本文主要解決以下幾個問題:
- 我們都知道Android的刷新頻率是60幀/秒,這是不是意味著每隔16ms就會調用一次onDraw方法?
- 如果界面不需要重繪,那麼16ms到後還會刷新屏幕嗎?
- 我們調用invalidate()之後會馬上進行屏幕刷新嗎?
- 我們說丟幀是因為主線程做了耗時操作,為什麼主線程做了耗時操作就會引起丟幀?
- 如果在屏幕快要刷新的時候才去OnDraw()繪製,會丟幀嗎?
好了,帶著以上問題,我們進入源碼來找尋答案。
一、屏幕繪製流程
屏幕繪製機制的基本原理可以概括如下:
整個屏幕繪製的基本流程是:
- 應用向系統服務申請buffer
- 系統服務返回buffer
- 應用繪製後提交buffer給系統服務
如果放到Android中來,那麼就是:
在Android中,一塊Surface對應一塊內存,當內存申請成功後,App端才有繪圖的地方。由於Android的view繪製不是今天的重點,所以這裡點到為止~
二、屏幕刷新分析
屏幕刷新的時機是當Vsync信號到來的時候,具體如圖:
在Android端,是誰在控制Vsync的產生?又是誰來通知我們應用進行刷新的呢?在Android中,Vysnc信號的產生是由底層HWComposer負責的,而通知應用進行刷新,是Java層的Choreographer,Android整個屏幕刷新的核心就在於這個Choreographer。下面我們結合代碼一起來看一下。每次當我們要進行ui重繪的時候,都會調用requestLayout(),所以,我們從這個方法入手:
2.1 requestLayout()
<code>----》類名:ViewRootImpl
@Override
public void requestLayout() {
if (!mHandlingLayoutInLayoutRequest) {
checkThread();
mLayoutRequested = true;
//重點
scheduleTraversals();
}
}/<code>
2.2 scheduleTraversals()
<code>----》類名:ViewRootImpl
void scheduleTraversals() {
if (!mTraversalScheduled) {
mTraversalScheduled = true;
mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
mChoreographer.postCallback(
Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
......
}
}/<code>
可以看到,在這裡並沒有立即進行重繪,而是做了兩件事情:
- 往消息隊列裡面插入一條SyncBarrier(同步屏障)
- 通過Cherographer post了一個callback
接下來,我們簡單說一下這個SyncBarrier(同步屏障)。異步屏障的作用在於:
- 阻止同步消息的執行
- 優先執行異步消息
為什麼要設計這個SyncBarrier呢?主要原因在於,在Android中,有些消息是十分緊急的,需要馬上執行,如果說消息隊列裡面普通消息太多的話,那等到執行它的時候可能早就過了時機了。
到這裡,可能有人會跟我一樣,覺得為什麼不乾脆在Message裡搞個優先級,按照優先級來進行排序呢?弄個PriorityQueue不就完了嗎?
我自己的理解是,在Android中,消息隊列的設計是一個單鏈表,整個鏈表的排序是根據時間進行排序的,如果此時再加入一個優先級的排序規則,一方面會複雜會排序規則,另一方面,也會使得消息不可控。因為優先級是可以用戶自己在外面填的,那樣不就亂套了嗎?如果用戶每次總填最高的優先級,這樣就會導致系統消息很久才會消費,整個系統運作就會出問題,最後影響用戶體驗,所以,我自己覺得Android的同步屏障這個設計還是挺巧妙的~
好了,總結一下,執行scheduleTraversals() 後,會插入一個屏障,保證異步消息的優先執行。
插入一個小小的思考題:如果說我們在一個方法裡連續調用了requestLayout()多次,那麼請問:系統會插入多條屏障或者post多個Callback嗎?答案是不會,為什麼呢?看到mTraversalScheduled這個變量了嗎?它就是答案~
2.3 Choreographer.postCallback()
先來簡單說一下Choreographer,Choreographer中文翻譯叫編舞者,它的主要作用是進行系統協調的。(大家可以上網google下實際工作中的編舞者,這個類名真的起的很貼切了~) Choreographer這個類是應用怎麼初始化的呢?是通過getInstance()方法:
<code> public static Choreographer getInstance() {
return sThreadInstance.get();
}
// Thread local storage for the choreographer.
private static final ThreadLocal<choreographer> sThreadInstance =
new ThreadLocal<choreographer>() {
@Override
protected Choreographer initialValue() {
Looper looper = Looper.myLooper();
if (looper == null) {
throw new IllegalStateException("The current thread must have a looper!");
}
Choreographer choreographer = new Choreographer(looper, VSYNC_SOURCE_APP);
if (looper == Looper.getMainLooper()) {
mMainInstance = choreographer;
}
return choreographer;
}
};/<choreographer>/<choreographer>/<code>
這裡貼出來是為了提醒大家,Choreographer不是單例,而是每個線程都有單獨的一份。
好了,回到我們的代碼:
<code> ----》類名:Choreographer
//1
public void postCallback(int callbackType, Runnable action, Object token) {
postCallbackDelayed(callbackType, action, token, 0);
}
//2
public void postCallbackDelayed(int callbackType,
Runnable action, Object token, long delayMillis) {
....
postCallbackDelayedInternal(callbackType, action, token, delayMillis);
}
//3
private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
Object action, Object token, long delayMillis) {
...
mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);
if (dueTime <= now) {
scheduleFrameLocked(now);
} else {
...
}
}/<code>
Choreographerpost的callback會放入CallbackQueue裡面,這個CallbackQueue是一個單鏈表。
首先會根據callbackType得到一條CallbackQueue單鏈表,之後會根據時間順序,將這個callback插入到單鏈表中;
2.4 scheduleFrameLocked()
<code> ----》類名:Choreographer
private void scheduleFrameLocked(long now) {
...
// If running on the Looper thread, then schedule the vsync immediately,
// otherwise post a message to schedule the vsync from the UI thread
// as soon as possible.
if (isRunningOnLooperThreadLocked()) {
scheduleVsyncLocked();
} else {
Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC);
msg.setAsynchronous(true);
mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg);
}
} else {
...
}
}
}/<code>
scheduleFrameLocked的作用是:
如果當前線程就是Cherographer的工作線程的話,那麼就直接執行scheduleVysnLocked
否則,就發送一個異步消息到消息隊列裡面去 ,這個異步消息是不受同步屏障影響的,而且這個消息還要插入到消息隊列的頭部,可見這個消息是非常緊急的
跟蹤源代碼,我們發現,其實MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC這條消息,最終執行的也是scheduleFrameLocked這個方法,所以我們直接跟蹤scheduleVsyncLocked()這個方法。
2.5 scheduleVsyncLocked()
<code> ----》類名:Choreographer
private void scheduleVsyncLocked() {
mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();
}
----》類名:DisplayEventReceiver
public void scheduleVsync() {
if (mReceiverPtr == 0) {
Log.w(TAG, "Attempted to schedule a vertical sync pulse but the display event "
+ "receiver has already been disposed.");
} else {
//mReceiverPtr是Native層一個類的指針地址
//這裡這個類指的是底層NativeDisplayEventReceiver這個類
//nativeScheduleVsync底層會調用到requestNextVsync()去請求下一個Vsync,
//具體不跟蹤了,native層代碼更長,還涉及到各種描述符監聽以及跨進程數據傳輸
nativeScheduleVsync(mReceiverPtr);
}
}/<code>
這裡我們可以看到一個新的類:DisplayEventReceiver,這個類的作用是註冊Vsync信號的監聽,當下個Vsync信號到來的時候就會通知到這個DisplayEventReceiver了。
在哪裡通知呢?源碼裡註釋寫的非常清楚了:
<code> ----》類名:DisplayEventReceiver
// Called from native code. private void dispatchVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
onVsync(timestampNanos, builtInDisplayId, frame);
}/<code>
當下一個Vysnc信號到來的時候,會最終調用onVsync方法:
<code> public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
}/<code>
點進去一看,是個空實現,回到類定義,原來是個抽象類,它的實現類是:FrameDisplayEventReceiver,定義在Cherographer裡面:
<code> ----》類名:Choreographer
private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver
implements Runnable {
....
}/<code>
2.6 FrameDisplayEventReceiver.onVysnc()
<code> ----》類名:Choreographer
private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver
implements Runnable {
@Override
public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
....
mTimestampNanos = timestampNanos;
mFrame = frame;
Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
msg.setAsynchronous(true);
mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
}
@Override
public void run() {
....
doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
}
}/<code>
onVsync方法往Cherographer所在線程的消息隊列中發送的一個消息,這個消息是就是它自己(它實現了Runnable),所以最終會調用到doFrame()方法。
2.7 doFrame(mTimestampNanos, mFrame)
doFrame()的處理分為兩個階段:
<code> void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
final long startNanos;
synchronized (mLock) {
//1、階段一
long intendedFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
startNanos = System.nanoTime();
final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
if (skippedFrames >= SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT) {
Log.i(TAG, "Skipped " + skippedFrames + " frames! "
+ "The application may be doing too much work on its main thread.");
}
...
}
...
}/<code>
frameTimeNanos是當前的時間戳,將當前的時間和開始時間相減,得到這一幀處理花費了多長,如果大於mFrameIntervalNano,說明處理耗時了,之後就打印出我們日常見到的The application may be doing too much work on its main thread。
階段二:
<code> void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
...
try {
//階段2
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "Choreographer#doFrame");
AnimationUtils.lockAnimationClock(frameTimeNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
mFrameInfo.markInputHandlingStart();
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
mFrameInfo.markAnimationsStart();
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
}
...
}/<code>
doFrame()的第二個階段做的是處理各種callback,從CallbackQueue裡面取出到執行時間的callback進行處理,那這個callback是怎麼樣呢?
這裡要回憶一下之前的postCallback()操作:
這個Callback其實就一個mTraversalRunnable,它是一個Runnable,最終會調用到run()方法,實現界面的真正刷新:
<code> ----》類名:ViewRootImpl
final class TraversalRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
doTraversal();
}
}
void doTraversal() {
if (mTraversalScheduled) {
...
performTraversals();
...
}
}
private void performTraversals() {
...
//開始真正的界面繪製
performDraw();
...
}/<code>
三、總結
經過漫長的代碼跟蹤,整個界面刷新流程算是跟蹤完了,下面我們來總結一下:
四、問題解答
Q: 我們都知道Android的刷新頻率是60幀/秒,這是不是意味著每隔16ms就會調用一次onDraw方法?
A: 這裡60幀/秒是屏幕刷新頻率,但是是否會調用onDraw()方法要看應用是否調用requestLayout()進行註冊監聽。
Q: 如果界面不需要重繪,那麼還16ms到後還會刷新屏幕嗎?
A: 如果不需要重繪,那麼應用就不會受到Vsync信號,但是還是會進行刷新,只不過繪製的數據不變而已;
Q: 我們調用invalidate()之後會馬上進行屏幕刷新嗎?
A: 不會,到等到下一個Vsync信號到來
Q: 我們說丟幀是因為主線程做了耗時操作,為什麼主線程做了耗時操作就會引起丟幀
A: 原因是,如果在主線程做了耗時操作,就會影響下一幀的繪製,導致界面無法在這個Vsync時間進行刷新,導致丟幀了。
Q: 如果在屏幕快要刷新的時候才去OnDraw()繪製,會丟幀嗎?
這個沒有太大關係,因為Vsync信號是週期的,我們什麼時候發起onDraw()不會影響界面刷新;
最後
最後我想說:對於程序員來說,要學習的知識內容、技術有太多太多,要想不被環境淘汰就只有不斷提升自己,
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