圖形顯示過程
幀的渲染過程中一些關鍵組件的流程圖
Image Stream Producers（圖像生產(chǎn)者）
任何可以產(chǎn)生圖形信息的組件都統(tǒng)稱為圖像的生產(chǎn)者，比如OpenGL ES, Canvas 2D, 和 媒體解碼器等。
Image Stream Consumers（圖像消費者）
SurfaceFlinger是最常見的圖像消費者，Window Manager將圖形信息收集起來提供給SurfaceFlinger,SurfaceFlinger接受后經(jīng)過合成再把圖形信息傳遞給顯示器。同時，SurfaceFlinger也是唯一一個能夠改變顯示器內(nèi)容的服務。SurfaceFlinger使用OpenGL和Hardware Composer來生成surface.
某些OpenGL ES 應用同樣也能夠充當圖像消費者，比如相機可以直接使用相機的預覽界面圖像流，一些非GL應用也可以是消費者，比如ImageReader 類。
Window Manager
Window Manager是一個用于控制window的系統(tǒng)服務，包含一系列的View。每個Window都會有一個surface，Window Manager會監(jiān)視window的許多信息，比如生命周期、輸入和焦點事件、屏幕方向、轉(zhuǎn)換、動畫、位置、轉(zhuǎn)換、z-order等，然后將這些信息（統(tǒng)稱window metadata）發(fā)送給SurfaceFlinger，這樣，SurfaceFlinger就能將window metadata合成為顯示器上的surface。
Hardware Composer
為硬件抽象層（HAL）的子系統(tǒng)。SurfaceFlinger可以將某些合成工作委托給Hardware Composer，從而減輕OpenGL和GPU的工作。此時，SurfaceFlinger扮演的是另一個OpenGL ES客戶端，當SurfaceFlinger將一個緩沖區(qū)或兩個緩沖區(qū)合成到第三個緩沖區(qū)時，它使用的是OpenGL ES。這種方式會比GPU更為高效。
一般應用開發(fā)都要將UI數(shù)據(jù)使用Activity這個載體去展示，典型的Activity顯示流程為：
- startActivity啟動Activity；
- 為Activity創(chuàng)建一個window(PhoneWindow)，并在WindowManagerService中注冊這個window；
- 切換到前臺顯示時，WindowManagerService會要求SurfaceFlinger為這個window創(chuàng)建一個surface用來繪圖。SurfaceFlinger創(chuàng)建一個”layer”（surface）。（以想象一下C/S架構(gòu)，SF對應Server，對應Layer；App對應Client，對應Surface）,這個layer的核心即是一個BufferQueue，這時候app就可以在這個layer上render了；
將所有的layer進行合成，顯示到屏幕上。
一般app而言，在任何屏幕上起碼有三個layer：
- 屏幕頂端的status bar
- 屏幕下面的navigation bar
- 還有就是app的UI部分。
一些特殊情況下，app的layer可能多余或者少于3個，例如對全屏顯示的app就沒有status bar，而對launcher，還有個為了wallpaper顯示的layer。status bar和navigation bar是由系統(tǒng)進行去render，因為不是普通app的組成部分嘛。而app的UI部分對應的layer當然是自己去render，所以就有了第4條中的所有l(wèi)ayer進行“合成”。
GUI框架
Hardware Composer
那么android是如何使用這兩種合成機制的呢？這里就是Hardware Composer的功勞。處理流程為：
- SurfaceFlinger給HWC提供layer list，詢問如何處理這些layer；
- HWC將每個layer標記為overlay或者GLES composition，然后回饋給SurfaceFlinger；
- SurfaceFlinger需要去處理那些GLES的合成，而不用去管overlay的合成，最后將overlay的layer和GLES合成后的buffer發(fā)送給HWC處理。
借用google一張圖說明，可以將上面講的很多概念展現(xiàn)，很清晰。地址位于 https://source.android.com/devices/graphics/
關于幀率
即 Frame Rate，單位 fps，是指 gpu 生成幀的速率，如 33 fps，60fps，越高越好。
但是對于快速變化的游戲而言，你的FPS很難一直保持同樣的數(shù)值，他會隨著你所看到的顯示卡所要描畫的畫面的復雜程度而變化。
VSync
安卓系統(tǒng)中有 2 種 VSync 信號：
- 屏幕產(chǎn)生的硬件 VSync： 硬件 VSync 是一個脈沖信號，起到開關或觸發(fā)某種操作的作用。
- 由 SurfaceFlinger 將其轉(zhuǎn)成的軟件 Vsync 信號：經(jīng)由 Binder 傳遞給 Choreographer。
單層緩沖引發(fā)“畫面撕裂”問題
如上圖，CPU/GPU 向 Buffer 中生成圖像，屏幕從 Buffer 中取圖像、刷新后顯示。這是一個典型的生產(chǎn)者——消費者模型。理想的情況是幀率和刷新頻率相等，每繪制一幀，屏幕顯示一幀。而實際情況是，二者之間沒有必然的大小關系，如果沒有鎖來控制同步，很容易出現(xiàn)問題。
所謂”撕裂”就是一種畫面分離的現(xiàn)象，這樣得到的畫像雖然相似但是上半部和下半部確實明顯的不同。這種情況是由于幀繪制的頻率和屏幕顯示頻率不同步導致的，比如顯示器的刷新率是75Hz,而某個游戲的FPS是100. 這就意味著顯示器每秒更新75次畫面，而顯示卡每秒更新100次，比你的顯示器快33%。
雙緩沖
兩個緩存區(qū)分別為 Back Buffer 和 Frame Buffer。GPU 向 Back Buffer 中寫數(shù)據(jù)，屏幕從 Frame Buffer 中讀數(shù)據(jù)。VSync 信號負責調(diào)度從 Back Buffer 到 Frame Buffer 的復制操作，可認為該復制操作在瞬間完成。
雙緩沖的模型下，工作流程這樣的：
在某個時間點，一個屏幕刷新周期完成，進入短暫的刷新空白期。此時，VSync 信號產(chǎn)生，先完成復制操作，然后通知 CPU/GPU 繪制下一幀圖像。復制操作完成后屏幕開始下一個刷新周期，即將剛復制到 Frame Buffer 的數(shù)據(jù)顯示到屏幕上。
在這種模型下，只有當 VSync 信號產(chǎn)生時，CPU/GPU 才會開始繪制。這樣，當幀率大于刷新頻率時，幀率就會被迫跟刷新頻率保持同步，從而避免“tearing”現(xiàn)象。
VSYNC 偏移
應用和SurfaceFlinger的渲染回路必須同步到硬件的VSYNC，在一個VSYNC事件中，顯示器將顯示第N幀，SurfaceFlinger合成第N+1幀，app合成第N+2幀。
使用VSYNC同步可以保證延遲的一致性，減少了app和SurfaceFlinger的錯誤，以及顯示在各個階段之間的偏移。然而，前提是app和SurfaceFlinger每幀時間的變化并不大。因此，從輸入到顯示的延遲至少有兩幀。
為了解決這個問題，您可以使用VSYNC偏移量來減少輸入到顯示的延遲，其方法為將app和SurfaceFlinger的合成信號與硬件的VSYNC關聯(lián)起來。因為通常app的合成耗時是小于兩幀的（33ms左右）。
VSYNC偏移信號細分為以下3種，它們都保持相同的周期和偏移向量：
- HW_VSYNC_0：顯示器開始顯示下一幀。
- VSYNC：app讀取輸入并生成下一幀。
- SF VSYNC：SurfaceFlinger合成下一幀的。
收到VSYNC偏移信號之后， SurfaceFlinger 才開始接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行幀的合成，而app才處理輸入并渲染幀，這些操作都將在16.7ms完成。
Jank 掉幀
注意，當 VSync 信號發(fā)出時，如果 GPU/CPU 正在生產(chǎn)幀數(shù)據(jù)，此時不會發(fā)生復制操作。屏幕進入下一個刷新周期時，從 Frame Buffer 中取出的是“老”數(shù)據(jù)，而非正在產(chǎn)生的幀數(shù)據(jù)，即兩個刷新周期顯示的是同一幀數(shù)據(jù)。這是我們稱發(fā)生了“掉幀”（Dropped Frame，Skipped Frame，Jank）現(xiàn)象。
流暢性解決方案思路
- 從dumpsys SurfaceFlinger --latency中獲取127幀的數(shù)據(jù)
- 上面的命令返回的第一行為設備本身固有的幀耗時，單位為ns，通常在16.7ms左右
- 從第二行開始，分為3列，一共有127行，代表每一幀的幾個關鍵時刻，單位也為ns
第一列t1： when the app started to draw （開始繪制圖像的瞬時時間）
第二列t2： the vsync immediately preceding SF submitting the frame to the h/w （VSYNC信令將軟件SF幀傳遞給硬件HW之前的垂直同步時間），也就是對應上面所說的軟件Vsync
第三列t3： timestamp immediately after SF submitted that frame to the h/w （SF將幀傳遞給HW的瞬時時間，及完成繪制的瞬時時間）
- 將第i行和第i-1行t2相減，即可得到第i幀的繪制耗時，提取出每一幀不斷地dump出幀信息，計算出
一些計算規(guī)則
計算fps:
每dumpsys SurfaceFlinger一次計算匯總出一個fps,計算規(guī)則為：
frame的總數(shù)N：127行中的非0行數(shù)
繪制的時間T：設t=當前行t2 - 上一行的t2，求出所有行的和∑t
fps=N/T (要注意時間轉(zhuǎn)化為秒)
計算中一些細節(jié)問題
一次dumpsys SurfaceFlinger會輸出127幀的信息，但是這127幀可能是這個樣子：
...
0 0 0
0 0 0
0 0 0
575271438588 575276081296 575275172129
575305169681 575309795514 575309142441
580245208898 580250445565 580249372231
580279290043 580284176346 580284812908
580330468482 580334851815 580333739054
0 0 0
0 0 0
...
575271438588 575276081296 575275172129
575305169681 575309795514 575309142441
出現(xiàn)0的地方是由于buffer中沒有數(shù)據(jù)，而非0的地方為繪制幀的時刻，因此僅計算非0的部分數(shù)據(jù)
觀察127行數(shù)據(jù)，會發(fā)現(xiàn)偶爾會出現(xiàn)9223372036854775808這種數(shù)字，這是由于字符溢出導致的，因此這一行數(shù)據(jù)也不能加入計算
不能單純的dump一次計算出一個fps，舉個例子，如果A時刻操作了手機，停留3s后，B時刻再次操作手機，按照上面的計算方式，則t>3s,并且也會參與到fps的計算去，從而造成了fps不準確，因此，需要加入一個閥值判斷，當t大于某個值時，就計算一次fps，并且把相關數(shù)據(jù)重新初始化，這個值一般取500ms
如果t<16.7ms,則直接按16.7ms算，同樣的總耗時T加上的也是16.7
計算jank的次數(shù):
如果t3-t1>16.7ms，則認為發(fā)生一次卡頓
流暢度得分計算公式
設目標fps為target_fps，目標每幀耗時為target_ftime=1000/target_fps
從以下幾個維度衡量流暢度：
- fps: 越接近target_fps越好，權重分配為40%
- 掉幀數(shù)：越少越好，權重分配為40%
- 超時幀：拆分成以下兩個維度
- 超時幀的個數(shù)，越少越好，權重分配為5%
- 最大超時幀的耗時，越接近target_ftime越好，權重分配為15%
end_time = round(last_frame_time / 1000000000, 2)
T = utils.get_current_time()
fps = round(frame_counts * 1000 / total_time, 2)
# 計算得分
g = fps / target
if g > 1:
g = 1
if max_frame_time - kpi <= 1:
max_frame_time = kpi
h = kpi / max_frame_time
score = round((g * 50 + h * 10 + (1 - over_kpi_counts / frame_counts) * 40), 2)
參考文章：
http://windrunnerlihuan.com/2017/05/21/VSync%E4%BF%A1%E5%8F%B7/
