Android 屏幕刷新机制：ViewRootImpl、Choreographer、Surface、SurfaceFlinger关系

前面有学习了Android绘制的三大流程：merge、layout、draw，但是一直都没有搞清楚绘制到显示的整体流程。借此机会，记录下自己学习过程。

我们都知道，一次完整的录制时都是从ViewRootImpl的scheduleTraversals()开始，即使调用invalidate()也是如此。

scheduleTraversals

 // ViewRootImpl.java
 void scheduleTraversals() {
        // mTraversalScheduled阻止了多次调用
        if (!mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = true;
            // 加入同步屏障
            mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
            // 加入一个callback到mChoreographer
            mChoreographer.postCallback(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
            if (!mUnbufferedInputDispatch) {
                scheduleConsumeBatchedInput();
            }
            notifyRendererOfFramePending();
            pokeDrawLockIfNeeded();
        }
    }

可以看到scheduleTraversals()主要做了两件事：

1. 往当前线程的Loop加入同步屏障
2. 封装了一个mTraversalRunnable加入到mChoreographer

这里就引申出来三个问题：

1. mTraversalRunnable是什么？
2. mChoreographer是什么？
3. 同步屏障是什么?有什么用？

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mTraversableRunnable

其实TraversableRunnable分装着就是measure、layout、draw三大流程。

// ViewRootImpl
final class TraversalRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        doTraversal();
    }
}

void doTraversal() {
    if (mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = false;
        // 移除同步屏障
        mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
        performTraversals();
    }
}

private void performTraversals() {
    final View host = mView;
	performMeasure(childWidthMeasureSpec, childHeightMeasureSpec);
	performLayout(lp, mWidth, mHeight);
    performDraw();
}

可见，TraversalRunnable就是一个Runnable，里面做了两件事情：

1. 移除同步屏障
2. 开始真正的绘制流程。

总结而言就是一个图：

那上面我们知道，Choreographer加入了TraversalRunnable，那什么时候去执行TraversalRunnable呢？

Choreographer

Choreographer 翻译为编舞者，负责从显示系统接收脉冲信号，编排渲染下一帧的绘制工作，负责获取Vsync同步信号并控制UI线程完成图像绘制的类。

怎么理解这一句话呢？

一次完整的绘制，是需要CPU、GPU和显示设备的配合，但是三者是一个并行运作的状态，那怎么相互协调呢？所以引进了VSync信号机制：每16ms，硬件（或者软件）会发出一个VSync信号，CPU接收到这个信号，开始了一次绘制流程。再下一次VSync信号到来之时，Display就可以直接显示第一帧，CPU也开始绘制第二帧。就这样循环下去。

也就是说CPU和GPU必须要在这一次的VSync信号发生和下一次VSync信号到来之前要准备好这一帧的数据，否则就发生了掉帧的现象了。

可以看下图，大致可以了解VSync信号机制：

Choreographer怎么跟Vsync信号机制相挂钩呢？

Choreographer负责订阅Vsync信号和收到Vsycn信号时候，负责去开始一次绘制，具体我们可以看下源码：

我们从上面的ViewRootImpl将mTraversalRunnable封装加入mChoreographer中入手：

// ViewRootImpl
mChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);

// Choreographer
public void postCallback(int callbackType, Runnable action, Object token) {
    postCallbackDelayed(callbackType, action, token, 0);
}
private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType, Object action, Object token, long delayMillis) {
    synchronized (mLock) {
        final long now = SystemClock.uptimeMillis();
        final long dueTime = now + delayMillis;
        // 加入mCallbackQueues
        mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);
		
		// 这里的delayMills为0，所以会走到scheduleFrameLocked()
        if (dueTime <= now) { 
            scheduleFrameLocked(now);
        }
        ...
    }
}
private void scheduleFrameLocked(long now) {
    if (!mFrameScheduled) {
        mFrameScheduled = true;
        ...
        // 判断当前thread是否运行loop，这个后续会讲到
        if (isRunningOnLooperThreadLocked()) {
            scheduleVsyncLocked();
        }
   }
}
private void scheduleVsyncLocked() {
    // 注册订阅了vsync信号
    mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();
}
// DisplayEventReceiver
public void scheduleVsync() {
    ...
    // 注册订阅了vsync信号
    nativeScheduleVsync(mReceiverPtr);
}
private static native void nativeScheduleVsync(long receiverPtr);

可以看到主要是两个动作：

1. mCallbackQueues加入了Runnable
2. 从jni层注册了Vsync信号

那什么时候会收到Vsync信号回来呢？

在DisplayEventReceiver的disjpatchVsync()方法可以看到，该方法是jni层调用的

// DisplayEventReceiver，由jni调用
private void dispatchVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
    onVsync(timestampNanos, builtInDisplayId, frame);
}

//Choreographer内部类DisplayEventReceiver，重写了onVsync方法
@Override
public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
	mTimestampNanos = timestampNanos;
    mFrame = frame;
    Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
    // 设置成异步消息
    msg.setAsynchronous(true);
    mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
}

public void run() {
    mHavePendingVsync = false;
    doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
}

这里可以看到，其实mHandler就是当前主线程的handler，当接收到onVsync信号的时候，将自己封装到Message中，等到Looper处理，最后Looper处理消息的时候就会调用run方法，这里是Handler的机制，不做解释。

在run方法中，调用了doFrame()方法：

// Choreographer
void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
	...
	doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
}
void doCallbacks(int callbackType, long frameTimeNanos) {
    CallbackRecord callbacks;
    // 从mCallbackQueues取出
    callbacks = mCallbackQueues[callbackType].extractDueCallbacksLocked(
                    now / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
    for (CallbackRecord c = callbacks; c != null; c = c.next) {
         c.run(frameTimeNanos);
    }
}
// CallbackRecord
public void run(long frameTimeNanos) {
    if (token == FRAME_CALLBACK_TOKEN) {
        ((FrameCallback)action).doFrame(frameTimeNanos);
    } else {
        // 这里也即是调用了TraservalRunnable的run方法，也即是三个绘制流程
        ((Runnable)action).run();
    }
}    

可见当vsync信号来临的时候，主要做了两件事情

1. 从mCallbackQueues取出callback
2. 执行callback，这里最后会执行到TraservalRunnable的三大绘制流程

这里是不是说，Choreographer是不是只要注册一次以后，都可以收到Vsync信号呢？

其实不是的，Vsync信号需要每次都去注册，而且只能接收到一次。这样能保证在不需要重新绘制的情况下，Choreographer也就不需要接收信号，就不会去注册Vsync信号。

Choreographer在哪里初始化的？

以上介绍了Choreographer是如何发挥作用的，但是Choregrapher是在哪里初始化的？

 // Choreographer
 public static Choreographer getInstance() {
    return sThreadInstance.get();
 }
 
 private static final ThreadLocal<Choreographer> sThreadInstance =
            new ThreadLocal<Choreographer>() {
        @Override
        protected Choreographer initialValue() {
            Looper looper = Looper.myLooper();
            if (looper == null) {
                throw new IllegalStateException("The current thread must have a looper!");
            }
            Choreographer choreographer = new Choreographer(looper, VSYNC_SOURCE_APP);
            if (looper == Looper.getMainLooper()) {
                mMainInstance = choreographer;
            }
            return choreographer;
        }
};

由上面的代码可以看到：Choreographer存在于Looper的线程的ThreadLocal中，每个looper的线程可能都有一个Choreographer。

而且在ViewRootImpl中可以看到他的身影，这部分不继续介绍了。

同步屏障

上面出现了三个东西关于同步屏障：
1. 加入同步屏障
mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();

2. 移除同步屏障
mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);

3. 设置成异步消息
Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
msg.setAsynchronous(true);

同步屏障：

顾名思义就是在阻止同步消息的运行，而异步消息可以直接运行。而我们日常使用的Message都是同步消息。

这得从Handler的机制说起，在MessageQueue中有一个消息链表，类似下图，我们的Message会根据执行时间排序，在next()方法依次取出下一个需要执行的Message，如果加入了同步屏障，则会滤过同步消息，直接取异步消息执行，直到屏障被移除掉。

** 为什么要这么做呢？**

原因是确保异步消息尽可能快的被执行，在这里是确保mTraversalRunnable优先被执行。

Surface 简单了解

以上只是介绍了绘制流程怎么跟VSync信号相结合，但是并没有说到绘制流程怎么显示到显示器中，这个涉及到Surface的概念，这部分我只是了解了一部分。

surface 存在于ViewRootImpl中

// ViewRootImpl
public final Surface mSurface = new Surface();
// Surface
public Surface() {}

但是，Surface 还没真正的初始化，这里并没有这么简单，他是连接显示系统的关键，真正的初始化在WMS中，在Acitivity中有讲到窗口机制，在WMS创建对应的Surface，再映射到ViewRootImpl的Surface中。ViewRoot对Surface绘制，WMS对Surface初始化及操作。

而在ViewRootImpl中draw方法中会调用drawSoftware，内部实际上是对Surface的canvas的绘制

private boolean drawSoftware(Surface surface, AttachInfo attachInfo, int xoff, int yoff,
            boolean scalingRequired, Rect dirty, Rect surfaceInsets) {
	...
	canvas = mSurface.lockCanvas(dirty);
	...
	mView.draw(canvas);
    ...
    surface.unlockCanvasAndPost(canvas);
}

以上大致是，ViewRootImpl会绘制操作到Surface，而Surface是跟WMS共享的，

SurfaceFinger 简单了解

SurfaceFlinger是运行在一个独立的进程，由init进程启动。

WMS在创建Surface的时候会通过SurfaceSession中间会话层去请求SurfaceFlinger去创建的对应的Layer

SurfaceFlinger 会维持Layer的Z轴序列，并对Layer最终计算输出

对于SurfaceFlinger太复杂了，后面需要去更多的了解。

Choreographer 做帧率检测

        Choreographer.getInstance().postFrameCallback(new Choreographer.FrameCallback() {
            @Override
            public void doFrame(long frameTimeNanos) {
                checkFramesInternal(frameTimeNanos);
                Choreographer.getInstance().postFrameCallback(this);
            }
        });

参考

http://gityuan.com/2017/02/25/choreographer/
https://www.jianshu.com/p/75139692b8e6
https://blog.csdn.net/windskier/article/details/7041610