VSync及UI平滑技术

VSync及UI平滑技术

Android4.1中一个很大的改进是UI动画显得更平滑流畅。其中的关键技术就是vsync timing和triple buffer。

1 Android4.1新画图特点

1.1 VSync的作用

上面是一张没有Vsync控制的画图过程：当frame0在屏幕上显示时，frame1先在CPU里准备，再在GPU中render到显示内存，最后在下一个VSYN来到时，把frame1切换到屏幕。由于在Android4.1（JellyBean）之前，所有的绘制画图都是以一种“自由的，松散的”的方式调用，这样开始调用画图的时间不定（就是调用View::onDraw()的时间不定），所以当系统负荷很重时，frame2的onDraw()方法可能很晚才调用，在VSyn信号来时，Frame2还没有准备好，显示只好在显示frame1了。造成画面停顿。

引入VSYN就是解决这个问题。其实显示系统一直是用Vsync来切换图像的，只有在VSync信号下，显示内存的图像才会切换到屏幕。在JellyBean中，VSYNC被引入到上层的View绘图。View::onDraw()保证在VSync来到时被调用。示意图如下：

这样View::onDraw()保证在VSync信号到达时调用，避免的延迟。

其实用VSync只解决了View::onDraw()延时调用的问题。如果CPU或GPU画图的时间超过16ms（两个VSync信号的间隔），那一样会使两个连续的VSync显示一个frame，造成画面停顿。

2 、Android4.1对新UI画图机制的实现

2.1、 VSync信号的传递

2.1.1 、SurfaceFlinger收到Vsync，转发到有画图请求的客户App。
vsync是一个周期产生的信号，它可以由软件模拟产生，也可以图像处理器硬件产生。由图像处理器产生时，图像处理器的驱动会在render图像到屏幕时，产生一个回调，上层软件利用这个回调为下一帧做准备。有关代码在frameworks/native/services/surfaceflinger/DisplayHardware/HWComposer.cpp。

Vsync回调向上传递的第一层是SurfaceFlinger的EventThread::onVSyncReceived()
点击(此处)折叠或打开
void EventThread::onVSyncReceived(int, nsecs_t timestamp) {
Mutex::Autolock _l(mLock);
mVSyncTimestamp = timestamp;
mCondition.broadcast();
}
这个函数唤醒EventThread::threadLoop()，这个函数检查displayEventConnections中的count是否大于0，大于0表示这个
connection有画图的请求。有绘图请求的connection就调用
点击(此处)折叠或打开
status_t err = conn->postEvent(vsync);

通知对应的connection对端VSYNC到，可以绘制了。
注意每一个需要绘图的vsync都是一个vsync event
点击(此处)折叠或打开
// dispatch vsync events to listeners…
vsync.header.type = DisplayEventReceiver::DISPLAY_EVENT_VSYNC;
vsync.header.timestamp = timestamp;
vsync.vsync.count = mDeliveredEvents;
它们共享一个时间戳。这样使所有的绘图基于一个基点。

2.1.2、应用端的接受和处理
画图App用readLastVsyncMessage()接受VSYNC，通过下面的路径传递到用户的画图回调代码:

1)NativeDisplayEventReceiver::handleEvent()
2)dispatchVsync (DisplayEventReceiver.java)
3)FrameDisplayEventReceiver::onVsync(Choreographer.java)
4)FrameDisplayEventReceiver::doFrame()调用下面三个函数：
4.1)doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
4.2)doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
4.3)doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos)
三个队列里的画图操作被调用后。这些操作就从队列中删除。

3 UI绘制卡顿检测原理

android4.1起，Choreographer#FrameDisplayEventReceiver类用来接收VSYNC信号。onVsync中第一个参数表示VSync信号时间，timestampNanos表示应该开始准备绘制一帧数据。如果手机出现卡顿，onVsync函数会在timestampNanos+delayTime才会接受到VSync信号。

private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver
            implements Runnable {
        public FrameDisplayEventReceiver(Looper looper) {
            super(looper);
        }

        @Override
        public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame){
        if (builtInDisplayId != SurfaceControl.BUILT_IN_DISPLAY_ID_MAIN) {
                Log.d(TAG, "Received vsync from secondary display, but we don't support "
                        + "this case yet.  Choreographer needs a way to explicitly request "
                        + "vsync for a specific display to ensure it doesn't lose track "
                        + "of its scheduled vsync.");
                scheduleVsync();
                return;
            }
     }

}

如果onVsync函数被调用时间比Vsync时间延迟时间超过一定时间（假设15帧个Vsync时间间隔），则判定当前UI绘制出现卡顿。很有可能因为UI绘制一帧时间大于1000/60 ms。

 try {
            mFrameIntervalNanos = (Long) Choreographer.class.getDeclaredField("mFrameIntervalNanos").get(Choreographer.getInstance());
        } catch (Exception e) {
            mFrameIntervalNanos = 1000000000 / 60;
        }
        mTolerableSkippedNanos = 15 * mFrameIntervalNanos;

        long startNanos = System.nanoTime();
        jitterNanos = startNanos - timestampNanos;
        if (jitterNanos >= mTolerableSkippedNanos) {
            final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
            Log.i(TAG, "main thread skip " + skippedFrames + "frames");
        }