渲染卡顿性能优化

0x01 背景概念

• Video 视象，由一系列叫做“帧”的独立图片组成的。平滑的动画一般需要每秒60帧(人眼与大脑之间的协作无法感知超过60fps 的画面更新)。
• Frame 帧，由像素点构成，当屏幕绘制一帧的时候，像素点是一行一行的进行填充的。
• vSync 垂直同步，显示屏从 GPU 获取每一帧的数据，然后一行一行进行绘制。理想状态下，显示屏在绘制完一帧后，GPU 正好能提供新帧的数据。图像撕裂的状况就发生在图形芯片在图像绘制到一半的时候，就载入了新一帧的数据，以致于最终得到的数据帧就是半个帧的新数据半个帧的老数据。而，vSync 就是告知 GPU 需要等待屏幕绘制完成前一帧才能载入新帧。Jelly Bean 开始垂直同步脉冲会贯穿于所有的图形运作过程。
• Frame Rate 帧率，代表 GPU 在一秒内绘制操作的帧数，例如60fps(Frame Per Second) 每秒绘制60帧。
• Refresh Rate 刷新率，代表屏幕在一秒内刷新屏幕的次数，取决于硬件的固定参数，例如60HZ每秒刷新60次
• Resterization栅格化，是绘制那些 Button，Shape，Path，String，Bitmap 等组件最基础的操作。它把那些组件拆分到不同的像素上进行显示，这是一个很费时的操作，GPU 的引入就是为了加快栅格化的操作。

0x02 Android UI 渲染流程

androiduitogpu.png

CPU 负责把 UI 组件计算成 Polygons/Texture 纹理保存在 DisplayList 中 -> GPU进行栅格化渲染 -> 屏幕上显示

• CPU负责包括 Measure，Layout，Record，Execute 的计算操作，GPU 负责 Rasterization 栅格化操作等。
• CPU 转移到 GPU是个很麻烦的事，所幸 OpenGL Es 可以把哪些需要渲染的纹理Hold 在GPU Memory 里，下次需要渲染的时候直接进行操作，但是如果更新了 GPU 所 hold 的纹理内容，那么之前保存的状态就丢失了
• Android 需要把 XML 布局文件转换成 GPU 能够识别并绘制的对象。这个操作是在 DisplayList 的帮助下完成的。
  • DisplayList 持有所有将要交给 GPU 绘制到屏幕上的数据信息。
  • 在某个View 第一次需要被渲染时，DIsplayList 会因此被创建，当这个 View 要显示到屏幕上时，我们会执行 GPU 的绘制指令来进行渲染。如果后续要移动这个 View 等操作而需要再次渲染这个 View 时，我们就仅仅需要额外操作一次渲染指令就够了。如果修改了 View 的可见性或者内容发生变化时，都会中心执行创建 DisplayList，渲染 DisplayList，更新到屏幕上等一些了操作。
  • 这个流程的表现性能取决于你的 View 的复杂程度，View 的状态变化以及渲染管道的执行性能。举个例子，假如某个 Button 的大小需要增大到目前的两倍，在增大 Button 大小之前，需要通过父 View 重新计算并摆放其他子 View 的位置。修改 View 的大小会触发整个 HierarchyView 的重新计算大小的操作。修改 View 的位置则会触发 HierarchyView 充新计算其他 View 的位置。
  • 如果布局复杂，很容易导致性能问题，我们应尽量减少 Overdraw。
    
    displaylist.png

0x03 运行机制

GPU(Graphics Processing Unit)会获取图形数据进行渲染。然后硬件负责把渲染后的内容呈现到屏幕上，二者不停的进行协作。

但是，如果刷新频率和帧率不能保持相同的节奏工作时，就会出现 Tearing 的现象。

当帧率比刷新频率快时，通常标准帧率60fps，即当>60fps时，GPU 所产生的数据会因为等待 VSYSNC 的刷新信息而被 Hold 住，这样就能保证每次刷新都有实际的新数据可以显示。

当帧率比刷新频率慢时，即<60fps时，某些帧的显示画面就会和上一帧的画面相同，发生卡顿掉帧的不顺滑的情况。

除了垂直同步外，Android 还使用了缓冲的方式使动效更顺畅。

Android 采用双缓冲机制，在显示一帧的同时进行另一帧的处理。缓冲就是帧构建和保存的容器，缓冲 A 和 B，当显示缓冲 A 时，系统在缓冲 B 中构建新的帧，完成后则交换缓冲。显示缓冲 B，而 A 则被清空，继续下一帧的绘制。

当某帧的绘制时间超过 16ms 时，双缓冲就会导致，一步慢步步慢的情况。为此引入三缓冲，在 B 缓冲超时，而 A 缓冲用于当前帧的显示中，系统会创建缓冲 C，并继续下一帧的工作。三倍缓冲结束了频繁卡顿的产生，在初始化跳顿后，用户得到了平滑的动画效果。即使有些问题发生了，但系统还是会努力给用户满意的结果。

但是，系统没有一直使用三倍缓冲，因为三倍缓冲在整个过程中引入了一些输入延迟。所以出现某些错误行为时，你有两个选项：输入延迟(触摸操作生效时间延长)或者画面卡顿。为解决这个问题，没有一直使用三倍缓冲，一般情况下，只使用了双缓冲，当需要的时候用三倍缓冲来进行增强。

0x04 造成渲染性能的原因

CPU 或 GPU 负载过量，导致 16ms 内没有渲染完成。CPU 通常存在的问题的原因是存在非必须的视图组件，它不仅仅会带来重复的计算操作，而且还会占用额外的 GPU 资源

renderproblem.png

0x05 工具检查

1. HierarchyViewer 查看布局树结构

hiearachyviewer.png

• 配置环境变量export ANDROID_HVPROTO=ddm
• Window > Open Perspective

2. 开发者选项 Show GPU Overdraw 查看视图重绘

overdraw.png

3. 开发者选项 Profile GPU Rendering 查看渲染时间

gpurendering.png

gpurenderingdes.png

4. 开发者选项 Show GPU view updates 查看视图更新操作

界面发生更新操作进行闪烁

5. Lint

Android Studio -> Analyze -> Inspect Code

6. TraceView

方式一：代码 Debug.startMethodTracing/stopMethodTracing

这俩个函数运行过程中采集运行时间内该应用的所有线程(只能是 Java 线程)的函数执行情况，最后生成.trace文件保存在/mnt/sdcard/android/package/files文件夹中。利用TraceView工具分析数据

方式二：DDMS

traceview.png

列名	描述
Name	该线程运行过程中所调用的函数名
Incl Cpu Time	某函数占用的 CPU 时间，包含内部调用其它函数的 CPU 时间
Incl Real Time	同Incl Cpu Time，统计单位为真实时间 ms
Excl Cpu Time	某函数占用的 CPU 时间，不包含内部调用其它函数的 CPU 时间
Excl Real Time	同Excl Cpu Time ，统计单位为真实时间 ms
Call + Recur Calls/Total	某函数被调用次数以及递归调用占总调用次数的百分比
Cpu Time/Call	某函数调用CPU 时间与调用次数的比，相当于该函数平均执行时间
Real Time/Call	同 CPU Time/Call，统计单位为真实时间 ms

7. Systrace

方式一：命令行

/sdk/platform-tools/systrace

python ./systrace.py [options] [categories]

通用的命令：
python ./systrace.py -t 10 -a -o xxtrace.html app sched gfx view am wm dalvik binder_driver freq idle load sync

方式二：DDMS

systrace.png

生成.html文件，在浏览器中打开

systraceres.png

颜色	状态
灰色	Sleeping
蓝色	Runnable 可以运行但是需要等待调度唤醒
绿色	Running
橙色	uninterruptiable sleep 由于 I/O 负载而不可中断休眠

尤其关注 Runnable，很可能wake by pid xxx，cpu 此时被 xxx 进程抢占着，查看这个进程是否有异常

0x06 优化技巧

• 重绘问题 GPU
  • 非必须重叠背景
    • Activity 有自己的背景，Layout 又有自己的背景
    • 移除 Window 默认的 Background
    • 移除 XML 布局文件中非必须的 Background
    • 按需显示占位背景图片，避免 ImageView 存在资源背景两个而导致的过度渲染，通过代码判断获取 Bitmap 资源隐藏背景，否则显示。
  • 非可见 UI 不绘制
    • 对于重写了 onDraw()，系统无法检测出具体在 onDraw 里面会执行什么操作
    • clipRect()，帮助系统识别可见区域，区域之外的内容不绘制
    • quickReject，判断是否和某个矩形相交
• 性能问题 CPU
  • 布局扁平化，尽量少嵌套，减少 Measure Layout计算时间
  • 避免 onDraw() 方法内创建对象，导致频繁的创建对象占用内存，建议写在代码块中
  • 谨慎使用 invalidate()，只有在 view 发生改变时才调用
  • 对 Bitmap 进行选择缩放等操作时，尽可能选取小的 Bitmap
  • 尽量减少每次重绘的元素，比如将背景单独拎出来设置为一个独立的 View，通过 setLayerType() 方法使得这个 View 强制用 HardWare() 进行渲染
  • 动画尽量使用 PropertyAnimation 和 ViewAnimation 来操作实现，Android系统会对这些 Animation 做一定的优化处理。
  • alpha View 加重性能。对于不透明的 View，只需要渲染一次，可是如果设置了 alpha，至少会渲染俩次，因为需要结合上层的 View 进行 Blend 混色处理。默认渲染顺序：从下向上，从底到顶。
    • 存在层叠，例如 ListView 不同做 Blending 操作，会导致不少性能问题，使用ViewPropertyAnimator.alpha().withLayer() 指定 GPU 渲染
    • 不存在层叠，即阴影，需要通过重写hasOverlappingRendering()告知系统

0x07 参考资料

感谢以下文章作者
Android性能优化之渲染篇
性能优化——卡顿检测之TraceView、Systrace