UI 优化系列专题，来聊一聊 Android 渲染相关知识，主要涉及 UI 渲染背景知识、如何优化 UI 渲染两部分内容。
UI 优化系列专题
- UI 渲染背景知识
《View 绘制流程之 setContentView() 到底做了什么？》
《View 绘制流程之 DecorView 添加至窗口的过程》
《深入 Activity 三部曲（3）View 绘制流程》
《Android 之 LayoutInflater 全面解析》
《关于渲染，你需要了解什么？》
《Android 之 Choreographer 详细分析》
- 如何优化 UI 渲染
《Android 之如何优化 UI 渲染（上）》
《Android 之如何优化 UI 渲染（下）》
Android 的 UI 渲染性能是 Google 长期以来非常重视的，基本每次 Google I/O 都会花很多篇幅讲这一块。不过随着 Android 系统的不断演进和完善，时至今日，关于 Android UI 卡顿的话题也越来越少。
Google 在 2012 年的 I/O 大会上宣布了 Project Butter 计划，那个曾经严重影响 Android 口碑的 UI 流程性问题，首先在这得到有效的控制。并且在 Android 4.1 中正式开启了这个机制。
Project Butter 主要包含三个组成部分：VSYNC、Triple Buffering 和今天要重点分析的 Choreographer。关于 Project Butter 的详细介绍，你可以参考这里。
Choreographer
Choreographer 是 Android 4.1 新增的机制，用于配合系统的 VSYNC 中断信号。它本质是一个 Java 类，如果直译的话为舞蹈指导，看到这个词不得不赞叹设计者除了 Coding 之外的广泛视野。舞蹈是有节奏的，节奏使舞蹈的每个动作更加协调和连贯；视图刷新也是如此，Choreographer 可以接收系统的 VSYNC 信号，统一管理应用的输入、动画和绘制等任务的执行时机。业界一般通过它来监控应用的帧率。
我们先从 Choreographer 的构造方法入手，看看 Choreographer 是如何协调任务的执行。
private Choreographer(Looper looper, int vsyncSource) {
// 当前线程的Looper
mLooper = looper;
// 使用该Looper创建FrameHandler
mHandler = new FrameHandler(looper);
// 是否开启VSYNC，开启VSYNC后将通过FrameDisplayEventReceiver接收VSYNC脉冲信号
mDisplayEventReceiver = USE_VSYNC
? new FrameDisplayEventReceiver(looper, vsyncSource)
: null;
mLastFrameTimeNanos = Long.MIN_VALUE;
// 计算一帧的时间
// Android手机屏幕采用60Hz的刷新频率
// 这里是纳秒 ≈16000000ns 还是16ms
mFrameIntervalNanos = (long)(1000000000 / getRefreshRate());
// 创建一个CallbackQueu的数组，默认为4
// CallbackQueue中存放要执行的输入、动画、遍历绘制等任务
// 也就是 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));
}
- Choreographer 的构造方法被设计成私有，并且是线程单例的。只能通过其内部的 getInstance 方法获取当前线程的 Choreographer 实例：
public static Choreographer getInstance() {
// Choreographer线程单例的实现方式
return sThreadInstance.get();
}
通过 ThreadLocal 实现 Choreographer 的线程单例。
private static final ThreadLocal sThreadInstance =
new ThreadLocal() {
@Override
protected Choreographer initialValue() {
// 获取当前线程的Looper对象
Looper looper = Looper.myLooper();
if (looper == null) {
// 如果当前线程未创建Looper对象则抛出异常
// 主线程（UI线程）的Looper默认在ActivityThread的main方法被创建
throw new IllegalStateException("The current thread must have a looper!");
}
// 为当前线程创建一个Choreographer对象
Choreographer choreographer = new Choreographer(looper, VSYNC_SOURCE_APP);
if (looper == Looper.getMainLooper()) {
// 如果是UI线程赋值给成员mMainInstance
mMainInstance = choreographer;
}
return choreographer;
}
};
- Choreographer 的构造必须传递一个 Looper 对象，其内部会根据该 Looper 创建一个 FrameHandler。Choreographer 的所有任务最终都会发送到该 Looper 所在的线程。
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
// 如果启用VSYNC机制，当VSYNC信号到来时触发
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;
}
}
}
- 注意 USE_VSYNC，用于判断当前是否启用 VSYNC 机制，Android 在 4.1 之后默认开启该机制。
private static final boolean USE_VSYNC = SystemProperties.getBoolean(
"debug.choreographer.vsync", true);
FrameDisplayEventReceiver 是 DisplayEventReceiver 的子类，DisplayEventReceiver 是一个 abstract class。在 DisplayEventReceiver 的构造方法会通过 JNI 创建一个 IDisplayEventConnection 的 VSYNC 的监听者。
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(this), mMessageQueue,
vsyncSource);
mCloseGuard.open("dispose");
}
另外 DisplayEventReceiver 内还包括用于申请 VSYNC 信号的 scheduledVsync 方法，
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);
}
}
和用于接收 VSYNC 信号的 onVsync 方法。这样，当应用需要绘制时，通过 scheduledVsync 方法申请 VSYNC 中断，来自 EventThread 的 VSYNC 信号就可以传递到 Choreographer：
public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
// 该方法在其子类FrameDisplayEventReceiver中被重写
// 目的是通知Choreographer
}
- CallbackQueue，用于保存通过 postCallback 添加的任务。目前一共定义了四种任务类型，它们分别是：
- CALLBACK_INPUT：优先级最高，和输入事件处理有关。
- CALLBACK_ANIMATION：优先级其次，和 Animation 的处理有关
- CALLBACK_TRAVERSAL：优先级最低，和 UI 绘制任务有关
- CALLBACK_COMMIT：最后执行，和提交任务有关（在 API Level 23 添加）
优先级的高低和处理顺序有关，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。
通过 Choreographer 添加的任务最后都被封装成 CallbackRecord，同种任务之间按照时间顺序以链表的形式保存在 CallbackQueue 内。
private static final class CallbackRecord {
// 链表，指向下一个
public CallbackRecord next;
// 到期时间
public long dueTime;
// Runnable or FrameCallback
public Object action;
public Object token;
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 {
((Runnable)action).run();
}
}
}
CallbackQueue 是一个容量为 4 的数组，分别对应不同的任务类型。
接下来，以 View 的绘制流程为例，从 ViewRootImpl 的 scheduleTraversals 方法开始，其内部通过 Choreographer 的 postCallback 将绘制任务添加到 Chorographer。关于 View 绘制流程的详细分析，可以参考《View 绘制流程之 DecorView 添加至窗口的过程》和《深入 Activity 三部曲（3）之 View 绘制流程》。
void scheduleTraversals() {
if (!mTraversalScheduled) {
mTraversalScheduled = true;
// 同步屏障，阻塞所有的同步消息
mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
// 注意mTraversaRunnable是一个Runnable对象
// 通过 Choreographer 发送绘制任务
mChoreographer.postCallback(
Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
// ...
}
}
Choreographer 是线程单例的，大家是否还记得 Android 系统的 Looper 对象也是 线程单例。主线程 Looper 是在 ActivityThread 的 main 方法被创建。如果要在子线程使用 Handler，必须先为其创建一个 Looper 实例。
Choreographer 提供了两种添加任务的方式，postCallback() 和 postFrameCallback()，当然还有对应的 delay 方法。
- postCallback 对应调用 postCallbackDelayed
public void postCallbackDelayed(int callbackType,
Runnable action, Object token, long delayMillis) {
if (action == null) {
throw new IllegalArgumentException("action must not be null");
}
if (callbackType < 0 || callbackType > CALLBACK_LAST) {
throw new IllegalArgumentException("callbackType is invalid");
}
// 最终都会调用到postCallbackDelayedInternal
postCallbackDelayedInternal(callbackType, action, token, delayMillis);
}
- postFrameCallback 对应调用 postFrameCallbackDelayed
public void postFrameCallbackDelayed(FrameCallback callback, long delayMillis) {
if (callback == null) {
throw new IllegalArgumentException("callback must not be null");
}
//最终调用postCallbackDelayedInternal
postCallbackDelayedInternal(CALLBACK_ANIMATION,
callback, FRAME_CALLBACK_TOKEN, delayMillis);
}
postCallback 相比 postFrameCallback 更加灵活一些。
它们最终都会调用到 postCallbackDelayedInternal 方法：
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;
// 根据任务类型添加到mCallbackQueues中
// VSYNC信号处理任务具有优先级
mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);
if (dueTime <= now) {
//表示立即执行，立即申请VSYNC信号
scheduleFrameLocked(now);
} else {
// 在指定时间运行，最终仍然会调用scheduleFrameLocked
Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
// 到时根据callbackType在mCallbackQueues中查找执行
msg.arg1 = callbackType;
// 消息设置为异步
msg.setAsynchronous(true);
mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);
}
}
}
根据任务类型 callbackType 添加到对应的 CallbackQueue 内，然后判断任务是否有延迟，无延迟则立即执行 scheduleFrameLocked 方法，否则发送定时消息到 FrameHandler，不过其最终还是调用到 scheduleFrameLocked 方法：
private void scheduleFrameLocked(long now) {
//mFrameScheduled默认为false
if (!mFrameScheduled) {
mFrameScheduled = true;
// 判断是否开启VSYNC
if (USE_VSYNC) {
// 判断是否在原线程
if (isRunningOnLooperThreadLocked()) {
//默认会走这里
scheduleVsyncLocked();
} else {
// 否则不在原线程，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);
mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg);
}
} else {
// 如果未开启VSYNC则直接doFrame方法
final long nextFrameTime = Math.max(
mLastFrameTimeNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS + sFrameDelay, now);
Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_FRAME);
msg.setAsynchronous(true);
mHandler.sendMessageAtTime(msg, nextFrameTime);
}
}
}
注意 USE_VSYNC，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。
不过 Android 4.1 之后系统默认开启 VSYNC，还记得在 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。
- 这里注意 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。
通过 FrameDisplayEventReceiver 申请 VSYNC 信号的过程如下：
private void scheduleVsyncLocked() {
// 调用 FrameDisplayEventReceiver 的scheduleVsync
// 实际调用到其父类DisplayEventReceiver
mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();
}
前面我们也有说过，申请 VSYNC 信号实际是在其父类 DisplayEventReceiver。
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信号
nativeScheduleVsync(mReceiverPtr);
}
}
接着看下 VSYNC 信号的接收方法 onVsync，该方法在其子类 FrameDisplayEventReceiver 中重写：
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) {
// 忽略来自非主屏的VSYNC信号
scheduleVsync();
return;
}
// ... 省略
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;
// 发送消息执行doFrame
// 注意this，表示当前Runnable
Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
msg.setAsynchronous(true);
mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
}
@Override
public void run() {
mHavePendingVsync = false;
// 回调这里，执行doFrame方法
doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
}
}
FrameDisplayEventReceiver 实现了 Runnable，将其作为 callback 发送到 FrameHandler，此时 run 方法便得到执行并且执行 doFrame 方法：
void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
final long startNanos;
synchronized (mLock) {
if (!mFrameScheduled) {
// 不是在执行Frame任务直接return
return;
}
// ... 省略
// 预期执行时间
long intendedFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
// 当前时间
startNanos = System.nanoTime();
final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
// 超时时间是否超过一帧的时间
if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
// 计算掉帧数
final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
// 掉帧超过30帧打印Log提示
if (skippedFrames >= SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT) {
// 著名的掉帧Log
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;
}
if (frameTimeNanos < mLastFrameTimeNanos) {
// 未知原因，居然小于最后一帧的时间
// 重新申请VSYNC信号
scheduleVsyncLocked();
return;
}
if (mFPSDivisor > 1) {
long timeSinceVsync = frameTimeNanos - mLastFrameTimeNanos;
if (timeSinceVsync < (mFrameIntervalNanos * mFPSDivisor) && timeSinceVsync > 0) {
scheduleVsyncLocked();
return;
}
}
mFrameInfo.setVsync(intendedFrameTimeNanos, frameTimeNanos);
// Frame标志位恢复
mFrameScheduled = false;
// 记录最后一帧时间
mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
}
try {
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "Choreographer#doFrame");
AnimationUtils.lockAnimationClock(frameTimeNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
mFrameInfo.markInputHandlingStart();
// 先执行CALLBACK_INPUT任务
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
mFrameInfo.markAnimationsStart();
// 再执行CALLBACK_ANIMATION
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();
// 其次执行CALLBACK_TRAVERSAL
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
// API Level 23 之后加入，
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
} finally {
AnimationUtils.unlockAnimationClock();
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
}
}
- 注意第一个 if 语句，不知道大家是否在自己项目的 Logcat 台遇到过这样一条日志：
Skipped （该值>=30） frames! The application may be doing too much work on its main thread
该 Log 用于提示开发人员当前存在耗时的任务导致 UI 绘制掉帧超过 30 帧（≈ 16ms * 30 >= 480ms）。
- 注意看方法的最后，按照类型顺序触发 doCallbacks 回调相关任务。
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
doCallbacks 方法将根据不同的任务类型依次执行其 run 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;
if (callbackType == Choreographer.CALLBACK_COMMIT) {
final long jitterNanos = now - frameTimeNanos;
Trace.traceCounter(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "jitterNanos", (int) jitterNanos);
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 {
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, CALLBACK_TRACE_TITLES[callbackType]);
// 迭代执行所有任务
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;
recycleCallbackLocked(callbacks);
callbacks = next;
} while (callbacks != null);
}
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
}
}
注意遍历 CallbackRecord 链表调用其 run 方法：
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 {
((Runnable)action).run();
}
}
注意 token == FRAME_CALLBACK_TOKEN 表示通过 postFrameCallback 添加的任务。这里就是按照 Callback 类型回调其 run 方法。
回到 ViewRootImpl 发起的绘制任务，此时 View 的绘制流程便开始了。
final class TraversalRunnable implements Runnable{
@Override
public void run(){
// View 的绘制任务开始
doTraversal();
}
}
至此 Choreographer 的工作流程就已经分析清楚了，Choreographer 支持四种类型任务：输入、动画、绘制和提交，并配合系统的 VSYNC 进行刷新、绘制等流程。确实做到了统一协调管理。
下面，再通过一张图来加深对 Choreographer 的工作流程的理解。
正如文章开头介绍 Choreographer 可以配合系统的 VSYNC 信号完成 UI 的绘制任务。那我们便可以通过它来监控应用的帧率，虽然 Choreographer 内部也实现了对掉帧的监控，但是默认只能监控超过 30 帧及以上。
不过通过今天的分析，你是否也可以实现一个任意掉帧数的监控呢？并且可以将其用于线上统计，更好的帮助我们优化应用的渲染性能。
关于 UI 渲染所涉及的内容非常多，文章最后也会附上一些扩展资料，便于更好的学习理解。
文中如有不妥或有更好的分析结果，欢迎您的分享留言或指正。
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