前言
屏幕刷新帧率不稳定，掉帧严重，无法保证每秒60帧，导致屏幕画面撕裂;
今天我们来讲解下VSYNC机制和UI刷新流程
一、 Vsync信号详解
1、屏幕刷新相关知识点
- 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：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：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;
- 屏幕流畅度：即以每秒60帧(每帧16.6ms)的速度运行，也就是60fps，并且没有任何延迟或者掉帧;
- FPS：每秒的帧数;
- 丢帧：在16.6ms完成工作却因各种原因没做完，占了后n个16.6ms的时间，相当于丢了n帧;
2、VSYNC机制
VSync机制：Android系统每隔16ms发出VSYNC信号，触发对UI进行渲染，VSync是Vertical Synchronization(垂直同步)的缩写，是一种在PC上很早就广泛使用的技术，可以简单的把它认为是一种定时中断。而在Android 4.1(JB)中已经开始引入VSync机制;
VSync机制下的绘制过程;CPU/GPU接收vsync信号，Vsync每16ms一次，那么在每次发出Vsync命令时，CPU都会进行刷新的操作。也就是在每个16ms的第一时间，CPU就会响应Vsync的命令，来进行数据刷新的动作。CPU和GPU的刷新时间，和Display的FPS是一致的。因为只有到发出Vsync命令的时候，CPU和GPU才会进行刷新或显示的动作。CPU/GPU接收vsync信号提前准备下一帧要显示的内容，所以能够及时准备好每一帧的数据，保证画面的流畅;
可见vsync信号没有提醒CPU/GPU工作的情况下，在第一个16ms之内，一切正常。然而在第二个16ms之内，几乎是在时间段的最后CPU才计算出了数据，交给了Graphics Driver,导致GPU也是在第二段的末尾时间才进行了绘制，整个动作延后到了第三段内。从而影响了下一个画面的绘制。这时会出现Jank(闪烁，可以理解为卡顿或者停顿)。这时候CPU和GPU可能被其他操作占用了，这就是卡顿出现的原因;
二、UI刷新原理流程
1、VSYNC流程示意
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：
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;
2、view的invalidate
View会递归的调用父容器的invalidateChild，逐级回溯，最终走到ViewRootImpl的invalidate
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);
}
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;
3、scheduleTraversals
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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4、申请VSYNC同步信号
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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5、scheduleFrameLocked
// 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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- 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;
6、FrameDisplayEventReceiver
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;
7、doFrame
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);
<!--提交->
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
} finally {
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
}
}
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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;
9、UI局部重绘
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;
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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10、绘制总结
- 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;
总结
关于绘制还有很多知识点，后面会总结陆续发出来的;