Android的VSYNC機(jī)制和UI刷新流程示例詳解
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(hào)詳解
1、屏幕刷新相關(guān)知識(shí)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(huì)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(dòng)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(hào),觸發(fā)對(duì)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(jiǎn)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(hào),Vsync每16ms一次,那么在每次發(fā)出Vsync命令時(shí),CPU都會(huì)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(huì)響應(yīng)Vsync的命令,來進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新的動(dòng)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(huì)進(jìn)行刷新或顯示的動(dòng)作。CPU/GPU接收vsync信號(hào)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(hào)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(dòng)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(huì)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(huì)立刻改變,APP端會(huì)先向VSYNC服務(wù)請(qǐng)求,等到下一次VSYNC信號(hào)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(qǐng)重繪,最后會(huì)通過ViewParent遞歸到ViewRootImpl的invalidate,請(qǐng)求VSYNC,在請(qǐng)求VSYNC的時(shí)候,會(huì)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(huì)遞歸的調(diào)用父容器的invalidateChild,逐級(jí)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(huì)調(diào)用scheduleTraversals準(zhǔn)備重繪,但是,重繪一般不會(huì)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(qǐng)VSYNC,這個(gè)mTraversalRunnable要一直等到申請(qǐng)的VSYNC到來后才會(huì)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(hào)到來的等待callback中去 // mTraversalScheduled用來保證本次Traversals未執(zhí)行前,不會(huì)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(qǐng)求vnsc垂直同步信號(hào)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(qǐng)VSYNC同步信號(hào)
Choreographer知識(shí)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(qǐng)VSYNC同步信號(hào)--> scheduleFrameLocked(now); } } }
5、scheduleFrameLocked
// mFrameScheduled保證16ms內(nèi),只會(huì)申請(qǐng)一次垂直同步信號(hào) // 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(huì)有新的請(qǐng)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(qǐng)的VSYNC到來之前,不會(huì)再去請(qǐng)求新的VSYNC,因?yàn)?6ms內(nèi)申請(qǐng)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(hào)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(qǐng)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(hào)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(huì)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(hào),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(qǐng)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(qǐng)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(shí)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(dòng)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(cè)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(dòng)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(jí)還是挺高的,所有的同步消息必須讓步--> mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier); performTraversals(); } }
- doTraversal會(huì)先將柵欄移除,然后處理performTraversals,進(jìn)行測(cè)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(huì)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(dòng)申請(qǐng),才會(huì)有;
- 有VSYNC到來才會(huì)刷新;
- UI沒更改,不會(huì)請(qǐng)求VSYNC也就不會(huì)刷新;
以上就是Android的VSYNC機(jī)制和UI刷新流程示例詳解的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Android VSYNC機(jī)制UI刷新的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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