扒一扒安卓渲染原理

导语：
在测试流畅度的过程中，必不可免的要与FPS，Jank等指标接触，但为了加深理解，今天来简单扒一扒安卓的渲染原理；
PerfDog使用Jank作为来代表游戏流畅度的指标，详情可以看
APP&游戏需要关注Jank卡顿吗？

一.CPU与GPU结构

现在大部分移动端都会配有CPU（中央处理器）和GPU（图形处理器），有的现在还有一块NPU用于处理智能运算。来简单看一下他们的结构；

 

绿色的是计算单元(ALU)，
橙红色的是存储单元，
橙黄色的是控制单元。
CPU需要很强的通用性来处理各种不同的数据类型，同时又要进行复杂的数学和逻辑运算，所以使得CPU的内部结构异常复杂；
CPU被Cache占据了大量空间，还有很多复杂的控制逻辑和诸多优化电路，其实计算能力只是CPU很小的一部分，在早期的时候，CPU除了做逻辑计算外，还负责内存管理、图形显示等操作因此在实际运算的时候性能会大打折扣，而且还不能显示复杂的图形，完全不能满足现在3D游戏的要求；所以GPU应运而生。
GPU面对的则是类型高度统一的、相互无依赖的大规模数据和不需要被打断的纯净的计算环境，所以结构也大不相同。
GPU采用了数量众多的计算单元和超长的流水线，但只有非常简单的控制逻辑并省去了Cache，GPU将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，主要负责图形显示部分的工作。

 

二.Android系统绘图机制

 

 

现在的安卓终端通常在一个典型显示系统中首先由CPU发出图像绘制指令要让GPU去画一个样式，但CPU不能直接和GPU通信，也要遵守相应的规则，就和现在我们干什么事都要走个流程一样的嘛，不能乱套；所以CPU要先向OpenGL ES发送一些指令，表达要画一个样式，Opengl ES是一组接口API，**通过这些API可以操作驱动，让GPU达到各种各样的操作；GPU接收到这些命令，开始栅格化处理，把样式显示到屏幕中；

 

现在我们把应用加到显示流程里面来

 

在Android应用层通过LayoutInflater把布局XML文件映射成对象加载到内存中，此时这个UI对象含有大小，位置啦等等信息。然后CPU从内存中取出这个UI对象，再经过运算处理成多维的矢量图形，然后交给GPU去栅格化成位图，显示到屏幕上；
简单介绍一下矢量图和位图
矢量图：由一个函数来描述，这个函数描述了此图如何生成
位图：由像素点矩阵来描述

 

Android系统每隔16ms就重新绘制一次Activity，所以要求应用必须在16ms内完成屏幕刷新的全部逻辑操作，这样才能达到每秒60帧（60FPS），然而这个每秒帧数的参数由手机硬件所决定，现在大多数手机屏幕刷新率是60赫兹（是每秒中的周期性变动重复次数的计量），如果超过了16ms就会出现所谓的丢帧（1000ms/60=16.66ms）

三.一帧图像完整渲染过程

 

 

在Android应用程序窗口里面包含了很多视图（View）元素，这些元素是以树形结构来组织，最终构成所谓视图树的结构；
在绘制一个Android应用程序窗口的UI之前，要确定它里面的各个子View元素在父元素里面的大小以及位置。确定各个子View元素在父View元素里面的大小以及位置的过程又称为测量过程和布局过程。Android应用程序窗口的UI渲染过程可以分为
Measure（测量）、Layout（布局）和Draw（绘制）
三个阶段（由ViewRootImpl类的performTraversals()方法发起）

 

测量——递归（深度优先）确定所有视图的大小（高、宽）
布局——递归（深度优先）确定所有视图的位置
绘制——在画布canvas上绘制应用程序窗口所有的视图

经过多次绘制后，这一帧内要显示的所有view都已经被绘制完毕，注意绘制View层次结构这些操作是在图形缓冲区中绘制完成的；
此时就要把这个图形缓冲区被交给SurfaceFlinger服务

SurfaceFlinger服务概述：

 

SurfaceFlinger服务和其他系统服务一样是在Android系统的System进程里被启动并运行在其中的，主要负责统一管理设备中Android系统的帧缓冲区（Frame Buffer，简单理解为屏幕所显示出来的所有图形效果都是由它统一管理的），在SurfaceFlinger服务启动的过程中会自动创建两个线程：其中一个线程用于监控控制台事件，另外一个线程则用于渲染系统的UI；
Android应用程序为了能够将自己的UI绘制在系统的帧缓冲区上，就需要将UI数据传递SurfaceFlinger服务并告知自己具体的UI数据（例如要绘制UI的区域、位置等信息），
Android应用程序与SurfaceFlinger服务是运行在不同的进程中，所以相互间通过Binder机制进行通信，
大致可以分为3步：
1.首先是创建一个到SurfaceFlinger服务的连接，
2通过这个连接来创建一个Surface，
3.请求SurfaceFlinger服务渲染该Surface（在Android应用的每个窗口对应一个画布（Canvas），也可以理解为Android应用程序的一个窗口）
在APP层我们对于这部分的无法进行任何的优化，这是ROOM做的工作。

 

简单来说就是当Android应用层在图形缓冲区中绘制好View层次结构后，应用层通过Binder机制与SurfaceFlinger通信并借助一块匿名共享内存会把这个图形缓冲区会被交给SurfaceFlinger服务。因为单纯的匿名共享内存在传递多个窗口数据时缺乏有效的管理，所以匿名共享内存就被抽象为一个更上流的数据结构SharedClient，在每个SharedClient中，最多有31个SharedBufferStack，每个SharedBufferStack都对应一个Surface即一个窗口。

帧缓存有个地址，是在内存里。我们通过不停的向frame buffer中写入数据， 显示控制器就自动的从frame buffer中取数据并显示出来。全部的图形都共享内存中同一个帧缓存。

四.VSync机制

为了减少卡顿，Android 4.1(JB)中已经开始引入VSync（垂直同步）机制
简单来说就是CPU/GPU会接收vsync信号，Android系统每隔16ms发出Vsync信号，触发对UI 进行渲染（即每16ms显示一帧）
在16ms内需要完成两项任务：将UI 对象转换为一系列多边形和纹理（栅格化）和CPU传递处理数据到GPU。
但即使引入垂直同步机制也不是非常完美，如果某些原因导致CPU和GPU渲染某一帧画面的时间超过16ms时，Vsync垂直同步机制会让硬件显示器等待，直到GPU完成栅格化操作，这就直接导致这一帧画面多停留了16ms甚至更长时间，让用户看起来画面停顿。