Android framework : UI刷新机制：Vsync and Choreographer
慕课网 剖析framework 笔记
6-1 说说android的UI刷新机制
这个和界面优化有关系，卡顿会影响用户体验，
理解UI刷新机制对解决问题有帮助的
问题：
1，丢帧是什么原因引起的？
2，Android的刷新频率是60帧/s,是每隔16ms就调用onDraw绘制一次？
3，onDraw之后屏幕会马上刷新吗？
4，如果界面没有重绘，还会每隔16ms刷新屏幕嘛》？
5，如果屏幕块刷新时才去onDraw绘制，会丢帧吗?
AP从系统拿到buffer，画完后返回给系统，
系统服务把buffer写到缓冲区，屏幕以一定频率刷新，每次刷新读缓冲区并显示，
如果缓冲区没有新数据，屏幕就一直使用老的数据。
屏幕的图像缓存不只有一个，如果只有一个，一边读一边写，会导致tearing，一般第一帧，一半第二帧，
所以一般有2个或者以上，一直swap就行了
下个问题，AP端什么时候开始绘制
屏幕每次收到vsync就从buffer拿数据显示，
绘制 是AP端发起的，随时可能发起，
所以1st脉冲显示0帧图像，2nd脉冲显示1st帧图像，
第三个时钟周期还是显示1st帧，因为2nd帧还没有画完，没画完不是因为它画的时间长，是因为它画的太晚了，vsync快来才画。
如果这种现象发生的非常频繁，用户就能感觉到，界面非常卡顿。
优化：
如果绘制也和显示一个节奏就行了，
每帧图像的绘制都控制在16ms以内，就行了，
但是有一个问题，AP层的View的重绘调RequestLayout，
这个函数什么时刻都可以调用。，怎么控制它真正绘制的时机？？ ： Choreographer
Android怎么处理的、？关键是一个类：Choreographer，舞蹈指导，
你往里发一个消息，它最快也要下一个vsync来的时候触发，
如，绘制随时发起，封装一个Runnable，丢个Choreographer，下个vsync来，处理这个消息，开始界面重绘。
相当于绘制节奏完全由Choreographer控制，
看看Choreographer的原理：
从requestLayout说起，它我们比较熟，是用来发起UI重绘的，
public void requestLayout(){
...
scheduleTraversals();
}
void scheduleTraversals(){
//它没直接绘制，做了2件事情，
//1，往线程消息队列插了一个syncBarrier
mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
//2，往Choreographer消息队列插了一个callback
mChoreographer.postCallback(Choregrapher.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
.....
}
1，syncBarrier就是一个屏障，把屏障插入消息队列，屏障后面的普通消息就要等着，屏障撤出才可以处理，
但是屏障对异步消息没有作用，这么做的原因：
因为有些类型的消息非常紧急，要马上处理。如果消息队列里面普通消息过多，耽误事，所以插了屏障，优先处理异步消息。
这里往Choreographer丢的Runnnable就是一个异步消息，
下个 Vsync来的时候，异步消息是要紧急处理的。
2，Choreographer，是和ViewRootImpl一起创建的，
创建：
//有getInstance，是单例吗？不是
public static Choreographer getInstance(){
//他是一个ThreadLocal，ThreadLocal
//也就是说在不同的线程调用getInstance返回的是不同的Choreographer对象
return SThreadInstance.get();
}
假如有人一口气调用了10次requestLayout，那么下次vsync到来前，会引发10次UI重绘吗？
不会
void scheduleTraversals(){
//每次判bool变量，是false才进，什么时候置的false？在mTraversalRunnable => doTraversal
if(!mTraversalScheduled){
mTraversalScheduled = true;
mChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
....
}
}
//下次vsync来的时候执行doTraversal，里面会给bool置flase
void doTraservsal(){
if(mTraversalScheduled){
mTraversalScheduled = false;
performTraversals();
}
}
看看这个callback是怎么加入到Choreographer的
private void postCallbackDelayedInternal(int callback Type, ...){
....
//Choreographer里面有一个数组叫mCallBackQueues，数组里每个元素都是一个callback单链表
//一方面要根据callback类型插入对应的单链表
//另一方面要根据callback要执行的时间顺序排序，dueTime，越是马上发生的callback越放到链表的前面
mCallbackQueue[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, ...);
....
scheduleFrameLocked(now);
}
private void scheduleFramelocked(long now){
//如果当前线程就是Choreographer的工作线程，直接调shceduleVsyncLocked
if(isRunningOnLooperThreadLocked()){
scheduleVsyncLocked();
}else{
//否则要发消息到Choreographer的工作线程里面去，
Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC);
//消息是异步消息，不受到屏障的影响，
msg.setAsynchronous(true);
//消息要插入到消息队列的头，非常紧急，
//因为要告诉SF，下一个vsync来时，第一时间通知我们，因为如果错过这个vysnc，就又要等一个周期
mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg);
}
}
scheduleVsyncLocked后会发生什么？
是告诉SF，我们要关注下一个vsync信号了，
当下个vsync信号发生，SF通知我们，然后回调到FrameDisplayEventReciver里面的onVsync()
class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReciver implements Runnable{
@Override
//timestamNanos是vsync信号的时间戳
public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame){
....
mTimestampNanos = timestampNanos;
mFrame = frame;
//这个消息this其实是一个runnable，就是后面的run()
Message msg = Message.obtain(mHandler.this);
mgs.setAsynchronous(true);
//发了一个消息到Choreographer的工作线程里面去了，
//封装一个消息丢出去干嘛？它不是切换工作线程，因为onVsync本身就是调到Choreographer里面的，
//这个mHandler也是，这里发消息丢出去，它带了一个时间戳，表示消息要触发的时间，这样就可以按照时间戳顺序处理消息。
mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos/TimeUils.NANOS_PER_MS);
}
@Overide
public void run(){
//到时间了，消息被处理，就是执行doFrame
doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
}
}
doFrame分两个阶段
//阶段1
//frameTimeNanos是这帧的时间戳
void doFrame(long frameTimeNanos, int frame){
long intendedFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
long startNanos = System.nanoTime();
//当前时间和时间戳间隔越大，这帧处理的延迟越大
final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
//延迟大到超过一个周期，
if(jitterNanos >= mFrameIntervalNanos){
//算算延迟了几个周期
final long skippedFrames = jitterNanos/mFrameIntervalNanos;
//如果跳过的帧数大于这个常量，就会打印这个很熟悉的日志
//主线程做的事情太多了，绘制都做不了，跳帧太多
if(skippedFrames >= SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT){
Log.i(TAG, "Skipped" + skippedFrames + "frames! " + "the appliction may be doing too much work on main thread");
}
.....
}
}
//阶段2，处理callback，
//calback有4中类型，每种对应一个callback链表
void doFrame(long frameTimeNanos， int frame){
....
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
doCallbacks(CHoreographer.CALBACK_ANIMATION, frameTImeNanos);
doCAllbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
doCallBacks(Choreographer.CALLLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);'
}
//执行对应的doCallbacks，
//callback有时间戳，到了时间才执行回调
void doCallbacks(int callbackType, long frameTimeNanos){
CallbackRecord callbacks;
//extractDueCallback作用就是从callbackQueue取出到了时间的callbacks，
callbacks = mCallbackQueues[callbackType].extractDueCallbacksLocked(...);
//for循环执行链表中的callback的run函数
for(CallbackRecode c = callbacks; c != null, c = c.next){
c.run(frameTimeNanos)
}
}
看看scheduleTraversals的时候传的callback是什么样的
//准备绘制，
void scheduleTraversals(){
if(!mTraversalScheduled){
mTraversalScheduled = true;
mChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
....
}
}
//mTraversalRunnable，最后调的就是doTraversal() => performTraversals()
final class TraversalRunnbale implements Runnable{
@Override
public void run(){
doTraversal(); // => performTraversals，真正绘制的地方
}
}
总结：
1，AP层的View调用requestLayout要求重绘，
2，其中是new了一个Runnable丢到Choreographer的消息队列，
3，Choreographer没马上处理消息，它是通过requestNextVsync向SurfaceFlinger请求下一个vSync信号，
4，SF会在下个vsync来的时候，通过postSyncEvent向choreographer发送一个通知，
5，choreographer收到通知之后就会处理消息队列里面的消息
6，之前的requestLayhout对应的Runnable里面执行的就是performTraversal，真正的执行绘制
下面看看scheduleVsync的实现
private void scheduleVsyncLocked(){
//会调到native的DisplayEventReceiver的shceduleVsync函数
mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();
}
status_t NativeDisplayEventReceiver::scheuleVsync(){
status_t status = mReceiver.requestNextVsync();
}
status_t DisplayEventReceiver::requestNextVsync(){
//requestNextVsync，请求下一个vsync，
//mEventConnection对象怎么创建的？在DisplayEventRecevier的构造函数创建的
mEventConnection->requestNextVsync();
}
DisplayEventReceiver::DisplayEventReceiver(){
//拿到SF的binder句柄：ISurfaceComposer
sp sf(ComposerService::getComposerService());
if(sf != NULL){
//得到mEventConnection，这是另外一个binder句柄，
//这种套路很常见，拿到系统服务binder句柄后，要么openSeesion，要么CreateConnection，总之要单独弄一个通道。
mEventConnection = sf->createDisplayEventConnection();
//Channel是connection创建时new的一个BitTube对象
mDataChannel = mEventConnection->getDataChannel();
}
}
sp EventThread::Connection::getDataChannel() const{
return mChannel;
} //这种套路很常见，拿到系统服务binder句柄后，要么openSeesion，要么CreateConnection，总之要单独弄一个通道。
//Channel是connection创建时new的一个BitTube对象
BitTube其实就是两个描述符，通过socketpair创建
mSendFd
mReceiverFd
机制：
和管道有点像，如果有个人拿到了读Fd-ReceiverFd，阻塞在这里，另一个人拿到SendFd 写Fd时，ReceiverFd就会被唤醒。
socketpair(AF_UNIX, SOCK_SEQPACKET, 0, sockets)
看看connection如何创建的
//它的实现在SF进程里面
sp SurfaceFlinger::createDisplayEventConnection(){
//eventThread是一个线程：等待、处理event
return mEventThread->createEventConnection();
}
sp EventThread::createEventConnection() const{
//new Connection and return
return new Connection(const_cast(this));
}
EventThread::Connection::Connection(const sp&eventThread)
//new BitTube
:count(-1), mEventThread(eventThread),mChannel(new BitTube()){}
void EventThread::Connection::onFirstRef(){
//向EventThread注册自己，这样EventThread有event的时候，就可以分发connection，
//connection又调到我们应用进程里面
mEventThread->registerDisplayEventConnection(this);
}
//看看connection是怎么注册到eventThread的
status_t EventThread::registerDisplayEventConnection(const sp & connection){
//把conection add到DisplayEventConnection列表
mDisplayEventConnections.add(connection);
//发广播，类似java的notifyAll，对应的有wait才对，
//wait是在eventThread里面。
mCondition.broadcast(); //notifyAll
}
看看EventThread是在哪里创建的
void SurfaceFlinger::init(){
//vysnc信号源，传给了EventThread
sp vsyncSrc = new DispSyncSource(&mPrimaryDispSync,..);
//创建EventThread
mEventThread = new EventThread(vsyncSrc);
...
}
//thread启动后不停的执行threadLoop
bool EventThread::threadLoop(){
DisplayEventReceiver::Event event;
Vector< spsignalConnections;
//等待事件，返回Connection列表，里面都是event
signalConnections = waitForEvent(&event);
const size_t count = signalConnections.size();
//遍历connection
for(size_t i=0; i & conn(signalConnections[i]);
//通过postEvent分发事件，典型的如vsync事件
conn->postEvent(event);
}
}
看看waitForEvent函数，这个函数很长，细节很多
Vector> EventThread::waitForEvent(..){
Vector>signalConnections;
do{
//看是否已经有vysnc信号来了，(不用关心vysnc怎么来，只关心怎么分发到应用层))
//有，就准备connection列表返回
//没有，等待vysnc
}while(signalConnections.isEmpty());
return signalConnctions;
}
//注意
void EventThread::requestNextVsync(const sp::Connection>&connection){
//connection里面有一个字段count，当count>=0时，才表示connection关注vsyncEvent，
//所以应用端调用requestNextVsync就是把count从-1变成0，
if(connection->count < 0){
connection->count = 0;
mCondition.broadcast();
}
}
当我们把connection加会signalConnections列表时，它有把count设置为-1.
这样你想接受下个vsync，就又要调一次requestNextVsync，把它重新置0
再看看事件如何分发出去
status_t EventThread::Connection::postEvent(const DispplayEeventReceiver::Event& event){
ssize_t size = DIslayEventReceiver::sendEvents(mChannel, &event, 1);
return size < 0 ? statuc_t(size):status_t(NO_ERROR);
}
ssize_t DisplayEventReceiver::sendEvnets(const sp&dataChannel, Event const* events, size_t count){
return BitTube::sendObjects(dataChannel, events, count);
}
ssize_t BitTube::snedObjects(const sp& tube,...){
const char* vaddr = reinterpret_cast(events);
ssize_t size = tube->wiret(vaddr, count *objSize);
return size < 0 ? size:size/static_cast(objSize);
}
BitTube就是socket管道，有两个fb，w/r，write就是写，那读的一端就会收到通知。
BitTube的描述符是在SF端创建的，写的一端是在SF进程，
1，那读的一端是如何传给应用进程的？
2，应用进程如何监听读FD的？
解答他们要看DislayEventRecevier的构造函数
DisplayEventRecevier::DisplayEventRecevier(){
sp sf(ComposerService::getComposerService());
mEventConnection = sf->createDisplayEventConnection();
//得到mDataChannel，它就是BitTube
mDataChannel = mEventConnection->getDataCannel();
}
//看看BitTube如何跨进程传递
//应用端拿到Connection的proxy端，getDataCannel把请求transact出去，
virtual sp getDataChannel() const {
Parcel data, reply;
data.writeInterfaceToken(IDisplayEventConnection::getInterfaceDescriptor());
remote()->trascat(GET_DATA_CHANNEL, data, &reply);
//BitTube根据reply把描述符还原出来，
return new BitTube(reply);
}
//SF收到getDataChannel请求，会返回mChannel，Channel就是bitTube，
//Channel放到parcel，跨进程传递给应用进程，放到reply里面
sp EventThread::Connection::getDataChannel() const{
return mChannel;
}
问题2，AP进程如何监听BitTube读事件？
要从Choreographer的构造函数说起，
private Choreographer(Looper looper){
...
//如果用vsync信号，就会创建DisplayEventReceiver，FrameDisplayEventReceiver继承了DisplayEventReceiver，
mDisplayEventReceiver = new FrameDisplayEventReceiver(looper);
}
public DisplayEventReceiver(Looper looper){
....
//构造函数调到了nativeInit函数，它是native的函数，
mRecevierPtr = nativeInit(new WeakReference(this),...);
}
static jlong nativeInit(JNIEnv* env, jclass clazz, jobject recevierWeak,...){
....
//native层，创建一个NativeDisplayEventReceiver对象
sp recevier = new NativeDisplayEventRecevier(...);
//看看initialize
status_t status = recevier->initialize();
return reinterpret_castgetLooper()->addFd(mRecevier.getFd(), 0, Looper::EVENT_INPUT, this, NULL);
return OK;
}
DisplayEventReceiver::DisplayEventReceiver(){
//拿到SF的binder句柄：ISurfaceComposer
sp sf(ComposerService::getComposerService());
if(sf != NULL){
//得到mEventConnection，这是另外一个binder句柄，
//这种套路很常见，拿到系统服务binder句柄后，要么openSeesion，要么CreateConnection，总之要单独弄一个通道。
mEventConnection = sf->createDisplayEventConnection();
//Channel是connection创建时new的一个BitTube对象
mDataChannel = mEventConnection->getDataChannel();
}
}
int DisplayEventRecevier::getFd() const{
//前面讨论过，DataChannel就是BitTube
return mDataChannel->getFd();
}
//BitTube有两个描述符，发送和接收，这里返回的是接收的，
//发送的Fd在SurfaceFlinger，
int BitTube::getFd() const{
return mReceiveFd;
}
看看getlooer()->addFd，Fd如何添加到looper的，
int Looper::addFd(int fd, int ident, int events, ...){
Request request;
request.fd = fd;
....
//new了epoll_event，加入epoll
struct epoll_event eventItem;
request.initEventItem(&eventItem);
int epollResult = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &eventItem);
//把request加到mRequest列表
mRequests.add(fd, request);
}
看看Looper如何检测FD的读事件
int Looper::pollnner(int timeoutMillis){
...
//epoll_wait返回后在for里处理事件
int eventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems,...);
//有两种事件，
for(int i = 0; i< eventCount; i++){
int fd = eventItems[i].data.fd;
uint32_t epollEvents = eventItems[i].events;
//1,消息队列的事件
if(fb == mWakeEventFd){
...
}else{//2，其他fd事件，
if(epollEvents & EPOLLIN) events |= EVENT_INPUT；
//放到response列表，for结束后，统一处理responses
pushResponse(events, mRequestl.valueAt(requestIndex));
}
}
//统一处理Responses
for(size_t i = 0 ; i < mResponses.size(); i++){
Response& response = mResponsese.editItemAt(i);
int fd = response.request.fd;
intevents = response.evdnts;
void *data = responose.request.data;
//调用callback的handleEvent，返回值很重要，
int callbackResult = response.request.callback->handleEvent(fd, events, data);
if(callbackResult == 0){
//返回0则删除这个fd
removeFd(fd, response.request.seq);
}
response.request.callback.clear();
result = POLL_CALLBACK;
}
return result;
}我们添加的BitTube的Fd的回调是什么？
int NativeDisplayEventRecevier::handleEvent(int receiveFd, int events,...){
//把SF发的event读进来，
if(processPendingEvents(&vsyncTimestamp, &vsyncDisplayId, ...)){
mWaitingForVsync = false;
//分发vysnc，
dispatchVsync(vsyncTimestamp, vsyncDisplayId, vysncCount);
}
//返回1，Fd会一直被Looper监听，不会删除掉。
return 1;
}
void NatvieDisplayEventRecevier::dispatchVsync(nsecs_t timestamp,...){
//jni调用，调到java层的dispatchVysnc
env->CallVoidMethod(recevierObj.get()),gDisplayEventReceiverClassInfo.dispatchVsync, timestamp,...);
}
void displatchVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame){
//前面讲过，是处理Choreographer的callback的
onVysnc(timestampNanos, builtInDisplayId, frame);
}
回到问题：
1，丢帧原因？ mainthread有耗时操作，耽误了View的绘制
2，android的刷新频率是60帧/s，那每隔10ms调onDraw绘制一次？
60是vsync的频率，但不是每个vsync都发起绘制，需要AP端主动发起重绘，才会向SF请求接收Vsync信号，才会再下个vsync来的时候绘制。
3.onDraw后屏幕立刻刷新？ 不是，下一个vsync来的时候花心
4，如果界面没有重绘，还会每隔17ms刷新屏幕？ 会的，只是数据一直用的旧的
5，如果快刷新时才绘制会丢帧吗？
View重绘不会被马上执行，都是下个vsync来才开始的，所以何时发起重绘没什么关系
总结，述说Android的UI刷新机制，如何回答：
1，vsync的原理
2，Choreographer的原理
3，UI刷新的大致流程，应用和SurfaceFlinger的通信过程。