Android的VSYNC机制和UI刷新流程示例详解

Android开发编程 2022-12-09 我要评论

前言

屏幕刷新帧率不稳定，掉帧严重，无法保证每秒60帧，导致屏幕画面撕裂；

今天我们来讲解下VSYNC机制和UI刷新流程

一、 Vsync信号详解

1、屏幕刷新相关知识点

屏幕刷新频率：一秒内屏幕刷新的次数（一秒内显示了多少帧的图像），单位 Hz（赫兹），如常见的 60 Hz。刷新频率取决于硬件的固定参数（不会变的）；
逐行扫：显示器并不是一次性将画面显示到屏幕上，而是从左到右边，从上到下逐行扫描，顺序显示整屏的一个个像素点，不过这一过程快到人眼无法察觉到变化。以 60 Hz 刷新率的屏幕为例，这一过程即 1000 / 60 ≈ 16ms；
帧率：表示 GPU 在一秒内绘制操作的帧数，单位 fps。例如在电影界采用 24 帧的速度足够使画面运行的非常流畅。而 Android 系统则采用更加流程的 60 fps，即每秒钟GPU最多绘制 60 帧画面。帧率是动态变化的，例如当画面静止时，GPU 是没有绘制操作的，屏幕刷新的还是buffer中的数据，即GPU最后操作的帧数据；
屏幕流畅度：即以每秒60帧（每帧16.6ms）的速度运行，也就是60fps，并且没有任何延迟或者掉帧；
FPS：每秒的帧数；
丢帧：在16.6ms完成工作却因各种原因没做完，占了后n个16.6ms的时间，相当于丢了n帧；

2、VSYNC机制

VSync机制： Android系统每隔16ms发出VSYNC信号，触发对UI进行渲染，VSync是Vertical Synchronization(垂直同步)的缩写，是一种在PC上很早就广泛使用的技术，可以简单的把它认为是一种定时中断。而在Android 4.1(JB)中已经开始引入VSync机制；

VSync机制下的绘制过程；CPU/GPU接收vsync信号，Vsync每16ms一次，那么在每次发出Vsync命令时，CPU都会进行刷新的操作。也就是在每个16ms的第一时间，CPU就会响应Vsync的命令，来进行数据刷新的动作。CPU和GPU的刷新时间，和Display的FPS是一致的。因为只有到发出Vsync命令的时候，CPU和GPU才会进行刷新或显示的动作。CPU/GPU接收vsync信号提前准备下一帧要显示的内容，所以能够及时准备好每一帧的数据，保证画面的流畅；

可见vsync信号没有提醒CPU/GPU工作的情况下，在第一个16ms之内，一切正常。然而在第二个16ms之内，几乎是在时间段的最后CPU才计算出了数据，交给了Graphics Driver,导致GPU也是在第二段的末尾时间才进行了绘制，整个动作延后到了第三段内。从而影响了下一个画面的绘制。这时会出现Jank（闪烁，可以理解为卡顿或者停顿）。这时候CPU和GPU可能被其他操作占用了，这就是卡顿出现的原因；

二、UI刷新原理流程

1、VSYNC流程示意

当我们通过setText改变TextView内容后，UI界面不会立刻改变，APP端会先向VSYNC服务请求，等到下一次VSYNC信号触发后，APP端的UI才真的开始刷新，基本流程如下：

setText最终调用invalidate申请重绘，最后会通过ViewParent递归到ViewRootImpl的invalidate，请求VSYNC，在请求VSYNC的时候，会添加一个同步栅栏，防止UI线程中同步消息执行，这样做为了加快VSYNC的响应速度，如果不设置，VSYNC到来的时候，正在执行一个同步消息；

2、view的invalidate

View会递归的调用父容器的invalidateChild，逐级回溯，最终走到ViewRootImpl的invalidate

 void invalidateInternal(int l, int t, int r, int b, boolean invalidateCache,
            boolean fullInvalidate) {
            // Propagate the damage rectangle to the parent view.
            final AttachInfo ai = mAttachInfo;
            final ViewParent p = mParent;
            if (p != null && ai != null && l < r && t < b) {
                final Rect damage = ai.mTmpInvalRect;
                damage.set(l, t, r, b);
                p.invalidateChild(this, damage);
            }

ViewRootImpl.java
void invalidate() {
    mDirty.set(0, 0, mWidth, mHeight);
    if (!mWillDrawSoon) {
        scheduleTraversals();
    }
}

ViewRootImpl会调用scheduleTraversals准备重绘，但是，重绘一般不会立即执行，而是往Choreographer的Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL队列中添加了一个mTraversalRunnable，同时申请VSYNC，这个mTraversalRunnable要一直等到申请的VSYNC到来后才会被执行；

3、scheduleTraversals

ViewRootImpl.java
 // 将UI绘制的mTraversalRunnable加入到下次垂直同步信号到来的等待callback中去
 // mTraversalScheduled用来保证本次Traversals未执行前，不会要求遍历两边，浪费16ms内，不需要绘制两次
void scheduleTraversals() {
    if (!mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = true;
        // 防止同步栅栏，同步栅栏的意思就是拦截同步消息
        mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
        // postCallback的时候，顺便请求vnsc垂直同步信号scheduleVsyncLocked
        mChoreographer.postCallback(
                Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
         <!--添加一个处理触摸事件的回调，防止中间有Touch事件过来-->
        if (!mUnbufferedInputDispatch) {
            scheduleConsumeBatchedInput();
        }
        notifyRendererOfFramePending();
        pokeDrawLockIfNeeded();
    }
}

4、申请VSYNC同步信号

Choreographer知识点在上个文章详细介绍过；

Choreographer.java
private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
        Object action, Object token, long delayMillis) {
    synchronized (mLock) {
        final long now = SystemClock.uptimeMillis();
        final long dueTime = now + delayMillis;
        mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);
        if (dueTime <= now) {
        <!--申请VSYNC同步信号-->
            scheduleFrameLocked(now);
        } 
    }
}

5、scheduleFrameLocked

// mFrameScheduled保证16ms内，只会申请一次垂直同步信号
// scheduleFrameLocked可以被调用多次，但是mFrameScheduled保证下一个vsync到来之前，不会有新的请求发出
// 多余的scheduleFrameLocked调用被无效化
private void scheduleFrameLocked(long now) {
    if (!mFrameScheduled) {
        mFrameScheduled = true;
        if (USE_VSYNC) {
            if (isRunningOnLooperThreadLocked()) {
                scheduleVsyncLocked();
            } else {
                // 因为invalid已经有了同步栅栏，所以必须mFrameScheduled，消息才能被UI线程执行
                Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC);
                msg.setAsynchronous(true);
                mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg);
            }
        }  
    }
}

在当前申请的VSYNC到来之前，不会再去请求新的VSYNC，因为16ms内申请两个VSYNC没意义；
再VSYNC到来之后，Choreographer利用Handler将FrameDisplayEventReceiver封装成一个异步Message，发送到UI线程的MessageQueue；

6、FrameDisplayEventReceiver

  private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver
            implements Runnable {
        private boolean mHavePendingVsync;
        private long mTimestampNanos;
        private int mFrame;
        public FrameDisplayEventReceiver(Looper looper) {
            super(looper);
        }
        @Override
        public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
            long now = System.nanoTime();
            if (timestampNanos > now) {
            <!--正常情况，timestampNanos不应该大于now，一般是上传vsync的机制出了问题-->
                timestampNanos = now;
            }
            <!--如果上一个vsync同步信号没执行，那就不应该相应下一个（可能是其他线程通过某种方式请求的）-->
              if (mHavePendingVsync) {
                Log.w(TAG, "Already have a pending vsync event.  There should only be "
                        + "one at a time.");
            } else {
                mHavePendingVsync = true;
            }
            <!--timestampNanos其实是本次vsync产生的时间，从服务端发过来-->
            mTimestampNanos = timestampNanos;
            mFrame = frame;
            Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
            <!--由于已经存在同步栅栏，所以VSYNC到来的Message需要作为异步消息发送过去-->
            msg.setAsynchronous(true);
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
        }
        @Override
        public void run() {
            mHavePendingVsync = false;
            <!--这里的mTimestampNanos其实就是本次Vynsc同步信号到来的时候，但是执行这个消息的时候，可能延迟了-->
            doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
        }
    }

之所以封装成异步Message，是因为前面添加了一个同步栅栏，同步消息不会被执行；
UI线程被唤起，取出该消息，最终调用doFrame进行UI刷新重绘；

7、doFrame

void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
    final long startNanos;
    synchronized (mLock) {
    <!--做了很多东西，都是为了保证一次16ms有一次垂直同步信号，有一次input 、刷新、重绘-->
        if (!mFrameScheduled) {
            return; // no work to do
        }
       long intendedFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
        startNanos = System.nanoTime();
        final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
        <!--检查是否因为延迟执行掉帧，每大于16ms，就多掉一帧-->
        if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
            final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
            <!--跳帧，其实就是上一次请求刷新被延迟的时间，但是这里skippedFrames为0不代表没有掉帧-->
            if (skippedFrames >= SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT) {
            <!--skippedFrames很大一定掉帧，但是为 0，去并非没掉帧-->
                Log.i(TAG, "Skipped " + skippedFrames + " frames!  "
                        + "The application may be doing too much work on its main thread.");
            }
            final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos;
                <!--开始doFrame的真正有效时间戳-->
            frameTimeNanos = startNanos - lastFrameOffset;
        }
        if (frameTimeNanos < mLastFrameTimeNanos) {
            <!--这种情况一般是生成vsync的机制出现了问题，那就再申请一次-->
            scheduleVsyncLocked();
            return;
        }
          <!--intendedFrameTimeNanos是本来要绘制的时间戳，frameTimeNanos是真正的，可以在渲染工具中标识延迟VSYNC多少-->
        mFrameInfo.setVsync(intendedFrameTimeNanos, frameTimeNanos);
        <!--移除mFrameScheduled判断，说明处理开始了，-->
        mFrameScheduled = false;
        <!--更新mLastFrameTimeNanos-->
        mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
    }
    try {
         <!--真正开始处理业务-->
        Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "Choreographer#doFrame");
        <!--处理打包的move事件-->
        mFrameInfo.markInputHandlingStart();
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
        <!--处理动画-->
        mFrameInfo.markAnimationsStart();
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
        <!--处理重绘-->
        mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
        <!--提交->
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
    } finally {
        Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
    }
}

doFrame也采用了一个boolean遍历mFrameScheduled保证每次VSYNC中，只执行一次，可以看到，为了保证16ms只执行一次重绘，加了好多次层保障；
doFrame里除了UI重绘，其实还处理了很多其他的事，比如检测VSYNC被延迟多久执行，掉了多少帧，处理Touch事件（一般是MOVE），处理动画，以及UI；
当doFrame在处理Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL的回调时（mTraversalRunnable），才是真正的开始处理View重绘；

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

回到ViewRootImpl调用doTraversal进行View树遍历；

8、doTraversal

// 这里是真正执行了，
void doTraversal() {
    if (mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = false;
        <!--移除同步栅栏，只有重绘才设置了栅栏，说明重绘的优先级还是挺高的，所有的同步消息必须让步-->
        mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
        performTraversals();
    }
}

doTraversal会先将栅栏移除，然后处理performTraversals，进行测量、布局、绘制，提交当前帧给SurfaceFlinger进行图层合成显示；
以上多个boolean变量保证了每16ms最多执行一次UI重绘；

9、UI局部重绘

View重绘刷新，并不会导致所有View都进行一次measure、layout、draw，只是这个待刷新View链路需要调整，剩余的View可能不需要浪费精力再来一遍；

View.java
    public RenderNode updateDisplayListIfDirty() {
        final RenderNode renderNode = mRenderNode;
          ...
        if ((mPrivateFlags & PFLAG_DRAWING_CACHE_VALID) == 0
                || !renderNode.isValid()
                || (mRecreateDisplayList)) {
           <!--失效了，需要重绘-->
        } else {
        <!--依旧有效，无需重绘-->
            mPrivateFlags |= PFLAG_DRAWN | PFLAG_DRAWING_CACHE_VALID;
            mPrivateFlags &= ~PFLAG_DIRTY_MASK;
        }
        return renderNode;
    }

绘制总结

android最高60FPS，是VSYNC及决定的，每16ms最多一帧；
VSYNC要客户端主动申请，才会有；
有VSYNC到来才会刷新；
UI没更改，不会请求VSYNC也就不会刷新；