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Android的VSYNC機(jī)制和UI刷新流程示例詳解_Android

作者:Android開發(fā)編程 ? 更新時(shí)間: 2023-01-08 編程語言

前言

屏幕刷新幀率不穩(wěn)定,掉幀嚴(yán)重,無法保證每秒60幀,導(dǎo)致屏幕畫面撕裂;

今天我們來講解下VSYNC機(jī)制和UI刷新流程

一、 Vsync信號詳解

1、屏幕刷新相關(guān)知識點(diǎn)

  • 屏幕刷新頻率: 一秒內(nèi)屏幕刷新的次數(shù)(一秒內(nèi)顯示了多少幀的圖像),單位 Hz(赫茲),如常見的 60 Hz。刷新頻率取決于硬件的固定參數(shù)(不會變的);
  • 逐行掃:顯示器并不是一次性將畫面顯示到屏幕上,而是從左到右邊,從上到下逐行掃描,順序顯示整屏的一個(gè)個(gè)像素點(diǎn),不過這一過程快到人眼無法察覺到變化。以 60 Hz 刷新率的屏幕為例,這一過程即 1000 / 60 ≈ 16ms;
  • 幀率: 表示 GPU 在一秒內(nèi)繪制操作的幀數(shù),單位 fps。例如在電影界采用 24 幀的速度足夠使畫面運(yùn)行的非常流暢。而 Android 系統(tǒng)則采用更加流程的 60 fps,即每秒鐘GPU最多繪制 60 幀畫面。幀率是動態(tài)變化的,例如當(dāng)畫面靜止時(shí),GPU 是沒有繪制操作的,屏幕刷新的還是buffer中的數(shù)據(jù),即GPU最后操作的幀數(shù)據(jù);
  • 屏幕流暢度:即以每秒60幀(每幀16.6ms)的速度運(yùn)行,也就是60fps,并且沒有任何延遲或者掉幀;
  • FPS:每秒的幀數(shù);
  • 丟幀:在16.6ms完成工作卻因各種原因沒做完,占了后n個(gè)16.6ms的時(shí)間,相當(dāng)于丟了n幀;

2、VSYNC機(jī)制

VSync機(jī)制: Android系統(tǒng)每隔16ms發(fā)出VSYNC信號,觸發(fā)對UI進(jìn)行渲染,VSync是Vertical Synchronization(垂直同步)的縮寫,是一種在PC上很早就廣泛使用的技術(shù),可以簡單的把它認(rèn)為是一種定時(shí)中斷。而在Android 4.1(JB)中已經(jīng)開始引入VSync機(jī)制;

VSync機(jī)制下的繪制過程;CPU/GPU接收vsync信號,Vsync每16ms一次,那么在每次發(fā)出Vsync命令時(shí),CPU都會進(jìn)行刷新的操作。也就是在每個(gè)16ms的第一時(shí)間,CPU就會響應(yīng)Vsync的命令,來進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新的動作。CPU和GPU的刷新時(shí)間,和Display的FPS是一致的。因?yàn)橹挥械桨l(fā)出Vsync命令的時(shí)候,CPU和GPU才會進(jìn)行刷新或顯示的動作。CPU/GPU接收vsync信號提前準(zhǔn)備下一幀要顯示的內(nèi)容,所以能夠及時(shí)準(zhǔn)備好每一幀的數(shù)據(jù),保證畫面的流暢;?

可見vsync信號沒有提醒CPU/GPU工作的情況下,在第一個(gè)16ms之內(nèi),一切正常。然而在第二個(gè)16ms之內(nèi),幾乎是在時(shí)間段的最后CPU才計(jì)算出了數(shù)據(jù),交給了Graphics Driver,導(dǎo)致GPU也是在第二段的末尾時(shí)間才進(jìn)行了繪制,整個(gè)動作延后到了第三段內(nèi)。從而影響了下一個(gè)畫面的繪制。這時(shí)會出現(xiàn)Jank(閃爍,可以理解為卡頓或者停頓)。這時(shí)候CPU和GPU可能被其他操作占用了,這就是卡頓出現(xiàn)的原因;

二、UI刷新原理流程

1、VSYNC流程示意

當(dāng)我們通過setText改變TextView內(nèi)容后,UI界面不會立刻改變,APP端會先向VSYNC服務(wù)請求,等到下一次VSYNC信號觸發(fā)后,APP端的UI才真的開始刷新,基本流程如下:

setText最終調(diào)用invalidate申請重繪,最后會通過ViewParent遞歸到ViewRootImpl的invalidate,請求VSYNC,在請求VSYNC的時(shí)候,會添加一個(gè)同步柵欄,防止UI線程中同步消息執(zhí)行,這樣做為了加快VSYNC的響應(yīng)速度,如果不設(shè)置,VSYNC到來的時(shí)候,正在執(zhí)行一個(gè)同步消息;

2、view的invalidate

View會遞歸的調(diào)用父容器的invalidateChild,逐級回溯,最終走到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會調(diào)用scheduleTraversals準(zhǔn)備重繪,但是,重繪一般不會立即執(zhí)行,而是往Choreographer的Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL隊(duì)列中添加了一個(gè)mTraversalRunnable,同時(shí)申請VSYNC,這個(gè)mTraversalRunnable要一直等到申請的VSYNC到來后才會被執(zhí)行;

3、scheduleTraversals

ViewRootImpl.java
 // 將UI繪制的mTraversalRunnable加入到下次垂直同步信號到來的等待callback中去
 // mTraversalScheduled用來保證本次Traversals未執(zhí)行前,不會要求遍歷兩邊,浪費(fèi)16ms內(nèi),不需要繪制兩次
void scheduleTraversals() {
    if (!mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = true;
        // 防止同步柵欄,同步柵欄的意思就是攔截同步消息
        mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
        // postCallback的時(shí)候,順便請求vnsc垂直同步信號scheduleVsyncLocked
        mChoreographer.postCallback(
                Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
         <!--添加一個(gè)處理觸摸事件的回調(diào),防止中間有Touch事件過來-->
        if (!mUnbufferedInputDispatch) {
            scheduleConsumeBatchedInput();
        }
        notifyRendererOfFramePending();
        pokeDrawLockIfNeeded();
    }
}

4、申請VSYNC同步信號

Choreographer知識點(diǎn)在上個(gè)文章詳細(xì)介紹過;

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) {
        <!--申請VSYNC同步信號-->
            scheduleFrameLocked(now);
        } 
    }
}

5、scheduleFrameLocked

// mFrameScheduled保證16ms內(nèi),只會申請一次垂直同步信號
// scheduleFrameLocked可以被調(diào)用多次,但是mFrameScheduled保證下一個(gè)vsync到來之前,不會有新的請求發(fā)出
// 多余的scheduleFrameLocked調(diào)用被無效化
private void scheduleFrameLocked(long now) {
    if (!mFrameScheduled) {
        mFrameScheduled = true;
        if (USE_VSYNC) {
            if (isRunningOnLooperThreadLocked()) {
                scheduleVsyncLocked();
            } else {
                // 因?yàn)閕nvalid已經(jīng)有了同步柵欄,所以必須mFrameScheduled,消息才能被UI線程執(zhí)行
                Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC);
                msg.setAsynchronous(true);
                mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg);
            }
        }  
    }
}
  • 在當(dāng)前申請的VSYNC到來之前,不會再去請求新的VSYNC,因?yàn)?6ms內(nèi)申請兩個(gè)VSYNC沒意義;
  • 再VSYNC到來之后,Choreographer利用Handler將FrameDisplayEventReceiver封裝成一個(gè)異步Message,發(fā)送到UI線程的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) {
            <!--正常情況,timestampNanos不應(yīng)該大于now,一般是上傳vsync的機(jī)制出了問題-->
                timestampNanos = now;
            }
            <!--如果上一個(gè)vsync同步信號沒執(zhí)行,那就不應(yīng)該相應(yīng)下一個(gè)(可能是其他線程通過某種方式請求的)-->
              if (mHavePendingVsync) {
                Log.w(TAG, "Already have a pending vsync event.  There should only be "
                        + "one at a time.");
            } else {
                mHavePendingVsync = true;
            }
            <!--timestampNanos其實(shí)是本次vsync產(chǎn)生的時(shí)間,從服務(wù)端發(fā)過來-->
            mTimestampNanos = timestampNanos;
            mFrame = frame;
            Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
            <!--由于已經(jīng)存在同步柵欄,所以VSYNC到來的Message需要作為異步消息發(fā)送過去-->
            msg.setAsynchronous(true);
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
        }
        @Override
        public void run() {
            mHavePendingVsync = false;
            <!--這里的mTimestampNanos其實(shí)就是本次Vynsc同步信號到來的時(shí)候,但是執(zhí)行這個(gè)消息的時(shí)候,可能延遲了-->
            doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
        }
    }
  • 之所以封裝成異步Message,是因?yàn)榍懊嫣砑恿艘粋€(gè)同步柵欄,同步消息不會被執(zhí)行;
  • UI線程被喚起,取出該消息,最終調(diào)用doFrame進(jìn)行UI刷新重繪;

7、doFrame

void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
    final long startNanos;
    synchronized (mLock) {
    <!--做了很多東西,都是為了保證一次16ms有一次垂直同步信號,有一次input 、刷新、重繪-->
        if (!mFrameScheduled) {
            return; // no work to do
        }
       long intendedFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
        startNanos = System.nanoTime();
        final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
        <!--檢查是否因?yàn)檠舆t執(zhí)行掉幀,每大于16ms,就多掉一幀-->
        if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
            final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
            <!--跳幀,其實(shí)就是上一次請求刷新被延遲的時(shí)間,但是這里skippedFrames為0不代表沒有掉幀-->
            if (skippedFrames >= SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT) {
            <!--skippedFrames很大一定掉幀,但是為 0,去并非沒掉幀-->
                Log.i(TAG, "Skipped " + skippedFrames + " frames!  "
                        + "The application may be doing too much work on its main thread.");
            }
            final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos;
                <!--開始doFrame的真正有效時(shí)間戳-->
            frameTimeNanos = startNanos - lastFrameOffset;
        }
        if (frameTimeNanos < mLastFrameTimeNanos) {
            <!--這種情況一般是生成vsync的機(jī)制出現(xiàn)了問題,那就再申請一次-->
            scheduleVsyncLocked();
            return;
        }
          <!--intendedFrameTimeNanos是本來要繪制的時(shí)間戳,frameTimeNanos是真正的,可以在渲染工具中標(biāo)識延遲VSYNC多少-->
        mFrameInfo.setVsync(intendedFrameTimeNanos, frameTimeNanos);
        <!--移除mFrameScheduled判斷,說明處理開始了,-->
        mFrameScheduled = false;
        <!--更新mLastFrameTimeNanos-->
        mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
    }
    try {
         <!--真正開始處理業(yè)務(wù)-->
        Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "Choreographer#doFrame");
        <!--處理打包的move事件-->
        mFrameInfo.markInputHandlingStart();
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
        <!--處理動畫-->
        mFrameInfo.markAnimationsStart();
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
        <!--處理重繪-->
        mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
        <!--提交->
        doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
    } finally {
        Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
    }
}
  • doFrame也采用了一個(gè)boolean遍歷mFrameScheduled保證每次VSYNC中,只執(zhí)行一次,可以看到,為了保證16ms只執(zhí)行一次重繪,加了好多次層保障;
  • doFrame里除了UI重繪,其實(shí)還處理了很多其他的事,比如檢測VSYNC被延遲多久執(zhí)行,掉了多少幀,處理Touch事件(一般是MOVE),處理動畫,以及UI;
  • 當(dāng)doFrame在處理Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL的回調(diào)時(shí)(mTraversalRunnable),才是真正的開始處理View重繪;
  final class TraversalRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        doTraversal();
    }
}

回到ViewRootImpl調(diào)用doTraversal進(jìn)行View樹遍歷;

8、doTraversal

// 這里是真正執(zhí)行了,
void doTraversal() {
    if (mTraversalScheduled) {
        mTraversalScheduled = false;
        <!--移除同步柵欄,只有重繪才設(shè)置了柵欄,說明重繪的優(yōu)先級還是挺高的,所有的同步消息必須讓步-->
        mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
        performTraversals();
    }
}
  • doTraversal會先將柵欄移除,然后處理performTraversals,進(jìn)行測量、布局、繪制,提交當(dāng)前幀給SurfaceFlinger進(jìn)行圖層合成顯示;
  • 以上多個(gè)boolean變量保證了每16ms最多執(zhí)行一次UI重繪;

9、UI局部重繪

View重繪刷新,并不會導(dǎo)致所有View都進(jìn)行一次measure、layout、draw,只是這個(gè)待刷新View鏈路需要調(diào)整,剩余的View可能不需要浪費(fèi)精力再來一遍;

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

繪制總結(jié)

  • android最高60FPS,是VSYNC及決定的,每16ms最多一幀;
  • VSYNC要客戶端主動申請,才會有;
  • 有VSYNC到來才會刷新;
  • UI沒更改,不會請求VSYNC也就不會刷新;

原文鏈接:https://juejin.cn/post/7174617975168139319

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