说说Android的UI刷新机制的实现
本文主要解决以下几个问题：
- 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？
- 如果界面不需要重绘，那么16ms到后还会刷新屏幕吗？
- 我们调用invalidate()之后会马上进行屏幕刷新吗？
- 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？
- 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：
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：
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：
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：
2.1requestLayout()
----》类名:ViewRootImpl
@Override
publicvoidrequestLayout(){
if(!mHandlingLayoutInLayoutRequest){
checkThread();
mLayoutRequested=true;
//重点
scheduleTraversals();
}
}
2.2scheduleTraversals()
----》类名:ViewRootImpl
voidscheduleTraversals(){
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Cherographerpost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~
2.3Choreographer.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：
publicstaticChoreographergetInstance(){
returnsThreadInstance.get();
}
//Threadlocalstorageforthechoreographer.
privatestaticfinalThreadLocalsThreadInstance=
newThreadLocal(){
@Override
protectedChoreographerinitialValue(){
Looperlooper=Looper.myLooper();
if(looper==null){
thrownewIllegalStateException("Thecurrentthreadmusthavealooper!");
}
Choreographerchoreographer=newChoreographer(looper,VSYNC_SOURCE_APP);
if(looper==Looper.getMainLooper()){
mMainInstance=choreographer;
}
returnchoreographer;
}
};
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
publicvoidpostCallback(intcallbackType,Runnableaction,Objecttoken){
postCallbackDelayed(callbackType,action,token,0);
}
//2
publicvoidpostCallbackDelayed(intcallbackType,
Runnableaction,Objecttoken,longdelayMillis){
....
postCallbackDelayedInternal(callbackType,action,token,delayMillis);
}
//3
privatevoidpostCallbackDelayedInternal(intcallbackType,
Objectaction,Objecttoken,longdelayMillis){
...
mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime,action,token);
if(dueTime<=now){
scheduleFrameLocked(now);
}else{
...
}
}
Choreographerpost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；
2.4scheduleFrameLocked（）
----》类名:Choreographer
privatevoidscheduleFrameLocked(longnow){
...
//IfrunningontheLooperthread,thenschedulethevsyncimmediately,
//otherwisepostamessagetoschedulethevsyncfromtheUIthread
//assoonaspossible.
if(isRunningOnLooperThreadLocked()){
scheduleVsyncLocked();
}else{
Messagemsg=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。
2.5scheduleVsyncLocked()
----》类名:Choreographer
privatevoidscheduleVsyncLocked(){
mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();
}
----》类名:DisplayEventReceiver
publicvoidscheduleVsync(){
if(mReceiverPtr==0){
Log.w(TAG,"Attemptedtoscheduleaverticalsyncpulsebutthedisplayevent"
+"receiverhasalreadybeendisposed.");
}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
//Calledfromnativecode.<---注释还是很良心的
privatevoiddispatchVsync(longtimestampNanos,intbuiltInDisplayId,intframe){
onVsync(timestampNanos,builtInDisplayId,frame);
}
当下一个Vysnc信号到来的时候，会最终调用onVsync方法：
publicvoidonVsync(longtimestampNanos,intbuiltInDisplayId,intframe){
}
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
privatefinalclassFrameDisplayEventReceiverextendsDisplayEventReceiver
implementsRunnable{
....
}
2.6FrameDisplayEventReceiver.onVysnc()
----》类名:Choreographer
privatefinalclassFrameDisplayEventReceiverextendsDisplayEventReceiver
implementsRunnable{
@Override
publicvoidonVsync(longtimestampNanos,intbuiltInDisplayId,intframe){
....
mTimestampNanos=timestampNanos;
mFrame=frame;
Messagemsg=Message.obtain(mHandler,this);
msg.setAsynchronous(true);
mHandler.sendMessageAtTime(msg,timestampNanos/TimeUtils.NANOS_PER_MS);
}
@Override
publicvoidrun(){
....
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。
2.7doFrame(mTimestampNanos,mFrame)
doFrame（）的处理分为两个阶段：
voiddoFrame(longframeTimeNanos,intframe){
finallongstartNanos;
synchronized(mLock){
//1、阶段一
longintendedFrameTimeNanos=frameTimeNanos;
startNanos=System.nanoTime();
finallongjitterNanos=startNanos-frameTimeNanos;
if(jitterNanos>=mFrameIntervalNanos){
finallongskippedFrames=jitterNanos/mFrameIntervalNanos;
if(skippedFrames>=SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT){
Log.i(TAG,"Skipped"+skippedFrames+"frames!"
+"Theapplicationmaybedoingtoomuchworkonitsmainthread.");
}
...
}
...
}
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Theapplicationmaybedoingtoomuchworkonitsmainthread。
阶段二：
voiddoFrame(longframeTimeNanos,intframe){
...
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：
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
finalclassTraversalRunnableimplementsRunnable{
@Override
publicvoidrun(){
doTraversal();
}
}
voiddoTraversal(){
if(mTraversalScheduled){
...
performTraversals();
...
}
}
privatevoidperformTraversals(){
...
//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：
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
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