Android Vsync与UI刷新原理分析
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2022-11-22 15:15
和你一起终身学习，这里是程序员Android
经典好文推荐，通过阅读本文，您将收获以下知识点:
从UI控件内容更改到被重新绘制到屏幕上，这中间到底经历了什么？另外，连续两次setTextView到底会触发几次UI重绘呢？为什么Android APP的帧率最高是60FPS呢，这就是本文要讨论的内容。
以电影为例，动画至少要达到24FPS，才能保证画面的流畅性，低于这个值，肉眼会感觉到卡顿。在手机上，这个值被调整到60FPS，增加丝滑度，这也是为什么有个（1000/60）16ms的指标，一般而言目前的Android系统最高FPS也就是60，它是通过了一个VSYNC来保证每16ms最多绘制一帧。简而言之：UI必须至少等待16ms的间隔才会绘制下一帧，所以连续两次setTextView只会触发一次重绘。下面来具体看一下UI的重绘流程。
UI刷新流程示意
以Textview为例 ，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
从我们的代码端来看如下：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，那么UI更新的Task就会被延迟执行，这是Android的Looper跟MessageQueue决定的。
APP端触发重绘，申请VSYNC流程示意
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等到VSYNC到来后，会移除同步栅栏，并率先开始执行当前帧的处理，调用逻辑如下
VSYNC回来流程示意
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doFrame执行UI绘制的示意图
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UI刷新源码跟踪
同TextView类似，View内容改变一般都会调用invalidate触发视图重绘，这中间经历了什么呢？View会递归的调用父容器的invalidateChild，逐级回溯，最终走到ViewRootImpl的invalidate，如下：
View.java
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，如下：
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();
}
}
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);
}
}
}
scheduleTraversals利用mTraversalScheduled保证，在当前的mTraversalRunnable未被执行前，scheduleTraversals不会再被有效调用，也就是Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL理论上应该只有一个mTraversalRunnable的Task。mChoreographer.postCallback将mTraversalRunnable插入到CallBack之后，会接着调用scheduleFrameLocked请求Vsync同步信号
// 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);
}
}
}
}
scheduleFrameLocked跟上一个scheduleTraversals类似，也采用了利用mFrameScheduled来保证：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，
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
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);
<!--不知道干啥的-->
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，
// 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，这也是目前Android存在60FPS上限的原因。
注： VSYNC同步信号需要用户主动去请求才会收到，并且是单次有效。
UI局部重绘
某一个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，反应再APP侧就是：不需要再次调用所有ViewupdateDisplayListIfDirty构建RenderNode渲染Op树，如下
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;
}
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
UI局部重绘其实只是省去了再次构建硬件加速用的DrawOp树（复用上衣帧的）
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