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说说Android的UI刷新机制的实现

本文主要解决以下几个问题：

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  1. 我们都知道Android的刷新频率是60帧/秒，这是不是意味着每隔16ms就会调用一次onDraw方法？
  2. 如果界面不需要重绘，那么16ms到后还会刷新屏幕吗？
  3. 我们调用invalidate()之后会马上进行屏幕刷新吗？
  4. 我们说丢帧是因为主线程做了耗时操作，为什么主线程做了耗时操作就会引起丢帧？
  5. 如果在屏幕快要刷新的时候才去OnDraw（）绘制，会丢帧吗？

好了，带着以上问题，我们进入源码来找寻答案。

一、屏幕绘制流程

屏幕绘制机制的基本原理可以概括如下：

说说Android的UI刷新机制的实现

整个屏幕绘制的基本流程是：

  • 应用向系统服务申请buffer
  • 系统服务返回buffer
  • 应用绘制后提交buffer给系统服务

如果放到Android中来，那么就是：

说说Android的UI刷新机制的实现

在Android中，一块Surface对应一块内存，当内存申请成功后，App端才有绘图的地方。由于Android的view绘制不是今天的重点，所以这里点到为止~

二、屏幕刷新分析

屏幕刷新的时机是当Vsync信号到来的时候，具体如图：

说说Android的UI刷新机制的实现

在Android端，是谁在控制 Vsync 的产生？又是谁来通知我们应用进行刷新的呢？ 在Android中， Vysnc 信号的产生是由底层 HWComposer 负责的，而通知应用进行刷新，是Java层的 Choreographer ，Android整个屏幕刷新的核心就在于这个 Choreographer 。

下面我们结合代码一起来看一下。

每次当我们要进行ui重绘的时候，都会调用 requestLayout() ，所以，我们从这个方法入手：

2.1 requestLayout()

----》类名:ViewRootImpl

  @Override
  public void requestLayout() {
    if (!mHandlingLayoutInLayoutRequest) {
      checkThread();
      mLayoutRequested = true;
      //重点
      scheduleTraversals();
    }
  }

2.2 scheduleTraversals()

----》类名:ViewRootImpl

  void scheduleTraversals() {
    if (!mTraversalScheduled) {
      mTraversalScheduled = true;
      mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
      mChoreographer.postCallback(
          Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
      ......
    }
  }

可以看到，在这里并没有立即进行重绘，而是做了两件事情：

  • 往消息队列里面插入一条SyncBarrier（同步屏障）
  • 通过Cherographer post了一个callback

接下来，我们简单说一下这个 SyncBarrier （同步屏障）。

异步屏障的作用在于：

  • 阻止同步消息的执行
  • 优先执行异步消息

为什么要设计这个 SyncBarrier 呢？主要原因在于，在Android中，有些消息是十分紧急的，需要马上执行，如果说消息队列里面普通消息太多的话，那等到执行它的时候可能早就过了时机了。

到这里，可能有人会跟我一样，觉得为什么不干脆在Message里搞个优先级，按照优先级来进行排序呢？弄个 PriorityQueue 不就完了吗？

我自己的理解是，在Android中，消息队列的设计是一个 单链表 ，整个链表的排序是根据时间进行排序的，如果此时再加入一个优先级的排序规则，一方面会复杂会排序规则，另一方面，也会使得消息不可控。因为优先级是可以用户自己在外面填的，那样不就乱套了吗？如果用户每次总填最高的优先级，这样就会导致系统消息很久才会消费，整个系统运作就会出问题，最后影响用户体验，所以，我自己觉得Android的同步屏障这个设计还是挺巧妙的~

好了，总结一下，执行 scheduleTraversals() 后，会插入一个屏障，保证异步消息的优先执行。

插入一个小小的思考题： 如果说我们在一个方法里连续调用了 requestLayout() 多次，那么请问：系统会插入多条屏障或者 post 多个 Callback 吗？ 答案是不会，为什么呢？看到 mTraversalScheduled 这个变量了吗？它就是答案~

2.3 Choreographer.postCallback()

先来简单说一下 Choreographer ， Choreographer 中文翻译叫 编舞者 ，它的主要作用是进行系统协调的。（大家可以上网google下实际工作中的编舞者，这个类名真的起的很贴切了~）

Choreographer 这个类是应用怎么初始化的呢？是通过 getInstance() 方法：

 public static Choreographer getInstance() {
    return sThreadInstance.get();
  }
  
    // Thread local storage for the choreographer.
  private static final ThreadLocal sThreadInstance =
      new ThreadLocal() {
    @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;
    }
  };

这里贴出来是为了提醒大家， Choreographer 不是单例，而是每个线程都有单独的一份。

好了，回到我们的代码：

 ----》类名: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 {
        ...
       }
      }

Choreographer post的callback会放入 CallbackQueue 里面，这个 CallbackQueue 是一个单链表。

首先会根据callbackType得到一条 CallbackQueue 单链表，之后会根据时间顺序，将这个callback插入到单链表中；

2.4 scheduleFrameLocked（）

 ----》类名: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 {
        ...
      }
    }
  }

scheduleFrameLocked 的作用是：

  • 如果当前线程就是 Cherographer 的工作线程的话，那么就直接执行 scheduleVysnLocked
  • 否则，就发送一个异步消息到消息队列里面去 ，这个异步消息是不受同步屏障影响的，而且这个消息还要插入到消息队列的头部，可见这个消息是非常紧急的

跟踪源代码，我们发现，其实 MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC 这条消息，最终执行的也是 scheduleFrameLocked 这个方法，所以我们直接跟踪 scheduleVsyncLocked() 这个方法。

2.5 scheduleVsyncLocked()

 ----》类名:Choreographer
 
  private void scheduleVsyncLocked() {
    mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();
  }
  
 ----》类名: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层一个类的指针地址
    //这里这个类指的是底层NativeDisplayEventReceiver这个类
    //nativeScheduleVsync底层会调用到requestNextVsync（）去请求下一个Vsync，
    //具体不跟踪了，native层代码更长，还涉及到各种描述符监听以及跨进程数据传输
      nativeScheduleVsync(mReceiverPtr);
    }
  }

这里我们可以看到一个新的类： DisplayEventReceiver ,这个类的作用是注册Vsync信号的监听，当下个Vsync信号到来的时候就会通知到这个 DisplayEventReceiver 了。

在哪里通知呢？源码里注释写的非常清楚了：

 ----》类名:DisplayEventReceiver
 
  // Called from native code. <---注释还是很良心的
  private void dispatchVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
    onVsync(timestampNanos, builtInDisplayId, frame);
  }

当下一个Vysnc信号到来的时候，会最终调用 onVsync 方法：

 public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
  }

点进去一看，是个空实现，回到类定义，原来是个抽象类，它的实现类是： FrameDisplayEventReceiver ,定义在 Cherographer 里面：

 ----》类名:Choreographer
 
private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver
      implements Runnable {
      ....
      }

2.6 FrameDisplayEventReceiver.onVysnc()

 ----》类名: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);
    }
  }

onVsync 方法往 Cherographer 所在线程的消息队列中发送的一个消息，这个消息是就是它自己（它实现了Runnable），所以最终会调用到 doFrame() 方法。

2.7 doFrame(mTimestampNanos, mFrame)

doFrame（）的处理分为两个阶段：

  void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
    final long startNanos;
    synchronized (mLock) {
      //1、阶段一
      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.");
        }
        ...
      }
      ...
    }

frameTimeNanos 是当前的时间戳，将当前的时间和开始时间相减，得到这一帧处理花费了多长，如果大于 mFrameIntervalNano ，说明处理耗时了，之后就打印出我们日常见到的 The application may be doing too much work on its main thread 。

阶段二：

 void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
 ...
try {
//阶段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);
    } 
    ...
    }

doFrame() 的第二个阶段做的是处理各种callback，从CallbackQueue里面取出到执行时间的callback进行处理，那这个callback是怎么样呢？

这里要回忆一下之前的 postCallback() 操作：

说说Android的UI刷新机制的实现

这个 Callback 其实就一个 mTraversalRunnable ，它是一个 Runnable ，最终会调用到 run() 方法，实现界面的真正刷新：

 ----》类名:ViewRootImpl

  final class TraversalRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      doTraversal();
    }
  }
  
  void doTraversal() {
    if (mTraversalScheduled) {
     ...
      performTraversals();
     ...
    }
  }
  
  private void performTraversals() {
   ...
   //开始真正的界面绘制
    performDraw();
   ...
  }

三、总结

经过漫长的代码跟踪，整个界面刷新流程算是跟踪完了，下面我们来总结一下：

说说Android的UI刷新机制的实现

四、问题解答

我们都知道Android的刷新频率是60帧/秒，这是不是意味着每隔16ms就会调用一次onDraw方法？

这里60帧/秒是屏幕刷新频率，但是是否会调用onDraw()方法要看应用是否调用requestLayout()进行注册监听。

如果界面不需要重绘，那么还16ms到后还会刷新屏幕吗？

如果不需要重绘，那么应用就不会受到Vsync信号，但是还是会进行刷新，只不过绘制的数据不变而已；

我们调用invalidate()之后会马上进行屏幕刷新吗？

不会，到等到下一个Vsync信号到来

我们说丢帧是因为主线程做了耗时操作，为什么主线程做了耗时操作就会引起丢帧

原因是，如果在主线程做了耗时操作，就会影响下一帧的绘制，导致界面无法在这个Vsync时间进行刷新，导致丢帧了。

如果在屏幕快要刷新的时候才去OnDraw（）绘制，会丢帧吗？

这个没有太大关系，因为Vsync信号是周期的，我们什么时候发起onDraw（）不会影响界面刷新；

五、参考文档

gityuan大神的 Cherographer原理
慕课视频

到此这篇关于说说Android的UI刷新机制的实现的文章就介绍到这了,更多相关Android UI刷新机制内容请搜索创新互联以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持创新互联！


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