破译Android性能优化中的16ms问题

声明：本篇文章已授权微信公众号 guolin_blog（郭霖）独家发布！
当你不能向六岁的儿童讲清楚一件事的时候，说明你还没有真正理解这件事。
Android应用有一个明显的趋势---越来越多地使用动画效果来提升用户体验。但任何事情都是有代价的，丰富复杂的动画提升用户体验的同时，性能问题像隐形的恶魔一样，逐渐地侵蚀着你的应用。动画不流畅、界面卡顿开始困扰着你，逼着你进行性能优化。在这个优化过程中，最理想的标准就是绘制一帧的时间不要超过16ms。这是什么意思？让我们一探究竟。

一、屏幕刷新频率

我们知道，手机屏幕是由许多的像素点组成的，如下图所示：

lcd_pixels.jpg

通过让每一个像素点显示不同的颜色，可以组合成各种各样的图像。这些像素点的颜色数据从哪里来？

答案是：在GPU控制的一块缓冲区中，这块缓冲区叫做Frame Buffer（也就是帧缓冲区）。你可以把它简单理解成一个二维数组，数组中的每一个元素对应着手机屏幕上的一个像素点，元素的值代表着屏幕上对应的像素点要显示的颜色。

Frame Buffer中的数据是不断变化的，为了应对这种变化，手机屏幕的逻辑电路会定期用Frame Buffer中的数据刷新屏幕上的像素点。目前，主流的刷新频率是60次/秒，折算出来就是16ms刷新一次。

二、Frame Buffer中的数据是怎么来的？

GPU除了Frame Buffer，用以交给手机屏幕进行绘制外，还有一个缓冲区，叫Back Buffer，这个Back Buffer 用以交给你的应用，让你往里面填充数据。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交给你的应用进行绘制。交换的频率也是60次/秒，这就与屏幕硬件电路的刷新频率保持了同步。如下图所示：

switch-buffer.png

三、丢帧是怎么发生的？

上面说GPU会定期交换Back Buffer和Frame Buffer，但有一个例外情况，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，后果就是手机屏幕仍然显示原先的图像。

最不幸的情况是，GPU刚刚放弃这次交换，你的应用就完成了对Back Buffer的数据填充。可怜的你必须等待下一个16ms时间，才能看到这次数据填充的效果。

在这种情况下，从Back Buffer锁定开始，也就是你的应用开始往Back Buffer中填充数据，到填充后的数据展示到屏幕上，需要的时间是32ms。

我们知道，所谓的应用往Back Buffer中填充数据，其实就是更新你的应用的Activity的界面。我们假设更新前后的界面是这样的：

ball-bump.png

很简单，也就是让红色的小球向上移动了一段距离。但由于你的应用没能在16ms内完成界面更新，导致你的用户盯着第一个屏幕看了32ms，然后发现小球“跳”到了一个新的高度，而不是平滑地移动到了新的高度。

上面所说的情况称作“丢帧”。

四、作为开发者，怎样优化应用避免丢帧？

作为应用开发者，为了让用户有流畅的动画体验，我们优化的目标就是不要丢帧，也就是在动画进行的过程中，我们要确保更新一帧的时间不要超过16ms。那么，怎样做才能尽可能接近这个目标呢？有如下几个tips：

1. 减少视图层次，尽量使用扁平化的视图布局，如使用RelativeLayout代替多层嵌套的LinearLayout。
2. 减少不必要的View的invalidate调用。
3. 去除View中不必要的background，因为许多background并不会显示在最终的屏幕上。比如ImageView， 假如它显示的图片填满了它的空间，你就没有必要给它设置一个背景色。

以上是三个操作性很强的建议。好奇的你可能会问，这样做的理由是什么？

前面说过，系统将Back Buffer 交给你的应用填充数据，实际过程是将Back Buffer锁定后，将一个指向它的引用交给你的应用，这个引用就是一个Canvas对象。你的应用获取这个Canvas对象后，会按照视图层次从上往下遍历传给每一个View，View在onDraw方法中接收到的canvas对象就是它，如下：

proteced void onDraw(Canvas canvas)

View用这个canvas对象完成自己的绘制。每个View都完成自己的绘制后，才算完成了一帧的绘制。

减少视图层次，可以减少传递canvas对象时间。

2016.10.14更正
感谢Bxtyfuffff
hackware
指出本文的错误之处！

在View的draw方法中，会调用View的私有方法drawBackground(Canvas canvas)，这个方法中会执行绘制background的操作，如果这个background最终不会显示，绘制它显然是在浪费时间。

关于第二点，减少不必要的invalidate调用，一方面是为了减少重绘，同时，也是为了配合GPU，最大限度地利用好缓存，这里涉及到GPU的工作细节，不展开了。

明白了原理，该怎么做你心里就会有数，比如在onDraw方法中，减少创建对象，尤其是复杂的对象等，都是为了缩短绘制的时间。

最后，你还应当明白，这16ms不是全给你绘制界面的，还有layout、measure呢，Android的一些子系统也要占用这宝贵的16ms完成一些自己的任务，真正留给你绘制自己的界面的时间肯定是少于16ms，你能做的就是尽可能减少自己的绘制时间。

好了，这篇文章中，我没有涉及GPU工作的细节，目的是在屏蔽底层技术实现的同时让每一个层次的Android开发者都能从整体上理解把握所谓的16ms。如果你觉得这篇文章对你有帮助，就点个赞鼓励下我吧！