Android应用性能优化实践

监测GPU（GPU Profiling）

在Android Studio 1.4中的一个全新工具，就是可以查看GPU绘制。

每一条线意味着一帧被绘制出来，而每条线中的不同颜色又代表着在绘制过程中的不同阶段：

• Draw (蓝色) 代表着View#onDraw()方法。在这个环节会创建/刷新DisplayList中的对象，这些对象在后面会被转换成GPU可以明白的OpenGL命令。而这个值比较高可能是因为view比较复杂，需要更多的时间去创建他们的display list，或者是因为有太多的view在很短的时间内被创建。
• Prepare (紫色) – 在Lollipop版本中，一个新的线程被加入到了UI线程中来帮助UI的绘制。这个线程叫作RenderThread。它负责转换display list到OpenGL命令并且送至GPU。在这过程中，UI线程可以继续开始处理后面的帧。而在UI线程将所有资源传递给RenderThread过程中所消耗的时间，就是紫色阶段所消耗的时间。如果在这过程中有很多的资源都要进行传递，display list会变得过多过于沉重，从而导致在这一阶段过长的耗时。
• Process (红色) – 执行Display list中的内容并创建OpenGL命令。如果有过多或者过于复杂的display list需要执行的话，那么这阶段会消耗较长的时间，因为这样的话会有很多的view被重绘。而重绘往往发生在界面的刷新或是被移动出了被覆盖的区域。https://www.wang1314.com/doc/topic-5914443-1.html
• Execute (黄色) – 发送OpenGL命令到GPU。这个阶段是一个阻塞调用，因为CPU在这里只会发送一个含有一些OpenGL命令的缓冲区给GPU，并且等待GPU返回空的缓冲区以便再次传递下一帧的OpenGL命令。而这些缓冲区的总量是一定的，如果GPU太过于繁忙，那么CPU则会去等待下一个空缓冲区。所以，如果我们看到这一阶段耗时比较长，那可能是因为GPU过于繁忙的绘制UI，而造成这个的原因则可能是在短时间内绘制了过于复杂的view。

在Marshmallow版本中，有更多的颜色被加了进来，例如Measure/Layout阶段，input handling输入处理，以及一些其他的：

在使用这些功能之前，你需要在开发者选项中开启GPU rendering(GPU呈现模式分析)：

接下来我们就可以通过以下这条adb命令得到我们想要得到的所有信息：

adb shell dumpsys gfxinfo  

我们可以自己收集这些信息并创建图表。这个命令也会打印出一些其他有用的信息，例如view层级中的层数，display lists的大小等等。在Marshmallow中，我们也会得到更多的信息：

如果我们需要自动化测试我们的App，那么我们可以自己创建服务器去运行在特定节点执行这些命令（如列表滚动，重度动画等），并观察这些数值的变动。这可以帮助我们找出在哪里出现了性能的下降，并且产品上线之前找到问题的所在。我们也能够通过”framestats”关键字来找到更多更加精确的数据，这里有更详尽的解释。

但这可不是获取GPU Rendering数据的唯一方式！

我们在开发者选项中看过了GPU呈现模式分析内的Profile GPU Rendering”选项后，还有另外一个选项就是”On screen as bars”（在屏幕上显示为条形图）。打开这个后，我们就可以直观的看到每一帧在绘制过程中所消耗的时间，绿色的横线则代表16ms的60fps零界值。

在右边的例子中，我们可以看到很多帧都超出了绿线，这也意味着它花了多余16毫秒的时间去绘制。而蓝色占据了这些线条的主体，我们知道这可能是因为过多或是过于复杂的view在被绘制。在这种情况下，当我滑动列表，因为列表中view的结构比较复杂，有一些view已经被绘制完成而一些因为过于复杂还处于绘制阶段，而这可能就是造成这些帧超过绿线的原因——绘制起来实在太复杂了。

Hierarchy Viewer

我非常喜欢这个工具，同时也因为那么多人完全不用而感到一丝的悲凉。

使用Hierarchy Viewer，我们可以获得性能数据，观察View层级中的每一个View，并且可以看到所有View的属性。我们同样可以导出theme数据，这样可以看到每一个style中的属性值，但是我们只能在单独运行Hierarchy Viewer的时候才能这么干，而非通过Android Monitor。通常在我进行布局设计以及布局优化的时候，我会使用到这个工具。

在正中间我们看到的树状结构就代表了View的层级。View的层级可以很宽，但如果太宽的话（10层左右），也许会在布局和测量阶段消耗大量的性能。在每一次View通过View#onMeasure()方法测量的时候，或是通过View#onLayout()方法布局他的所有子view的时候，这些方法又回传递到它所有的子view上面并且重头来过。有的布局会将上述步骤做两次，例如RelativeLayout以及某些通过配置的LinearLayout，而如果它们又层层嵌套，那么这些方法的传递会大量的增加。

在右下方，我们看到了一个我们布局的“蓝图”，标注了每一个view的位置。当我们点击这里（或者从树状结构中），我们会在左侧看到他所有的属性。在设计布局时候，有时候我不确定为什么一个view被摆在那里，而使用这个工具，我可以在树状图中找到这个view，选择，并观察他在预览窗口中的位置。我还通过view在屏幕上最终的绘制尺寸，来设计有趣的动画，并且使用这些信息让动画或者View的位置更加的精准。我也可以通过这个工具来寻找被其他View不小心盖住从而找不到的View，等等等等。

对于每一个view我们可以获得他测量、布局以及绘制的用是和它所包含的所有子view。在这里颜色代表了这个view在绘制过程中，相比树中其他view的性能表现，这是我们找到这些性能不足view的最佳途径。鉴于我们能够看到所有view的预览，我们可以沿着树状图，跟随view被创建的顺序，找寻那些可以被舍弃的多余步骤。而其中之一，也是对性能影响非常大的，就是过度绘制。https://www.wang1314.com/doc/topic-5914217-1.html

过度绘制

正如我们在GPU Profiling部分看到的，在Execute黄色阶段，如果GPU有过多的东西要在屏幕上绘制，整个阶段会消耗更多的时间，同事也增加了每一帧所消耗的时间。过度绘制往往发生在我们需要在一个东西上面绘制另外一个东西，例如在一个红色的背景上画一个黄色的按钮。那么GPU就需要先画出红色背景，再在他上面绘制黄色按钮，此时过度绘制就是不可避免的了。如果我们有太多层需要绘制，那么则会过度的占用GPU导致我们每帧消耗的时间超过16毫秒。

使用“Debug GPU Overdraw”（调试过度绘制）功能，所有的过度绘制会以不同颜色的形式展示在屏幕上。1x或是2x的过度绘制没啥问题，即便是一小块浅红色区域也不算太坏，但如果我们看到太多的红色区域在屏幕上，那可能就有问题了，让我们来看几个例子：

在左边的例子中，我们看到列表部分是绿色的，通常还OK，但是在上方发生覆盖的区域是一片红色，那就有问题了。在右边的例子中，整个列表都是浅红色。在两个例子中，都各有一个不透明的列表存在2x或3x的过度绘制。这些过度绘制可能发生在我们给Activity或Fragment设置了全屏的背景，同时又给ListView以及ListView的条目设置了背景色。而通过只设置一次背景色即可解决这样的问题。

注意：默认的主题会为你指定一个默认的全屏背景色，如果你的activity又一个不透平的背景盖住了默认的背景色，那么你可以移除主题默认的背景色，这样也会移除一层的过度绘制。这可以通过配置主题配置或是通过代码的方法，在onCreate()方法中调用getWindow().setBackgroundDrawable(null)方法来实现。

而使用Hierarchy Viewer，你可以导出一个所有view层级的PSD文件，在Photoshop中打开，并且调查不同的layout以及不同的层级，也能够发现一些在布局中存在的过度绘制。而使用这些信息可以移除不必要的过度绘制。而且，不要看到绿色就满足了，冲着蓝色去！

透明度

使用透明度可能会影响性能，但是要去理解为什么，让我们瞅瞅当我们给view设置透明度的时候到底发生了什么。我们来看一下下面这个布局：

我们看到这个layout中又三个ImageView并且重叠摆放。在使用最常规的设置透明度的方法setAlpha()时，方法会传递到没一个子view上面，在这里是每一个ImageView。而后，这些ImageView会携带新的透明值被绘制入帧缓冲区。而结果就是：

这并不是我们想要看到的结果。

因为每一个ImageView都被赋予了一个透明值，导致了本应覆盖的部分被融合在一起。幸运的是，系统为我们解决了这个问题。布局会被复制到一个非屏幕区域缓冲区中，并且以一个整体来接收透明度，其结果再被复制到帧缓冲区。结果就是：

但是，我们是要付出性能上面的代价的。

假如在帧缓冲区内绘制之前，还要在off-screen缓冲区中绘制一遍的话，相当于增加了一层不可见的绘制层。而系统并不知道我们是希望这个透明度以何种的形式去展现，所以系统通常会采用相对复杂的一种。但是也有很多设置透明度的方法能够避免在off-screen缓冲区中的复杂操作：

• TextView – 使用setTextColor()方法替代setAlpha()。这种方法使用Alpha通道来改变字色，字也会直接使用它进行绘制。www.0515renliu.com
• ImageView – 使用setImageAlpha()方法替代setAlpha()。原理同上。
• 自定义控件 – 如果你的自定义控件并不支持相互覆盖，那就无所谓了。所有的子view并不会想上面的例子中一样，因为覆盖而相互融合。而通过复写hasOverlappingRendering()并将其返回false后，便会通知系统使用最直接的方式绘制view。同时我们也可以通过复写onSetAlpha()返回true来手动操控设置透明度后的逻辑。

硬件加速

在Honeycomb版本中引入了硬件加速（Hardware Accleration）后，我们的应用在绘制的时候就有了全新的绘制模型。它引入了DisplayList结构，用来记录View的绘制命令，以便更快的进行渲染。但还有一些很好的功能开发者们往往会忽略或者使用不当——View layers。

使用View layers（硬件层），我们可以将view渲染入一个非屏幕区域缓冲区（off-screen buffer，前面透明度部分提到过），并且根据我们的需求来操控它。这个功能主要是针对动画，因为它能让复杂的动画效果更加的流畅。而不使用硬件层的话，View会在动画属性（例如coordinate, scale, alpha值等）改变之后进行一次刷新。而对于相对复杂的view，这一次刷新又会连带它所有的子view进行刷新，并各自重新绘制，相当的耗费性能。使用View layers，通过调用硬件层，GPU直接为我们的view创建一个结构，并且不会造成view的刷新。而我们可以在避免刷新的情况下对这个结构进行进行很多种的操作，例如x/y位置变换，旋转，透明度等等。总之，这意味着我们可以对一个让一个复杂view执行动画的同时，又不会刷新！这会让动画看起来更加的流畅。下面这段代码我们该如何操作：

// Using the Object animator
view.setLayerType(View.LAYER_TYPE_HARDWARE, null);
ObjectAnimator objectAnimator = ObjectAnimator.ofFloat(view, View.TRANSLATION_X, 20f);
objectAnimator.addListener(new AnimatorListenerAdapter() {
    @Override
    public void onAnimationEnd(Animator animation) {
        view.setLayerType(View.LAYER_TYPE_NONE, null);
    }
});
objectAnimator.start();
 
// Using the Property animator
view.animate().translationX(20f).withLayer().start();

很简单，对吧？

是的，但是再使用硬件layers的时候还是有几点要牢记在心：

• 回收 – 硬件层会占用GPU中的一块内存。只在必要的时候使用他们，比如动画，并且事后注意回收。例如在上面ObjectAnimator的例子中，我们增加了一个动画结束监听以便在动画结束后可以移除硬件层。而在Property animator的例子中，我们使用了withLayers()，这会在动画开始时候自动创建硬件层并且在结束的时候自动移除。
• 如果你在调用了硬件View layers后改变了View，那么会造成硬件硬件层的刷新并且再次重头渲染一遍view到非屏幕区域缓存中。这种情况通常发生在我们使用了硬件层暂时还不支持的属性（目前为止，硬件层只针对以下几种属性做了优化：otation、scale、x/y、translation、pivot和alpha）。例如，如果你另一个view执行动画，并且使用硬件层，在屏幕滑动他们的同时改变他的背景颜色，这就会造成硬件层的持续刷新。而以硬件层的持续刷新所造成的性能消耗来说，可能让它在这里的使用变得并不那么值。

而对于第二个问题，我们也有一个可视化的办法来观察硬件层更新。使用开发者选项中的“Show hardware layers updates”（显示硬件层更新）

当打开该选项后，View会在硬件层刷新的时候闪烁绿色。在很久以前我有一个ViewPager在滑动的时候有点不流畅。在开发者模式启动这个选项后，我再次滑动ViewPager，发现了如下情况：

左右两页在滑动的时候完全变成了绿色！

这意味着他们在创建的时候使用了硬件层，而且在滑动的时候也界面也进行了刷新。而当我在背景上面使用时差效果并且让条目有一个动画效果的时候，这些处理确实会让它进行刷新，但是我并没有对ViewPager启动硬件层。在阅读了ViewPager的源码后，我发现了在滑动的时候会自动为左右两页启动一个硬件层，并且在滑动结束后移除掉。

在两页间滑动的时候创建硬件层也是可以理解的，但对我来说小有不幸。通常来讲加入硬件层是为了让ViewPager的滑动更加流畅，毕竟它们相对复杂。但这不是我的app所想要的，我不得不通过一些编码来移除硬件层。

硬件层其实并不是什么酷炫的东西。重要的是我们要理解他的原理并且合理的使用他们，要不然你确实会遇到一些麻烦。

DIY

在准备上述这一系列例子的过程中，我进行了很多的编码去模拟这些情景。你可以在这个Github项目中找到这些代码，同时也可以在Google Play中找到。我用不同的Activity区分了不同的情景，并且尽量将他们的用文档解释清楚，以便于帮助大家理解不同的Activity中是出现哪种问题。大家可以边阅读各个Activity的javadoc的同时，利用我们前面讲到的工具去玩儿这个App。

更多信息

随着安卓系统的不断进化，你优化你的应用的手段也在不断变多。很多全新的工具被引入到了SDK中，以及一些新的特性被加入到了系统中（好比硬件层这东西）。所以与时俱进和懂得取舍是非常重要的。

这是一个非常棒的油管播放列表，叫Android Performance Patterns，一些谷歌出品的短视频，讲解了很多与性能相关的话题。你可以找到不同数据结构之间的对比（HashMap vs ArrayMap），Bitmap的优化，网络优化等等，吐血推荐！

加入Android Performance Patterns的G+社群，和大家一起讨论，分享心得，提出问题！

更多有意思的链接：

• 了解安卓中的图形结构（Graphics Architecture）。例如关于UI的渲染，不同的系统组件，比如SurfaceFlinger，以及他们之间是如何交互的。比较长，但是值得一看！
• Google I/O 2012上的一段演讲，展示了绘制模型（Drawing model）是如何工作的。
• 一段来自Devoxx 2013的关于Anrdroid性能的研讨，展示了一些在Anrdroid 4.4对绘制模型的一些优化，并且通过demo的形式展示了对不同优化工具的使用（Systrace，Overdraw等等）。
• 一篇非常好的关于“预防性优化”（Preventative Optimizations）的文章，阐述了他和“不成熟的优化”有和区别。很多的开发者并不优化他们的代码，因为他们认为这些影响并不明显。但是记住，问题也是积少成多的。如果你有机会去优化很小的一点，即便是非常微不足道的一点，也是应该的。
• 安卓中的内存管理 – 一个2011年的Google IO视频，仍然值得一看。视频展示了安卓是如何管理不同app的内存的，以及如何使用Eclipse MAT去发现问题。
• 一个叫做Romain Guy的谷歌工程师的案例研究，通过优化一个第三方的推特客户端。在这个研究中，Romain展示了他是如何发现问题的，并且建议了相应的解决方案。另一篇文章跟进了这个问题，展示了这个app在重新制作后的一些其他问题。

我真心希望你通过这篇文章获得到了足够丰富的信息和信心，从今天开始优化你的应用吧！

尝试用工具去记录，并通过一些开发者选项中的选项，开搞吧。欢迎来G+上分享你在安卓性能优化上面的心得！