刷新率、幀率
刷新率：每秒屏幕刷新次數(shù)。
幀率：GPU 在一秒內(nèi)繪制的幀數(shù)。
雖然現(xiàn)在有的廠商推出了高刷新率的手機(jī)，但是主流的還是 60Hz，即1秒顯示60幀，1000ms / 60 frames ≈ 16.67 ms/frames，為了保證 App 的流暢度，我們應(yīng)該盡量讓每幀的繪制時(shí)間不超過(guò) 16ms。
Android 系統(tǒng)顯示原理
Android 的顯示過(guò)程可以簡(jiǎn)單概括為：應(yīng)用程序把經(jīng)過(guò) measure(測(cè)量)、layout(布局)、draw(繪制)后的 surface 緩存數(shù)據(jù)，通過(guò) SurfaceFlinger 把數(shù)據(jù)渲染到顯示屏幕上，通過(guò) Android 的刷新機(jī)制來(lái)刷新數(shù)據(jù)。換言之，應(yīng)用層負(fù)責(zé)繪制，系統(tǒng)層負(fù)責(zé)渲染，通過(guò)進(jìn)程間通信把應(yīng)用層需要繪制的數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)層服務(wù)，系統(tǒng)層通過(guò)刷新機(jī)制把數(shù)據(jù)更新到屏幕上。
以下是有關(guān)概念的解釋：
- Surface，surface持有用于最終顯示在屏幕上的像素?cái)?shù)據(jù)，一個(gè) window 對(duì)應(yīng)著一個(gè) Surface，Android 中 每個(gè) view 都會(huì)繪制到 Surface 上，其中包含了兩個(gè)（小于4.1版本）或者三個(gè)（4.1及以上版本）緩沖區(qū)中。
- Window，window 實(shí)際上是 View 的直接管理者，每個(gè) window 擁有一個(gè) surface，它的具體實(shí)現(xiàn)是 PhoneWindow，WindowManager 是外界訪問 window 的入口。
- Canvas ，Canvas 是 Surface 繪圖時(shí)返回的一個(gè)接口，并提供豐富的繪圖的 API，用來(lái)進(jìn)行實(shí)際的繪圖操作。
應(yīng)用層
在 Android 中每個(gè) view 都會(huì)經(jīng)過(guò) measure 和 layout 來(lái)確定其所在的大小和位置，然后繪制到 surface （緩沖區(qū)上），繪制是由 ViewRootImpl 類中 performTraversals() 方法發(fā)起的。
Android支持兩種繪制方式： 和
。硬件極速?gòu)?Android 3.0 開始支持，它在 UI 顯示和繪制效率方面遠(yuǎn)高于軟件繪制，但是它的也有缺點(diǎn)：
- 耗電，GPU 功耗高于 CPU。
- 兼容性，不兼容某些接口和方法。
- 內(nèi)存占用大。
系統(tǒng)層
經(jīng)過(guò)多次繪制后，要顯示的 view 相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（如大小和位置）在 Surface 的緩沖區(qū)中，接下來(lái)渲染操作交由系統(tǒng)進(jìn)程中的 SurfaceFlinger 服務(wù)來(lái)完成，這是一個(gè) IPC（進(jìn)程間通信）過(guò)程。SurfaceFlinger 的主要工作流程如下：
- 響應(yīng)客戶端事件，創(chuàng)建 Layer 與客戶端的 Surface 建立連接。
- 接收客戶端數(shù)據(jù)和屬性，修改 Layer 屬性，如尺寸、顏色、透明度等。
- 將創(chuàng)建的 Layer 內(nèi)容刷新到屏幕上。
- 維持 Layer 的序列，并對(duì) Layer 最終輸出做出裁剪計(jì)算。
當(dāng) Android 應(yīng)用層在圖形緩沖區(qū)中繪制好 View 層次結(jié)后，應(yīng)用層通過(guò) Binder 機(jī)制與 SurfaceFlinger 通信并借助一塊匿名共享內(nèi)存把圖形緩沖區(qū)交給 SurfaceFlinger 服務(wù)。由于單純的匿名共享服務(wù)在傳遞多個(gè)窗口數(shù)據(jù)時(shí)缺乏有效的管理，所以匿名共享內(nèi)存就被抽象為一個(gè)更上層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——SharedClient，在 SharedClient 中，最多有 31 個(gè) SharedBufferStack，每個(gè) SharedBufferStack 都對(duì)應(yīng)一個(gè) Surface 即一個(gè) Window。這表明一個(gè) Android 應(yīng)用程序最多可以包含 31 個(gè) window。
繪制的過(guò)程首先是 CPU 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（measure、layout等），GPU 負(fù)責(zé)柵格化、渲染。因?yàn)閳D像 API 不允許 CPU 直接與 GPU 通信，所以要通過(guò)一個(gè)圖形驅(qū)動(dòng)的中間層來(lái)進(jìn)行連接。圖形驅(qū)動(dòng)里面維護(hù)了一個(gè)隊(duì)列，CPU 把 display list（待顯示的數(shù)據(jù)列表）添加到隊(duì)列中，GPU 從這個(gè)隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，最終在屏幕上顯示出來(lái)，如下圖所示：
Android 系統(tǒng)每隔 16ms 會(huì)發(fā)出 VSYNC 信號(hào)，觸發(fā)對(duì) UI 進(jìn)行渲染，如果每次都渲染成功，就能夠達(dá)到流暢畫面所需的 60PS。
垂直同步、雙緩沖和三級(jí)緩沖
雙緩沖
雙緩沖顧名思義是有兩個(gè)緩沖區(qū)(上文提到的 SharedBufferStack)，分別是 FontBuffer（又叫作 FrameBuffer） 和 BackBuffer。UI 總是先在 Back Buffer 中繪制，然后再和 Font Buffer 交換，渲染到顯示設(shè)備中，即只有當(dāng)另一個(gè) buffer 的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，才會(huì)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)通知顯示設(shè)備切換 Buffer。
雙緩沖機(jī)制在大部分情況下是適用的，但是如果某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，CPU 資源就有可能存在浪費(fèi)，如下圖所示：
VSYNC 類似與時(shí)鐘中斷。豎線分割的部分代表 16ms 的時(shí)間段。正常情況下，在每一時(shí)間段內(nèi)，Display 顯示一幀數(shù)據(jù)（即每秒60幀）。
上圖中在第二個(gè) 16ms 時(shí)間段內(nèi)，Display 本應(yīng)顯示 B 幀，但是因?yàn)?GPU 還在處理 B 幀，導(dǎo)致 A 幀被重復(fù)顯示。與此同時(shí)，在第二個(gè)時(shí)間段內(nèi)，處于 CPU 處于空閑狀態(tài)，造成了浪費(fèi)。因?yàn)?A Buffer 被 Diaplay 在使用（SufaceFlinger 用完后不會(huì)釋放當(dāng)前的 Buffer，只會(huì)釋放舊的 Buffer），B Buffer 被 GPU 在使用，這就是 雙緩沖機(jī)制的局限性。
三級(jí)緩沖
Android 4.1 版本中對(duì) Android Display 系統(tǒng)進(jìn)行了重構(gòu)，引入了三個(gè)核心元素：
-
。VSYNC 是 Vertical Synchronization 的縮寫，可以認(rèn)為是一種定時(shí)中斷。
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。 Choreographer 起調(diào)度的作用，將繪制工作統(tǒng)一到 VSYNC 的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，使應(yīng)用的繪制工作有序，具體來(lái)說(shuō)是當(dāng)收到 VSYNC 信號(hào)時(shí)，調(diào)用用戶設(shè)置的回調(diào)函數(shù)，回調(diào)類型的優(yōu)先級(jí)從高到低為 ALLBACK_INPUT、CALLBACK_ANIMATION、CALLBACK_TRAVERSAL。
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。Triple Buffer 的引入是為了解決上文提到的 CPU 沒有 buffer 可用的窘境。如下圖所示：
在第二個(gè) 16ms 時(shí)間內(nèi)，CPU 使用 C Buffer 繪圖，雖然還是會(huì)多顯示 A 幀一次，但是后續(xù)的顯示相對(duì)雙緩沖機(jī)制就順滑多了。但是 Buffer 并不是越多越好，從上圖可知，在第二個(gè)時(shí)間內(nèi)，CPU 繪制的第 C 幀數(shù)據(jù)要到第四個(gè) 16ms 才能顯示，這比雙 Buffer 多了 16ms 的延遲。由此可見，雙緩沖保證低時(shí)延，三緩沖保證穩(wěn)定性。
整個(gè)流程簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是 CPU/GPU 會(huì)接收到 VSYNC 信號(hào)，觸發(fā)對(duì) UI 進(jìn)行渲染（每 16ms 顯示一幀）。在 16ms 內(nèi)需要完成兩項(xiàng)任務(wù)：將 UI 對(duì)象轉(zhuǎn)換為一系列多邊形和紋理（柵格化）和 CPU 傳遞處理數(shù)據(jù)到 GPU，更詳細(xì)的內(nèi)容可以看這篇文章Android的16ms和垂直同步以及三重緩存。
拓展
了解 Android 繪制流程后，我們不難反推 Android 應(yīng)用程序卡頓的原因：
- 繪制任務(wù)太重，繪制一幀的時(shí)間耗時(shí)太長(zhǎng)，超過(guò)了 16ms。常見的場(chǎng)景是布局層級(jí)嵌套過(guò)多、過(guò)度繪制等。
- 主線程阻塞，導(dǎo)致 VSYNC 信號(hào)到來(lái)時(shí)還沒有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)導(dǎo)致丟幀。
