For low FPS experiments.
        setFPSDivisor(SystemProperties.getInt(ThreadedRenderer.DEBUG_FPS_DIVISOR, 1));
    }
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代码中都有注释,创建了一个mHandler、VSync事件接收器mDisplayEventReceiver、任务链表数组mCallbackQueues。FrameHandler、FrameDisplayEventReceiver、CallbackQueue后面会一一说明。

4.2.2 安排任务—postCallback

回头看mChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null)方法,注意到第一个参数是CALLBACK_TRAVERSAL,表示回调任务的类型,共有以下5种类型:

    //输入事件,首先执行
    public static final int CALLBACK_INPUT = 0;
    //动画,第二执行
    public static final int CALLBACK_ANIMATION = 1;
    //插入更新的动画,第三执行
    public static final int CALLBACK_INSETS_ANIMATION = 2;
    //绘制,第四执行
    public static final int CALLBACK_TRAVERSAL = 3;
    //提交,最后执行,
    public static final int CALLBACK_COMMIT = 4;

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五种类型任务对应存入对应的CallbackQueue中,每当收到 VSYNC 信号时,Choreographer 将首先处理 INPUT 类型的任务,然后是 ANIMATION 类型,最后才是 TRAVERSAL 类型。

postCallback()内部调用postCallbackDelayed(),接着又调用postCallbackDelayedInternal(),来瞅瞅:


    private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
            Object action, Object token, long delayMillis) {
        ...
        synchronized (mLock) {
            // 当前时间
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            // 加上延迟时间
            final long dueTime = now + delayMillis;
            //取对应类型的CallbackQueue添加任务
            mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);

            if (dueTime <= now) {
                //立即执行
                scheduleFrameLocked(now);
            } else {
                //延迟运行,最终也会走到scheduleFrameLocked()
                Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
                msg.arg1 = callbackType;
                msg.setAsynchronous(true);
                mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);
            }
        }
    }
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首先取对应类型的CallbackQueue添加任务,action就是mTraversalRunnable,token是null。CallbackQueue的addCallbackLocked()就是把 dueTime、action、token组装成CallbackRecord后 存入CallbackQueue的下一个节点,具体代码比较简单,不再跟进。

然后注意到如果没有延迟会执行scheduleFrameLocked()方法,有延迟就会使用 mHandler发送MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK消息,并且注意到 使用msg.setAsynchronous(true)把消息设置成异步,这是因为前面设置了同步屏障,只有异步消息才会执行。我们看下mHandler的对这个消息的处理:

    private final class FrameHandler extends Handler {
        public FrameHandler(Looper looper) {
            super(looper);
        }
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            switch (msg.what) {
                case MSG_DO_FRAME:
                    // 执行doFrame,即绘制过程
                    doFrame(System.nanoTime(), 0);
                    break;
                case MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC:
                    //申请VSYNC信号,例如当前需要绘制任务时
                    doScheduleVsync();
                    break;
                case MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK:
                    //需要延迟的任务,最终还是执行上述两个事件
                    doScheduleCallback(msg.arg1);
                    break;
            }
        }
    }
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直接使用doScheduleCallback方法,看看:

    void doScheduleCallback(int callbackType) {
        synchronized (mLock) {
            if (!mFrameScheduled) {
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                if (mCallbackQueues[callbackType].hasDueCallbacksLocked(now)) {
                    scheduleFrameLocked(now);
                }
            }
        }
    }
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发现也是走到这里,即延迟运行最终也会走到scheduleFrameLocked(),跟进看看:

    private void scheduleFrameLocked(long now) {
        if (!mFrameScheduled) {
            mFrameScheduled = true;
            //开启了VSYNC
            if (USE_VSYNC) {
                if (DEBUG_FRAMES) {
                    Log.d(TAG, "Scheduling next frame on vsync.");
                }
                
                //当前执行的线程,是否是mLooper所在线程
                if (isRunningOnLooperThreadLocked()) {
                    //申请 VSYNC 信号
                    scheduleVsyncLocked();
                } else {
                    // 若不在,就用mHandler发送消息到原线程,最后还是调用scheduleVsyncLocked方法
                    Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC);
                    msg.setAsynchronous(true);//异步
                    mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg);
                }
            } else {
                // 如果未开启VSYNC则直接doFrame方法(4.1后默认开启)
                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);//异步
                mHandler.sendMessageAtTime(msg, nextFrameTime);
            }
        }
    }
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  1. 如果系统未开启 VSYNC 机制,此时直接发送 MSG_DO_FRAME 消息到 FrameHandler。注意查看上面贴出的 FrameHandler 代码,此时直接执行 doFrame 方法。
  2. Android 4.1 之后系统默认开启 VSYNC,在 Choreographer 的构造方法会创建一个 FrameDisplayEventReceiver,scheduleVsyncLocked 方法将会通过它申请 VSYNC 信号。
  3. isRunningOnLooperThreadLocked 方法,其内部根据 Looper 判断是否在原线程,否则发送消息到 FrameHandler。最终还是会调用 scheduleVsyncLocked 方法申请 VSYNC 信号。

到这里,FrameHandler的作用很明显里了:发送异步消息(因为前面设置了同步屏障)。有延迟的任务发延迟消息、不在原线程的发到原线程、没开启VSYNC的直接走 doFrame 方法取执行绘制。

4.2.3 申请和接受VSync

好了, 接着就看 scheduleVsyncLocked 方法是如何申请 VSYNC 信号的。猜测肯定申请 VSYNC 信号后,信号到来时也是走doFrame() 方法,doFrame()后面再看。先跟进scheduleVsyncLocked():

    private void scheduleVsyncLocked() {
        mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();
    }
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很简单,调用mDisplayEventReceiver的scheduleVsync()方法,mDisplayEventReceiver是Choreographer构造方法中创建,是FrameDisplayEventReceiver 的实例。 FrameDisplayEventReceiver是 DisplayEventReceiver 的子类,DisplayEventReceiver 是一个 abstract class:

    public DisplayEventReceiver(Looper looper, int vsyncSource) {
        if (looper == null) {
            throw new IllegalArgumentException("looper must not be null");
        }

        mMessageQueue = looper.getQueue();
        // 注册VSYNC信号监听者
        mReceiverPtr = nativeInit(new WeakReference<DisplayEventReceiver>(this), mMessageQueue,
                vsyncSource);

        mCloseGuard.open("dispose");
    }
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在 DisplayEventReceiver 的构造方法会通过 JNI 创建一个 IDisplayEventConnection 的 VSYNC 的监听者。

FrameDisplayEventReceiver的scheduleVsync()就是在 DisplayEventReceiver中:

    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 {
            // 申请VSYNC中断信号,会回调onVsync方法
            nativeScheduleVsync(mReceiverPtr);
        }
    }
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那么scheduleVsync()就是使用native方法nativeScheduleVsync()去申请VSYNC信号。这个native方法就看不了了,只需要知道VSYNC信号的接受回调是onVsync(),我们直接看onVsync():

    /**
     * 接收到VSync脉冲时 回调
     * @param timestampNanos VSync脉冲的时间戳
     * @param physicalDisplayId Stable display ID that uniquely describes a (display, port) pair.
     * @param frame 帧号码,自增
     */
    @UnsupportedAppUsage
    public void onVsync(long timestampNanos, long physicalDisplayId, int frame) {
    }
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具体实现是在FrameDisplayEventReceiver中:

    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, long physicalDisplayId, int frame) {
            // Post the vsync event to the Handler.
            // The idea is to prevent incoming vsync events from completely starving
            // the message queue.  If there are no messages in the queue with timestamps
            // earlier than the frame time, then the vsync event will be processed immediately.
            // Otherwise, messages that predate the vsync event will be handled first.
            long now = System.nanoTime();
            if (timestampNanos > now) {
                Log.w(TAG, "Frame time is " + ((timestampNanos - now) * 0.000001f)
                        + " ms in the future!  Check that graphics HAL is generating vsync "
                        + "timestamps using the correct timebase.");
                timestampNanos = now;
            }

            if (mHavePendingVsync) {
                Log.w(TAG, "Already have a pending vsync event.  There should only be "
                        + "one at a time.");
            } else {
                mHavePendingVsync = true;
            }

            mTimestampNanos = timestampNanos;
            mFrame = frame;
            //将本身作为runnable传入msg, 发消息后 会走run(),即doFrame(),也是异步消息
            Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
            msg.setAsynchronous(true);
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
        }

        @Override
        public void run() {
            mHavePendingVsync = false;
            doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
        }
    }
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onVsync()中,将接收器本身作为runnable传入异步消息msg,并使用mHandler发送msg,最终执行的就是doFrame()方法了。

注意一点是,onVsync()方法中只是使用mHandler发送消息到MessageQueue中,不一定是立刻执行,如何MessageQueue中前面有较为耗时的操作,那么就要等完成,才会执行本次的doFrame()

4.2.4 doFrame

和上面猜测一样,申请VSync信号接收到后确实是走 doFrame()方法,那么就来看看Choreographer的doFrame():

    void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
        final long startNanos;
        synchronized (mLock) {
            if (!mFrameScheduled) {
                return; // no work to do
            }

            ...
            // 预期执行时间
            long intendedFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
            startNanos = System.nanoTime();
            // 超时时间是否超过一帧的时间(这是因为MessageQueue虽然添加了同步屏障,但是还是有正在执行的同步任务,导致doFrame延迟执行了)
            final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
            if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
                // 计算掉帧数
                final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
                if (skippedFrames >= SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT) {
                    // 掉帧超过30帧打印Log提示
                    Log.i(TAG, "Skipped " + skippedFrames + " frames!  "
                            + "The application may be doing too much work on its main thread.");
                }
                final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos;
                ...
                frameTimeNanos = startNanos - lastFrameOffset;
            }

            ...
            
            mFrameInfo.setVsync(intendedFrameTimeNanos, frameTimeNanos);
            // Frame标志位恢复
            mFrameScheduled = false;
            // 记录最后一帧时间
            mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
        }

        try {
            // 按类型顺序 执行任务
            Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "Choreographer#doFrame");
            AnimationUtils.lockAnimationClock(frameTimeNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);

            mFrameInfo.markInputHandlingStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);

            mFrameInfo.markAnimationsStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INSETS_ANIMATION, frameTimeNanos);

            mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);

            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
        } finally {
            AnimationUtils.unlockAnimationClock();
            Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
        }
    }
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上面都有注释了很好理解,接着看任务的具体执行doCallbacks 方法:

    void doCallbacks(int callbackType, long frameTimeNanos) {
        CallbackRecord callbacks;
        synchronized (mLock) {
        
            final long now = System.nanoTime();
            // 根据指定的类型CallbackkQueue中查找到达执行时间的CallbackRecord
            callbacks = mCallbackQueues[callbackType].extractDueCallbacksLocked(now / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
            if (callbacks == null) {
                return;
            }
            mCallbacksRunning = true;

            //提交任务类型
            if (callbackType == Choreographer.CALLBACK_COMMIT) {
                final long jitterNanos = now - frameTimeNanos;
                if (jitterNanos >= 2 * mFrameIntervalNanos) {
                    final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos
                            + mFrameIntervalNanos;
                    if (DEBUG_JANK) {
                        Log.d(TAG, "Commit callback delayed by " + (jitterNanos * 0.000001f)
                                + " ms which is more than twice the frame interval of "
                                + (mFrameIntervalNanos * 0.000001f) + " ms!  "
                                + "Setting frame time to " + (lastFrameOffset * 0.000001f)
                                + " ms in the past.");
                        mDebugPrintNextFrameTimeDelta = true;
                    }
                    frameTimeNanos = now - lastFrameOffset;
                    mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
                }
            }
        }
        try {
            // 迭代执行队列所有任务
            for (CallbackRecord c = callbacks; c != null; c = c.next) {
                // 回调CallbackRecord的run,其内部回调Callback的run
                c.run(frameTimeNanos);
            }
        } finally {
            synchronized (mLock) {
                mCallbacksRunning = false;
                do {
                    final CallbackRecord next = callbacks.next;
                    //回收CallbackRecord
                    recycleCallbackLocked(callbacks);
                    callbacks = next;
                } while (callbacks != null);
            }
        }
    }
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主要内容就是取对应任务类型的队列,遍历队列执行所有任务,执行任务是 CallbackRecord的 run 方法:

    private static final class CallbackRecord {
        public CallbackRecord next;
        public long dueTime;
        public Object action; // Runnable or FrameCallback
        public Object token;

        @UnsupportedAppUsage
        public void run(long frameTimeNanos) {
            if (token == FRAME_CALLBACK_TOKEN) {
                // 通过postFrameCallback 或 postFrameCallbackDelayed,会执行这里
                ((FrameCallback)action).doFrame(frameTimeNanos);
            } else {
                //取出Runnable执行run()
                ((Runnable)action).run();
            }
        }
    }
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前面看到mChoreographer.postCallback传的token是null,所以取出action,就是Runnable,执行run(),这里的action就是 ViewRootImpl 发起的绘制任务mTraversalRunnable了,那么这样整个逻辑就闭环了

那么 啥时候 token == FRAME_CALLBACK_TOKEN 呢?答案是Choreographer的postFrameCallback()方法:

    public void postFrameCallback(FrameCallback callback) {
        postFrameCallbackDelayed(callback, 0);
    }
    
    public void postFrameCallbackDelayed(FrameCallback callback, long delayMillis) {
        if (callback == null) {
            throw new IllegalArgumentException("callback must not be null");
        }

        //也是走到是postCallbackDelayedInternal,并且注意是CALLBACK_ANIMATION类型,
        //token是FRAME_CALLBACK_TOKEN,action就是FrameCallback
        postCallbackDelayedInternal(CALLBACK_ANIMATION,
                callback, FRAME_CALLBACK_TOKEN, delayMillis);
    }

    public interface FrameCallback {
        public void doFrame(long frameTimeNanos);
    }
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可以看到postFrameCallback()传入的是FrameCallback实例,接口FrameCallback只有一个doFrame()方法。并且也是走到postCallbackDelayedInternal,FrameCallback实例作为action传入,token则是FRAME_CALLBACK_TOKEN,并且任务是CALLBACK_ANIMATION类型。

Choreographer的postFrameCallback()通常用来计算丢帧情况,使用方式如下:

        //Application.java
         public void onCreate() {
             super.onCreate();
             //在Application中使用postFrameCallback
             Choreographer.getInstance().postFrameCallback(new FPSFrameCallback(System.nanoTime()));
         }


    public class FPSFrameCallback implements Choreographer.FrameCallback {

      private static final String TAG = "FPS_TEST";
      private long mLastFrameTimeNanos = 0;
      private long mFrameIntervalNanos;

      public FPSFrameCallback(long lastFrameTimeNanos) {
          mLastFrameTimeNanos = lastFrameTimeNanos;
          mFrameIntervalNanos = (long)(1000000000 / 60.0);
      }

      @Override
      public void doFrame(long frameTimeNanos) {

          //初始化时间
          if (mLastFrameTimeNanos == 0) {
              mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
          }
          final long jitterNanos = frameTimeNanos - mLastFrameTimeNanos;
          if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
              final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
              if(skippedFrames>30){
                //丢帧30以上打印日志
                  Log.i(TAG, "Skipped " + skippedFrames + " frames!  "
                          + "The application may be doing too much work on its main thread.");
              }
          }
          mLastFrameTimeNanos=frameTimeNanos;
          //注册下一帧回调
          Choreographer.getInstance().postFrameCallback(this);
      }
  }
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4.2.5 小结

使用Choreographer的postCallback()、postFrameCallback() 作用理解:发送任务 存队列中,监听VSync信号,当前VSync到来时 会使用mHandler发送异步message,这个message的Runnable就是队列中的所有任务。

好了,Choreographer整个代码逻辑都讲完了,引用《Android 之 Choreographer 详细分析》的流程图: Choreographer流程图,来自网络

五、Handler异步消息与同步屏障

最后来介绍下异步消息与同步屏障。

在Handler中,Message分为3种:同步消息、异步消息、同步屏障消息,他们三者都是Message,只是属性有些区别。

5.1异步消息

通常我们使用创建Handler方式如下:

    public Handler() {
        this(null, false);
    }
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注意到内部使用了两个两个参数的构造方法,其中第二个是false:

   public Handler(@Nullable Callback callback, boolean async) {
        ...
        mLooper = Looper.myLooper();
        if (mLooper == null) {
            throw new RuntimeException(
                "Can't create handler inside thread " + Thread.currentThread()
                        + " that has not called Looper.prepare()");
        }
        mQueue = mLooper.mQueue;
        mCallback = callback;
        //异步标志
        mAsynchronous = async;
    }
复制代码

这个false就表示 非异步,即使用的是同步消息,mAsynchronous使用是在enqueueMessage()中:

private boolean enqueueMessage(MessageQueue queue, Message msg, long uptimeMillis) {
    //将Handler赋值给Message的target变量
    msg.target = this;
    //mAsynchronous为false,为同步消息
    if (mAsynchronous) {
        msg.setAsynchronous(true);
    }
    return queue.enqueueMessage(msg, uptimeMillis);
}
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这里如果mAsynchronous是true,就会使用msg.setAsynchronous(true)设置为异步消息。所以上面Choreographer中使用的都是异步消息。

5.2同步屏障消息

postSyncBarrier()方法就是用来插入一个屏障到消息队列的,

    //MessageQueue
    public int postSyncBarrier() {
        return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());
    }

    private int postSyncBarrier(long when) {
        synchronized (this) {
            final int token = mNextBarrierToken++;
            //注意这里 没有tartget赋值
            final Message msg = Message.obtain();
            msg.markInUse();
            msg.when = when;
            msg.arg1 = token;

            Message prev = null;
            Message p = mMessages;
            if (when != 0) {
                while (p != null && p.when <= when) {
                    prev = p;
                    p = p.next;
                }
            }
            if (prev != null) { // invariant: p == prev.next
                msg.next = p;
                prev.next = msg;
            } else {
                msg.next = p;
                mMessages = msg;
            }
            return token;
        }
    }
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可以看到它很简单,从这个方法我们可以知道如下:

  • 屏障消息和普通消息的区别在于屏障没有tartget,普通消息有target是因为它需要将消息分发给对应的target,而屏障不需要被分发,它就是用来挡住普通消息来保证异步消息优先处理的
  • 屏障和普通消息一样可以根据时间来插入到消息队列中的适当位置,并且只会挡住它后面的同步消息的分发
  • postSyncBarrier()返回一个int类型的数值,通过这个数值可以撤销屏障即removeSyncBarrier()。
  • postSyncBarrier()是私有的,如果我们想调用它就得使用反射。插入普通消息会唤醒消息队列,但是插入屏障不会。

5.3 原理

同步屏障消息 是如何 挡住普通消息来保证异步消息优先处理的?我们看看MessageQueue的next()方法:

    //MessageQueue.java
    Message next() {
        ...
        for (;;) {
            ...
            synchronized (this) {
                // Try to retrieve the next message.  Return if found.
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                Message prevMsg = null;
                Message msg = mMessages;
                if (msg != null && msg.target == null) {
                    // msg.target == null 就是同步屏障消息,那么只取异步消息
                    do {
                        prevMsg = msg;
                        msg = msg.next;
                    } while (msg != null && !msg.isAsynchronous());
                }
                if (msg != null) {
                    if (now < msg.when) {
                        nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);
                    } else {
                        // Got a message.
                        mBlocked = false;
                        if (prevMsg != null) {
                            prevMsg.next = msg.next;
                        } else {
                            mMessages = msg.next;
                        }
                        msg.next = null;
                        if (DEBUG) Log.v(TAG, "Returning message: " + msg);
                        msg.markInUse();
                        return msg;
                    }
                } else {
                    // No more messages.
                    nextPollTimeoutMillis = -1;
                }
                ...
        }
    }
复制代码

很简单,遍历消息队列时,发现了同步屏障消息,那么就只取异步消息了。

好了,相关知识终于讲完了。

六、疑问解答

  1. 丢帧(掉帧) ,是说 这一帧延迟显示 还是丢弃不再显示 ? 答:延迟显示,因为缓存交换的时机只能等下一个VSync了。
  2. 布局层级较多/主线程耗时 是如何造成 丢帧的呢? 答:布局层级较多/主线程耗时 会影响CPU/GPU的执行时间,大于16.6ms时只能等下一个VSync了。
  3. 16.6ms刷新一次 是啥意思?是每16.6ms都走一次 measure/layout/draw ? 答:屏幕的固定刷新频率是60Hz,即16.6ms。不是每16.6ms都走一次 measure/layout/draw,而是有绘制任务才会走,并且绘制时间间隔是取决于布局复杂度及主线程耗时。
  4. measure/layout/draw 走完,界面就立刻刷新了吗? 答:不是。measure/layout/draw 走完后 会在VSync到来时进行缓存交换和刷新。
  5. 如果界面没动静止了,还会刷新吗? 答:屏幕会固定没16.6ms刷新,但CPU/GPU不走绘制流程。见下面的SysTrace图。
  6. 可能你知道VSYNC,这个具体指啥?在屏幕刷新中如何工作的? 答:当扫描完一个屏幕后,设备需要重新回到第一行以进入下一次的循环,此时会出现的vertical sync pulse(垂直同步脉冲)来保证双缓冲在最佳时间点才进行交换。并且Android4.1后 CPU/GPU的绘制是在VSYNC到来时开始。
  7. 可能你还听过屏幕刷新使用 双缓存三缓存,这又是啥意思呢? 答:双缓存是Back buffer、Frame buffer,用于解决画面撕裂。三缓存增加一个Back buffer,用于减少Jank。
  8. 可能你还听过神秘的Choreographer,这又是干啥的? 答:用于实现——"CPU/GPU的绘制是在VSYNC到来时开始"。

页面静置,没有CPU/GPU绘制,后面屏幕展示的还是Frame buffer的数据

好了,就到这里了。以上问题都理解的话,会对Android屏幕刷新、UI优化、卡顿优化 有更加全面和清晰的认识。其中涉及的知识点也较多,需要把这些都串起来。

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参考与感谢

android屏幕刷新显示机制

Android图形显示系统(一)

Android 屏幕刷新机制

Android 之 Choreographer 详细分析

Handler异步消息与同步屏障

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