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本文分两部分从app卡帧的原理出发#xff0c;讨论屏… 作者图个喜庆 一前言
app卡帧一直是性能优化的一个重要方面虽然现在手机硬件性能越来越高明显的卡帧现象越来越少但是了解卡帧相关的知识还是非常有必要的。
本文分两部分从app卡帧的原理出发讨论屏幕刷新机制handler消息机制为什么在主线程执行耗时任务会造成卡帧。另一部分讨论BlockCanary的原理它是如何检测方法耗时的。
二屏幕刷新机制
1卡帧的定义
大家小时候应该都玩过一个玩具5毛一本的连环画小书每一页绘制一幅画用手指快速翻动会产生一个动画效果。
假设这本小书用50页构成一个完整的动画丢了一页两页可能看不出来由于某些原因丢了10页20页就完全没法看了。
app卡帧就是因为某些原因影响了屏幕绘制电影每秒24帧一般的手机是每秒60帧高刷手机是每秒90帧 120帧。
如果发生了卡帧原本一秒内应该出现60张画面实际只出现了30张画面用户就会感觉界面不流畅。
用歌词举例卡帧
正常歌词【梦美的太短暂孟克桥上呐喊这世上的热闹出自孤单】
卡帧歌词【梦xxx暂xx桥xx喊这世xx热闹xxx单】
2屏幕刷新基础概念
在京东随便找几个手机查看它们的屏幕刷新率参数 144Hz 90Hz60Hz。
代表一秒内屏幕刷新的次数常见的16.6ms刷新一次的概念来自 60Hz的普通手机 1000 / 60 ≈ 16ms。
60Hz的手机每秒刷新60次每次间隔16.6ms
90Hz的手机每秒刷新90次每次间隔11.1ms
144Hz的手机每秒刷新144次每次间隔6.9ms
手机的展示内容不是固定的没办法预知提前绘制所以手机硬件必须以极快的速度计算并绘制好下个瞬间要展示的图像。
60Hz的手机每个16ms就会出一帧图像。为了绘制这帧画有三个硬件参与其中CPUGPU屏幕(display)
CPU负责计算数据屏幕是由一个个像素点组成的CPU根据编写的程序计算这块像素展示什么颜色形状之类的。
GPU负责把CPU计算好的数据进行渲染放到缓存中
屏幕把缓存中的数据呈现到屏幕上
手机刷新频率是硬件决定的不会发生改变CPU和GPU的工作必须在固定时间完成如果没有按时完成就会产生掉帧。
3VSync Choreographerview绘制
以固定频率刷新屏幕这种机制叫做VSync机制。Android系统每隔16ms发出VSYNC信号触发UI渲染Vsync机制并不是Android独创的是一种在PC上很早就广泛使用的技术Android在4.1版本引入Vsync机制。
这就引发了一个问题屏幕刷新频率是非常快的程序中关于view绘制的代码写在onMeasure()onDraw()onLayout() 三个方法中而它们是不会随意调用的并不与Vsync信号的频率保持一致只有当主动调用invalidate() 或 requestLayout() 方法才会进行view重绘。
以requestLayout() 为例看看为什么view的刷新与底层发送Vsync信号的频率不一致。
requestLayout() 方法在view中实现
a调用自身mParent 的requestLayout() 方法因为每个view都mParent 对象会不断向上查找找到根viewDecorView。
b DecorView的parent是ViewRootImpl两者在activity启动时绑定。
c在ViewRootImpl 的requestLayout() 方法中 调用 scheduleTraversals();
dscheduleTraversals(); 的核心代码向主线程消息队列设置同步屏障 和 调用 Choreographer.postCallback() 需要注意 mTraversalRunnable 对象当接收到底层传递的Vsync信号后会被执行。内部调用performTraversals(); 方法接近100行巨复杂会按顺序调用performMeasure() performLayout() performDraw() 执行view绘制流程
//View
public void requestLayout() {//代码省略if (mParent ! null !mParent.isLayoutRequested()) {mParent.requestLayout();}}public void requestLayout() {if (!mHandlingLayoutInLayoutRequest) {checkThread();mLayoutRequested true;scheduleTraversals();}
}void scheduleTraversals() {if (!mTraversalScheduled) {mTraversalScheduled true;mTraversalBarrier mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();mChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);notifyRendererOfFramePending();pokeDrawLockIfNeeded();}}final class TraversalRunnable implements Runnable {Overridepublic void run() {doTraversal();}}void doTraversal() {if (mTraversalScheduled) {mTraversalScheduled false;mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);if (mProfile) {Debug.startMethodTracing(ViewAncestor);}performTraversals();if (mProfile) {Debug.stopMethodTracing();mProfile false;}}}Choreographer
译名编舞者跳舞的时候要跟着节拍底层发出的Vsync信号就好像舞蹈的节奏一样有条不紊的进行。Choreographer处于view与底层之间连接两者承上启下负责UI刷新。
aViewRootImpl调用Choreographer.postCallback(int callbackType, Runnable action, Object token) 方法重要的一个步骤是把 ViewRootImpl 传递的参数以callbackType 作为数组的下标 Runnable 作为value 保存到 类型为CallbackQueue[] 的数组中
mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token) 收到Vsync信号后从数组中取出执行Runnable 任务
bChoreographer.postCallback()最终会调用到 FrameDisplayEventReceiver 的nativeScheduleVsync() 方法定义在父类中是一个native方法作用是向底层注册监听告诉底层当前应用有UI有更新需要重绘
c注册监听之后 FrameDisplayEventReceiver.onVsync() 会收到底层的Vsync信号主要逻辑发送一条异步消息FrameDisplayEventReceiver 自身实现Runnable 接口handle发送异步消息执行的就是自身run()方法中的逻辑 核心代码是doCallbacks()
private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiverimplements Runnable{Overridepublic void onVsync(long timestampNanos, long physicalDisplayId, int frame,VsyncEventData vsyncEventData) {Message msg Message.obtain(mHandler, this);msg.setAsynchronous(true);mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);}Overridepublic void run() {mHavePendingVsync false;doFrame(mTimestampNanos, mFrame, mLastVsyncEventData);}}void doFrame(long frameTimeNanos, int frame,DisplayEventReceiver.VsyncEventData vsyncEventData) {
//省略代码doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos, frameIntervalNanos);mFrameInfo.markAnimationsStart();doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos, frameIntervalNanos);doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INSETS_ANIMATION, frameTimeNanos,frameIntervalNanos);mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos, frameIntervalNanos);doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos, frameIntervalNanos);
}d Choreographer.doCallbacks() 要和 Choreographer.postCallback() 结合起来看才合理
postCallback() 添加UI更新任务到数组中任务大致分为三种输入事件动画UI绘制。根据常量类型就是数组下标。当Choreographer 接收到底层传递的Vsync信号后调用doCallbacks() 根据下标从数组取出任务执行。
public static final int CALLBACK_INPUT 0; //输入事件处理
public static final int CALLBACK_ANIMATION 1;//处理动画
//处理插入更新的动画 没看到ViewRootImpl中有使用它 不太清楚和 CALLBACK_ANIMATION的区别
public static final int CALLBACK_INSETS_ANIMATION 2;
public static final int CALLBACK_TRAVERSAL 3;//UI绘制measurelayoutdraw
public static final int CALLBACK_COMMIT 4;//不太清楚它的作用
//初始化CallbackQueue数组使用
private static final int CALLBACK_LAST CALLBACK_COMMIT;private final CallbackQueue[] mCallbackQueues;private Choreographer(Looper looper, int vsyncSource) {mCallbackQueues new CallbackQueue[CALLBACK_LAST 1];for (int i 0; i CALLBACK_LAST; i) {mCallbackQueues[i] new CallbackQueue();}}void doCallbacks(int callbackType, long frameTimeNanos, long frameIntervalNanos) {CallbackRecord callbacks;synchronized (mLock) {//省略代码callbacks mCallbackQueues[callbackType].extractDueCallbacksLocked(now / TimeUtils.NANOS_PER_MS);}}public void postCallback(int callbackType, Runnable action, Object token) {//省略代码 与 方法调用mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);
}4Choreographer流程总结
a底层根据屏幕刷新率按时发送Vsync信号
b应用通过调用requestLayout() invalidate() 或 动画等表明自己当前需要更新
cViewRootImpl 内定义更新逻辑如TraversalRunnable 定义UI绘制逻辑。当代码执行requestLayout() invalidate() 时把任务投递到Choreographer 内部的任务数组中
dChoreographer 可以接收输入事件动画UI绘制三种任务但不是立即执行先将它们保存到数组中。同时Choreographer 调用native方法向底层注册Vsync信号监听
eChoreographer 收到Vsync信号回调按照数组顺序依次执行任务输入事件优先级最高其次是动画最后是UI绘制。 在UI绘制阶段通过view树层层调用measurelayoutdraw
f整个流程说白了就是定义任务监听事件执行任务
偷一张代码流程图
屏幕刷新机制还有很多细节没有讲屏幕的双缓存Choreographer代码细节等可以看参考中的文章学习 5Handler同步屏障和异步消息
在Handler消息队列每条消息按顺序逐个执行假设此时接收到了Vsync信号向主线程中投递了几个绘制相关的消息。但是消息队列中已经有10个消息了如果仍然按照正常逻辑逐个执行等前面所有的消息执行完毕才会轮到绘制相关的消息执行肯定是不合理的。
不能确定前面的消息何时执行完毕没准任务非常复杂耗时很久。就算不耗时轻微的等待对于绘制影响也是巨大的。绘制一旦响应的慢了在用户看来就是系统交互太慢了差评
所以为了即使处理绘制这种重要消息设计出了同步屏障 和 异步消息机制。
异步消息设置方式如下单独使用异步消息没啥用必须结合同步屏障一起使用
val handler Handler(Looper.getMainLooper())
val msg handler.obtainMessage()
msg.isAsynchronous true同步屏障通过MessageQueue.postSyncBarrier() 开启向队列头部添加一个没有target的(targetnull)的message。
很遗憾MessageQueue.postSyncBarrier() 方法是私有方法不能允许开发者调用。想想也合理开发层面有什么紧急的任务非要和应用重绘这种系统任务抢地盘
public int postSyncBarrier() {return postSyncBarrier(SystemClock.uptimeMillis());}private int postSyncBarrier(long when) {// Enqueue a new sync barrier token.// We dont need to wake the queue because the purpose of a barrier is to stall it.synchronized (this) {final int token mNextBarrierToken;final Message msg Message.obtain();msg.markInUse();msg.when when;msg.arg1 token;Message prev null;Message p mMessages;if (when ! 0) {while (p ! null p.when when) {prev p;p p.next;}}if (prev ! null) { // invariant: p prev.nextmsg.next p;prev.next msg;} else {msg.next p;mMessages msg;}return token;}}在MessageQueue的next()方法关于消息的处理逻辑
if (msg ! null msg.target null) 判断是否开启同步屏障
循环条件判断 while (msg ! null !msg.isAsynchronous())
Message next() {
//省略代码Message msg mMessages;if (msg ! null msg.target null) {// Stalled by a barrier. Find the next asynchronous message in the queue.do {prevMsg msg;msg msg.next;} while (msg ! null !msg.isAsynchronous());}if (msg ! null) {if (now msg.when) {// Next message is not ready. Set a timeout to wake up when it is ready.nextPollTimeoutMillis (int) Math.min(msg.when - now, Integer.MAX_VALUE);} else {// Got a message.mBlocked false;if (prevMsg ! null) {prevMsg.next msg.next;} else {mMessages msg.next;}msg.next null;if (DEBUG) Log.v(TAG, Returning message: msg);msg.markInUse();return msg;}} else {// No more messages.nextPollTimeoutMillis -1;}
}在ViewRootImpl 中开始绘制任务之前开启同步屏障借此保证Choreographer.FrameHandler 发出的消息能够快速响应执行任务。
当任务结束或取消移除同步屏障保证其他消息顺利进行。
// ViewRootImpl
void scheduleTraversals() {if (!mTraversalScheduled) {//开启同步屏障mTraversalBarrier mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();mChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);}
}void unscheduleTraversals() {if (mTraversalScheduled) {mTraversalScheduled false;//移除同步屏障mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);mChoreographer.removeCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);}}void doTraversal() {if (mTraversalScheduled) {mTraversalScheduled false;//移除同步屏障mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);}
}//Choreographerprivate final class FrameHandler extends Handler {public FrameHandler(Looper looper) {super(looper);}Overridepublic void handleMessage(Message msg) {switch (msg.what) {case MSG_DO_FRAME:doFrame(System.nanoTime(), 0, new DisplayEventReceiver.VsyncEventData());break;case MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC:doScheduleVsync();break;case MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK:doScheduleCallback(msg.arg1);break;}}}6卡帧原理
为什么布局复杂会卡帧主线程执行耗时操作会卡帧
布局复杂层级过多相应的计算view树数据的时间也会增加view的绘制是在主线程进行的。如果不能在16.6ms内完成就会影响一下次绘制消息的处理。
虽然有同步屏障机制但是如果主线程执行耗时操作超过16.6ms一致被占用即便有同步屏障机制但是也要当前消息执行完毕才会生效也会出现掉帧的情况
主线程一次只能做一件事处理耗时任务导致没有处理屏幕刷新的绘制任务屏幕数据无法更新产生掉帧现象
三BlockCanary
经过上述卡帧原理分析可以得知核心的绘制消息都是在主线程消息队列中处理的当屏幕有重绘需求的时候按照手机屏幕刷新率60Hz每16.6ms刷新一帧画面有条不紊的进行。
在主线程进行耗时操作影响了屏幕刷新的节奏并不能准时执行每16.6ms一次的界面重绘就会产生掉帧现象。
在优化性能时检测寻找问题点比解决问题要麻烦的多。想靠人工在一行一行的代码中寻找耗时点是不可能的。
BlockCanary是Android平台的性能监控框架能够找出主线程的耗时操作避免卡帧核心原理并不复杂非常巧妙。
BlockCanary分为两部分检测耗时 和 耗时方法信息输出
1检测耗时
利用Handler消息机制实现Looper线程唯一无论有多少个Handler向主线程中发送消息都会走到同一个Looper中。
在Looper的loop() 方法中msg.target.dispatchMessage() 是分发处理消息的位置如果两次dispatchMessage() 调用时间间隔过长就表明有耗时操作出现掉帧情况需要优化。
那么如何判断dispatchMessage() 方法的执行时长呢而且要监听到所有在主线程执行的消息。
在Looper源码中dispatchMessage() 方法调用前后Printer.println() 调用进行日志输出默认情况下Printer 对象为null可以通过setMessageLogging()方法设置
//自定义Printer
handler.looper.setMessageLogging(object :Printer{override fun println(x: String?) {}})//Looper源码
private Printer mLogging;public static void loop() {...for (;;) {...// This must be in a local variable, in case a UI event sets the loggerPrinter logging me.mLogging;if (logging ! null) {logging.println( Dispatching to msg.target msg.callback : msg.what);}msg.target.dispatchMessage(msg);if (logging ! null) {logging.println( Finished to msg.target msg.callback);}...}
}public void setMessageLogging(Nullable Printer printer) {mLogging printer;}在blockcanary中 定义LooperMonitor 类 实现Printer 接口监听dispatchMessage() 方法调用耗时核心代码如下
a通过变量mPrintingStarted 判断是在dispatchMessage() 方法前调用还是在方法后调用
b保存第一次调用时间mStartTimestamp
c通过判断开始时间与结束时间的差值是否超过预定义的卡帧阈值判断是否产生耗时操作
代码真的非常简单知道原理的同学分分可以自定义一个。
Override
public void println(String x) {if (mStopWhenDebugging Debug.isDebuggerConnected()) {return;}if (!mPrintingStarted) {mStartTimestamp System.currentTimeMillis();mStartThreadTimestamp SystemClock.currentThreadTimeMillis();mPrintingStarted true;startDump();} else {final long endTime System.currentTimeMillis();mPrintingStarted false;if (isBlock(endTime)) {notifyBlockEvent(endTime);}stopDump();}
}private boolean isBlock(long endTime) {return endTime - mStartTimestamp mBlockThresholdMillis;
}2耗时方法信息输出
定位到那个方法有耗时操作后BlockCanary利用线程API获取主线程堆栈打印后可以到方法调用信息
val startTrace Thread.currentThread().stackTrace
val sbInfo StringBuilder()
for (item:StackTraceElement in startTrace) {sbInfo.append(item.toString())sbInfo.append(\n)
}
Log.d(TAG,sbInfo.toString())//输出日志如下 方法在 RegisterActivity.onCreate() 方法中调用D/aaa: dalvik.system.VMStack.getThreadStackTrace(Native Method)java.lang.Thread.getStackTrace(Thread.java:1538)com.example.module.user.register.RegisterActivity.onCreate(RegisterActivity.kt:35)android.app.Activity.performCreate(Activity.java:7232)android.app.Activity.performCreate(Activity.java:7221)android.app.Instrumentation.callActivityOnCreate(Instrumentation.java:1272)android.app.ActivityThread.performLaunchActivity(ActivityThread.java:2965)android.app.ActivityThread.handleLaunchActivity(ActivityThread.java:3120)android.app.servertransaction.LaunchActivityItem.execute(LaunchActivityItem.java:78)android.app.servertransaction.TransactionExecutor.executeCallbacks(TransactionExecutor.java:108)android.app.servertransaction.TransactionExecutor.execute(TransactionExecutor.java:68)android.app.ActivityThread$H.handleMessage(ActivityThread.java:1840)android.os.Handler.dispatchMessage(Handler.java:106)android.os.Looper.loop(Looper.java:207)android.app.ActivityThread.main(ActivityThread.java:6878)java.lang.reflect.Method.invoke(Native Method)com.android.internal.os.RuntimeInit$MethodAndArgsCaller.run(RuntimeInit.java:547)com.android.internal.os.ZygoteInit.main(ZygoteInit.java:876)为了帮助到大家更好的全面清晰的掌握好性能优化准备了相关的核心笔记还该底层逻辑https://qr18.cn/FVlo89
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