Vsync信號機制和UI刷新流程

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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機制和UI刷新流程

一、 Vsync信號詳解

1、屏幕刷新相關(guān)知識點

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個像素點，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。幀率是動態(tài)變化的，例如當(dāng)畫面靜止時，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16.6ms的時間，相當(dāng)于丟了n幀;

2、VSYNC機制

VSync機制：Android系統(tǒng)每隔16ms發(fā)出VSYNC信號，觸發(fā)對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)，可以簡單的把它認(rèn)為是一種定時中斷。而在Android 4.1(JB)中已經(jīng)開始引入VSync機制;

VSync機制下的繪制過程;CPU/GPU接收vsync信號，Vsync每16ms一次，那么在每次發(fā)出Vsync命令時，CPU都會進(jìn)行刷新的操作。也就是在每個16ms的第一時間，CPU就會響應(yīng)Vsync的命令，來進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新的動作。CPU和GPU的刷新時間，和Display的FPS是一致的。因為只有到發(fā)出Vsync命令的時候，CPU和GPU才會進(jìn)行刷新或顯示的動作。CPU/GPU接收vsync信號提前準(zhǔn)備下一幀要顯示的內(nèi)容，所以能夠及時準(zhǔn)備好每一幀的數(shù)據(jù)，保證畫面的流暢;

可見vsync信號沒有提醒CPU/GPU工作的情況下，在第一個16ms之內(nèi)，一切正常。然而在第二個16ms之內(nèi)，幾乎是在時間段的最后CPU才計算出了數(shù)據(jù)，交給了Graphics Driver,導(dǎo)致GPU也是在第二段的末尾時間才進(jìn)行了繪制，整個動作延后到了第三段內(nèi)。從而影響了下一個畫面的繪制。這時會出現(xiàn)Jank(閃爍，可以理解為卡頓或者停頓)。這時候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界面不會立刻改變，APP端會先向VSYNC服務(wù)請求，等到下一次VSYNC信號觸發(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申請重繪，最后會通過ViewParent遞歸到ViewRootImpl的invalidate，請求VSYNC，在請求VSYNC的時候，會添加一個同步柵欄，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到來的時候，正在執(zhí)行一個同步消息;

2、view的invalidate

View會遞歸的調(diào)用父容器的invalidateChild，逐級回溯，最終走到ViewRootImpl的invalidate

 
 
 
 
  
  
  
  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會調(diào)用scheduleTraversals準(zhǔn)備重繪，但是，重繪一般不會立即執(zhí)行，而是往Choreographer的Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL隊列中添加了一個mTraversalRunnable，同時申請VSYNC，這個mTraversalRunnable要一直等到申請的VSYNC到來后才會被執(zhí)行;

3、scheduleTraversals

 
 
 
 
  
  
  
  ViewRootImpl.java 
  
  
  
   // 將UI繪制的mTraversalRunnable加入到下次垂直同步信號到來的等待callback中去 
  
  
  
   // mTraversalScheduled用來保證本次Traversals未執(zhí)行前，不會要求遍歷兩邊，浪費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的時候，順便請求vnsc垂直同步信號scheduleVsyncLocked 
  
  
  
          mChoreographer.postCallback( 
  
  
  
                  Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null); 
  
  
  
            
  
  
  
          if (!mUnbufferedInputDispatch) { 
  
  
  
              scheduleConsumeBatchedInput(); 
  
  
  
          } 
  
  
  
          notifyRendererOfFramePending(); 
  
  
  
          pokeDrawLockIfNeeded(); 
  
  
  
      } 
  
  
  
  }

4、申請VSYNC同步信號

 
 
 
 
  
  
  
  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) { 
  
  
  
           
  
  
  
              scheduleFrameLocked(now); 
  
  
  
          }  
  
  
  
      } 
  
  
  
  }

5、scheduleFrameLocked

 
 
 
 
  
  
  
  // mFrameScheduled保證16ms內(nèi)，只會申請一次垂直同步信號 
  
  
  
  // scheduleFrameLocked可以被調(diào)用多次，但是mFrameScheduled保證下一個vsync到來之前，不會有新的請求發(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 { 
  
  
  
                  // 因為invalid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)前申請的VSYNC到來之前，不會再去請求新的VSYNC，因為16ms內(nèi)申請兩個VSYNC沒意義;
再VSYNC到來之后，Choreographer利用Handler將FrameDisplayEventReceiver封裝成一個異步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) { 
  
  
  
               
  
  
  
                  timestampNanos = now; 
  
  
  
              } 
  
  
  
               
  
  
  
                if (mHavePendingVsync) { 
  
  
  
                  Log.w(TAG, "Already have a pending vsync event.  There should only be " 
  
  
  
                          + "one at a time."); 
  
  
  
              } else { 
  
  
  
                  mHavePendingVsync = true; 
  
  
  
              } 
  
  
  
               
  
  
  
              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() { 
  
  
  
              mHavePendingVsync = false; 
  
  
  
               
  
  
  
              doFrame(mTimestampNanos, mFrame); 
  
  
  
          } 
  
  
  
      }

之所以封裝成異步Message，是因為前面添加了一個同步柵欄，同步消息不會被執(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) { 
  
  
  
       
  
  
  
          if (!mFrameScheduled) { 
  
  
  
              return; // no work to do 
  
  
  
          } 
  
  
  
         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."); 
  
  
  
              } 
  
  
  
              final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos; 
  
  
  
                   
  
  
  
              frameTimeNanos = startNanos - lastFrameOffset; 
  
  
  
          } 
  
  
  
          if (frameTimeNanos < mLastFrameTimeNanos) { 
  
  
  
               
  
  
  
              scheduleVsyncLocked(); 
  
  
  
              return; 
  
  
  
          } 
  
  
  
             
  
  
  
          mFrameInfo.setVsync(intendedFrameTimeNanos, frameTimeNanos); 
  
  
  
           
  
  
  
          mFrameScheduled = false; 
  
  
  
           
  
  
  
          mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos; 
  
  
  
      } 
  
  
  
      try { 
  
  
  
            
  
  
  
          Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "Choreographer#doFrame"); 
  
  
  
           
  
  
  
          mFrameInfo.markInputHandlingStart(); 
  
  
  
          doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos); 
  
  
  
           
  
  
  
          mFrameInfo.markAnimationsStart(); 
  
  
  
          doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos); 
  
  
  
           
  
  
  
          mFrameInfo.markPerformTraversalsStart(); 
  
  
  
          doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos); 
  
  
  
           
  
  
  
          } else { 
  
  
  
           
  
  
  
              mPrivateFlags |= PFLAG_DRAWN | PFLAG_DRAWING_CACHE_VALID; 
  
  
  
              mPrivateFlags &= ~PFLAG_DIRTY_MASK; 
  
  
  
          } 
  
  
  
          return renderNode; 
  
  
  
      }

10、繪制總結(jié)

android最高60FPS，是VSYNC及決定的，每16ms最多一幀;
VSYNC要客戶端主動申請，才會有;
有VSYNC到來才會刷新;
UI沒更改，不會請求VSYNC也就不會刷新;

總結(jié)

關(guān)于繪制還有很多知識點，后面會總結(jié)陸續(xù)發(fā)出來的;

當(dāng)前文章：Vsync信號機制和UI刷新流程
鏈接地址：http://uogjgqi.cn/article/djipdig.html

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Vsync信號機制和UI刷新流程

[[439732]]

前言

一、 Vsync信號詳解

1、屏幕刷新相關(guān)知識點

2、VSYNC機制

二、UI刷新原理流程

1、VSYNC流程示意

2、view的invalidate

3、scheduleTraversals

4、申請VSYNC同步信號

5、scheduleFrameLocked

6、FrameDisplayEventReceiver

7、doFrame

10、繪制總結(jié)

總結(jié)

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Vsync信號機制和UI刷新流程

[[439732]]

前言

一、 Vsync信號詳解

1、屏幕刷新相關(guān)知識點

2、VSYNC機制

二、UI刷新原理流程

1、VSYNC流程示意

2、view的invalidate

3、scheduleTraversals

4、申請VSYNC同步信號

5、scheduleFrameLocked

6、FrameDisplayEventReceiver

7、doFrame

10、繪制總結(jié)

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一、 Vsync信號詳解

1、屏幕刷新相關(guān)知識點

2、VSYNC機制

二、UI刷新原理流程

1、VSYNC流程示意

2、view的invalidate

4、申請VSYNC同步信號

6、FrameDisplayEventReceiver

7、doFrame

10、繪制總結(jié)

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