Android性能优化一绘制原理分析

Android应用启动慢，使用时经常卡顿，是非常影响用户体验的，应该尽量避免出现。

1.卡顿的分类

按照场景分可以分为：

• UI绘制
  • 绘制
  • 刷新
• 应用启动
  • 安装启动
  • 冷启动
  • 热启动
• 页面跳转
  • 页面间切换
  • 前后台切换
• 事件响应
  • 按键
  • 系统事件
  • 滑动

2.卡顿的原因

这4种卡顿场景的根本原因可以分成两大类：

界面绘制：主要原因是绘制的层级深、页面复杂、刷新不合理，由于这些原因导致卡顿的场景更多出现在UI和启动后的初始界面以及跳转到页面的绘制上。

数据处理：导致这种卡顿场景的原因是数据处理量太大，一般分为三种情况，一是数据处理在UI线程（这种应该避免），二是数据处理占用CPU高，导致主线程拿不到时间片，三是内存增加导致GC频繁，从而引起卡顿。

3.Android系统的显示原理

整个显示系统很复杂，对于性能优化了解整体流程就可以。

Android的显示过程可以简单概括为：Android应用程序把经过测量、布局、绘制后的surface缓存数据，通过SurfaceFlinger把数据渲染到显示屏幕上，通过Android的刷新机制来刷新数据。也就是说应用层负责绘制，系统层负责渲染，通过进程间通信把应用层需要绘制的数据传递到系统层服务，系统层服务通过刷新机制把数据更新到屏幕。

Android的图形显示系统采用的是Client/Server架构，SurfaceFlinger是一个c++文件（Server端），源码路径：frameworks/native/services/surfaceflinger/SurfaceFlinger.cpp，感兴趣可以去深入分析研究。

Client端代码分为两部分，一部分是由Java提供给应用使用的API，另一部分则是由C++写成的底层具体实现。

4.绘制的原理

绘制任务是由应用发起的，最终通过系统层绘制到硬件屏幕上，应用进程绘制好后，通过跨进程通信机制把需要显示的数据传到系统层，由系统层中的SurfaceFlinger服务绘制到屏幕上。

在Android的每个View绘制中有三个核心步骤：通过Measure和Layout来确定当前需要绘制的View所在的大小和位置，通过绘制（Draw）到surface。

在Android系统中整体的绘图源码是在ViewRootImp类（源码位置：frameworks/base/core/java/android/view/ViewRootImpl.java）的**performTraversals()**方法，通过这个方法可以看出Measure和Layout都是递归来获取View的大小和位置，并且以深度作为优先级。可以看出，层级越深，元素越多，耗时也就越长。

（1）应用层：

Measure：用深度优先原则递归得到所有视图（View）的宽、高；获取当前View的正确宽度childWidthMeasureSpec和高度childHeightMeasureSpec之后，可以调用它的成员函数Measure来设置它的大小。如果当前正在测量的子视图child是一个视图容器，那么它又会重复执行操作，直到它的所有子孙视图的大小都测量完成为止。

Layout：用深度优先原则递归得到所有视图（View）的位置；当一个子View在应用程序窗口左上角的位置确定之后，再结合它在前面测量过程中确定的宽度和高度，就可以完全确定它在应用程序窗口中的布局。

Draw：目前Android支持了两种绘制方式：软件绘制（CPU）和硬件加速（GPU），其中硬件加速在Android 3.0开始已经全面支持，，硬件加速在UI的显示和绘制的效率远远高于CPU绘制，但硬件加速也存在明显的缺点：

• 耗电：GPU的功耗比CPU高

• 兼容问题：某些接口和函数不支持硬件加速。

• 内存大：使用OpenGL的接口至少需要8MB内存。

（2）系统层

真正把需要显示的数据渲染到屏幕上，是通过系统级进程中的SurfaceFlinger服务来实现的。

SurfaceFlinger主要负责的任务：

• 响应客户端事件，创建Layer与客户端的Surface建立连接。
• 接收客户端数据及属性，修改Layer属性，如尺寸、颜色、透明度等。
• 将创建的Layer内容刷新到屏幕上。
• 维持Layer的序列，并对Layer最终输出做出裁剪计算。。

既然两个不同进程，那么肯定需要一个跨进程的通信机制来实现数据传输，在Android的显示系统，使用了Android的匿名共享内存：SharedClient，每一个应用和SurfaceFlinger之间都会创建一个SharedClient，在每个SharedClient中，最多可以创建31个SharedBufferStack，每个Surface都对应一个SharedBufferStack，也就是一个window。

一个SharedClient对应一个Android应用程序，而一个Android应用程序可能包含多个窗口，即Surface。也就是说SharedClient包含的是SharedBufferStack的集合。因为最多可以创建31个SharedBufferStack，也就是说一个Android应用程序最多可以包含31个窗口，同时每个SharedBufferStack中又包含了两个（低于4.1版本）或者三个（4.1及以上版本）缓冲区，即显示刷新机制中会提到的双缓冲和三重缓冲技术。

总结起来显示整体流程分为三个模块：1.应用层绘制到缓存区，2.SurfaceFlinger把缓存区数据渲染到屏幕，3.由于是两个不同的进程，所以使用Android的匿名共享内存SharedClient缓存需要显示的数据来达到目的。

cpu和gpu是如何系统工作的呢？

绘制过程首先是CPU准备数据，通过Driver层把数据交给CPU渲染，其中CPU主要负责Measure、Layout、Record、Execute的数据计算工作，GPU负责Rasterization（栅格化）、渲染。由于图形API不允许CPU直接与GPU通信，而是通过中间的一个图形驱动层（GraphicsDriver）来连接这两部分。图形驱动维护了一个队列，CPU把display list添加到队列中，GPU从这个队列取出数据进行绘制，最终才在显示屏上显示出来

5.FPS帧率

到底绘制一个单元多长时间才是合理的，需要FPS。FPS（Frames PerSecond）表示每秒传递的帧数。在理想情况下，60 FPS就感觉不到卡，这意味着每个绘制时长应该在16ms以内。

Android系统很有可能无法及时完成那些复杂的界面渲染操作。Android系统每隔16ms发出VSYNC信号，触发对UI进行渲染，如果每次渲染都成功，这样就能够达到流畅的画面所需的60FPS。即为了实现60FPS，就意味着程序的大多数绘制操作都必须在16ms内完成。

如果某个操作花费的时间是24ms，系统在得到VSYNC信号时就无法进行正常渲染，这样就发生了丢帧现象。那么用户在32ms内看到的会是同一帧画面。有很多原因可以导致CPU或者GPU负载过重从而出现丢帧现象：可能是Layout太过复杂，无法在16ms内完成渲染；可能是UI上有层叠太多的绘制单元；还有可能是**动画执行的次数过多。**最终的数据是刷新机制通过系统去刷新数据，刷新不及时也是引起卡顿的一个主要原因。

6.双缓冲、VSYNC、Choreographer解释

双缓冲：显示内容的数据内存，为什么要用双缓冲，我们知道在Linux上通常使用Framebuffer来做显示输出，当用户进程更新Framebuffer中的数据后，显示驱动会把Framebuffer中每个像素点的值更新到屏幕，但这样会带来一个问题，如果上一帧的数据还没有显示完，Framebuffer中的数据又更新了，就会带来残影的问题，给用户直观的感觉就会有闪烁感，所以普遍采用了双缓冲技术。双缓冲意味着要使用两个缓冲区（在SharedBufferStack中），其中一个称为Front Buffer，另外一个称为Back Buffer。UI总是先在Back Buffer中绘制，然后再和Front Buffer交换，渲染到显示设备中。即只有当另一个buffer的数据准备好后，通过io_ctrl来通知显示设备切换Buffer。

VSYNC：只有当另一个buffer准备好后，才能通知刷新，这就需要CPU以主动查询的方式来保证数据是否准备好，因为这种机制效率很低，所以引入了VSYNC。VSYNC是VerticalSynchronization（垂直同步）的缩写，可以简单地把它认为是一种定时中断，一旦收到VSYNC中断，CPU就开始处理各帧数据。

Choreographer：收到VSYNC信号时，调用用户设置的回调函数。一共有以下三种类型的回调：

• CALLBACK_INPUT：优先级最高，与输入事件有关。
• CALLBACK_ANIMATION：第二优先级，与动画有关。
• CALLBACK_TRAVERSAL：最低优先级，与UI控件绘制有关。

7.卡顿的根本原因

• 绘制任务太重，绘制一帧内容耗时太长。
• 主线程太忙了，导致VSync信号来时还没有准备好数据导致丢帧。

8.主线程应该负责什么才是合理的

• UI生命周期控制
• 系统事件处理
• 消息处理
• 界面绘制
• 界面刷新

除了这些以外，尽量避免将其他处理放到主线程中，特别是复杂的数据计算和网络请求。