Android 卡顿优化之 Skipped * frames 掉帧的计算

Android 卡顿优化之 Skipped * frames 掉帧的计算

有时候看日志的时候，可能会在日志中看到类似下文的打印：

Skipped 30 frames! The application may be doing too much work on its main thread.

这句话的意思就是：该行日志打印之前的主线程存在耗时操作，导致掉了30帧。之前知道这句日志的意思，但是不知道系统是怎么计算的，于是专门花时间看了下 Choreographer 的源码。

Choreographer

职责：用于配合系统的 VSYNC 信号，用于接收系统发出的 VSYNC 信号，统一管理应用程序的输入、动画和绘制等任务的执行时机

初始化时机：

    public ViewRootImpl(Context context, Display display) {
        ...
        // 主线程初始化
        mChoreographer = Choreographer.getInstance();
        ...
    }

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

FrameHandler

Choreographer 的成员变量，在 Choreographer 的构造器中被初始化，为主线程 Handler

应用程序的 Input(主要是 Input 事件)、Animation(动画相关)、Traversal(包括 measure、layout、draw 等操作)任务，都会进入 FrameHandler 的消息队列等待执行

FrameDisplayEventReceiver

Choreographer 的成员变量，在 Choreographoer 的构造器中被初始化，用于接收 VSYNC 信号并进行相应处理

下面就介绍下 Choreographer 中计算掉帧的方式

首先看下 FrameDisplayEventReceiver 类：

    // 继承 DisplayEventReceiver，可以接收 VSYNC 信号
    // 实现了 Runnable 接口，可以作为一个 Runnable 传入消息队列
    private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver 
            implements Runnable { 
        private boolean mHavePendingVsync;
        private long mTimestampNanos;
        private int mFrame;

        public FrameDisplayEventReceiver(Looper looper, int vsyncSource) {
            super(looper, vsyncSource);
        }

        @Override
        public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {  
            // 接收到 VSYNC 信号，开始当前帧的绘制
            ...
            
            long now = System.nanoTime();
            if (timestampNanos > now) {
                Log.w(TAG, "Frame time is " + ((timestampNanos - now) * 0.000001f)
                        + " ms in the future!  Check that graphics HAL is generating vsync "
                        + "timestamps using the correct timebase.");
                timestampNanos = now;
            }

            if (mHavePendingVsync) {
                Log.w(TAG, "Already have a pending vsync event.  There should only be "
                        + "one at a time.");
            } else {
                mHavePendingVsync = true;
            }
            
            // 当前帧计划绘制时间
            mTimestampNanos = timestampNanos; 
            mFrame = frame;
            // 该类实现了 Runnable 接口，因此 this 代表该类，Handler 执行该 Message 时，就会执行下方 run() 方法
            Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
            msg.setAsynchronous(true);
            // mHandler 是 FrameHandler 对象,为主线程 Handler，即将本次 Runable 在指定时间 timestampNanos 在主线程执行
            // 执行该任务前，会先将该任务之前的所有任务执行完
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
        }

        @Override
        public void run() {
            mHavePendingVsync = false;
            // 实际执行到该 Runnable 时，会调用 doFrame 方法，并将该方法计划执行时间 mTimestampNanos 作为参数传入
            doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
        }
    }

接下来看 doFrame 方法：

    void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
        final long startNanos;
        synchronized (mLock) {
            if (!mFrameScheduled) {
                return; // no work to do
            }

            if (DEBUG_JANK && mDebugPrintNextFrameTimeDelta) {
                mDebugPrintNextFrameTimeDelta = false;
                Log.d(TAG, "Frame time delta: "
                        + ((frameTimeNanos - mLastFrameTimeNanos) * 0.000001f) + " ms");
            }
            // 计划执行时间
            long intendedFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
            // 实际执行时间
            startNanos = System.nanoTime();
            // 该帧实际执行时间和计划执行时间的差值，即延迟时间
            final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
            // mFrameIntervalNanos = (long)(1000000000 / getRefreshRate()) 一般为 16.7ms,即每一帧的绘制时间
            if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) { 
                // 由此可以得出共计延迟了多少帧，就是掉了多少帧
                final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
                // SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT 默认为30，可以代码里面通过反射更改
                if (skippedFrames >= SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT) {
                    Log.i(TAG, "Skipped " + skippedFrames + " frames!  "
                            + "The application may be doing too much work on its main thread.");
                }
                final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos;
                if (DEBUG_JANK) {
                    Log.d(TAG, "Missed vsync by " + (jitterNanos * 0.000001f) + " ms "
                            + "which is more than the frame interval of "
                            + (mFrameIntervalNanos * 0.000001f) + " ms!  "
                            + "Skipping " + skippedFrames + " frames and setting frame "
                            + "time to " + (lastFrameOffset * 0.000001f) + " ms in the past.");
                }
                frameTimeNanos = startNanos - lastFrameOffset;
            }

            if (frameTimeNanos < mLastFrameTimeNanos) {
                if (DEBUG_JANK) {
                    Log.d(TAG, "Frame time appears to be going backwards.  May be due to a "
                            + "previously skipped frame.  Waiting for next vsync.");
                }
                scheduleVsyncLocked();
                return;
            }

            mFrameInfo.setVsync(intendedFrameTimeNanos, frameTimeNanos);
            mFrameScheduled = false;
            mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
        }

        try {
            // 执行具体的 Input、Animation、Traversal Task
            Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "Choreographer#doFrame");
            AnimationUtils.lockAnimationClock(frameTimeNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);

            mFrameInfo.markInputHandlingStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);

            mFrameInfo.markAnimationsStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);

            mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);

            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
        } finally {
            AnimationUtils.unlockAnimationClock();
            Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
        }

        if (DEBUG_FRAMES) {
            final long endNanos = System.nanoTime();
            Log.d(TAG, "Frame " + frame + ": Finished, took "
                    + (endNanos - startNanos) * 0.000001f + " ms, latency "
                    + (startNanos - frameTimeNanos) * 0.000001f + " ms.");
        }
    }

通过查看源码可以得出

系统计算掉帧的流程是：收到 VSYNC 信号之后，会向 FrameHandler 发送一条 message，message 中包含本帧计划执行的时间。等到 message 真正执行的时候，计算实际执行时间和计划执行时间的差值，除以16.7ms 之后就得到了丢帧数

思考

从系统计算丢帧数的方式可以看出，丢帧的原因是由于本帧之前的一系列 task ，总计耗时导致的。因此处理卡顿问题的时候，不仅要关注耗时操作的优化，还要考虑任务的离散，同一时刻执行的任务太多也有可能造成卡顿。