本文讲解的内容是Android4.1以后的系统机制,将从整体上分析Android图形显示系统的结构,不深入分析每一层内部的代码实现,更多的是使用流程图和结构图来让大家理解Android是如何绘制、合成图形并显示到屏幕上。
本文将从三个层次进行讲解,大致如下图:
可以理解为上层生产,下层消费模型。
其中每一层之间的数据传递是使用Buffer(图形缓冲区)作为载体:
这里的缓冲区,大家可以理解为带有宽高和像素密度的内存区块。
显示屏上的内容,是从硬件帧缓冲区读取的,大致读取过程为:从Buffer的起始地址开始,从上往下,从左往右扫描整个Buffer,将内容映射到显示屏上:
当然,屏幕上的内容需要需要不断的更新,如果在同一个Buffer进行读取和写入(合成)操作,将会导致屏幕显示多帧内容。所以硬件层除了提供一个Buffer用于屏幕显示,还提供了一个Buffer用于后台的图形合成,也就是我们常说的双缓冲:
上图中包含两个缓冲区: 前缓冲区:用来显示内容到屏幕的帧缓冲区 后缓冲区:用于后台合成下一帧图形的帧缓冲区
假设前一帧显示完毕,后一帧准备好了,屏幕将会开始读取下一帧的内容,也就是开始读取上图中的后缓冲区的内容:
此时,前后缓冲区进行一次角色互换,之前的后缓冲区变为前缓冲区,进行图形的显示,之前的前缓冲区则变为后缓冲区,进行图形的合成。
然而,理想很丰满,现实很骨感,上面假设“当前一帧显示完毕,后一帧准备好了”的情况,在现实中这两个事件并非同时完成。那么,屏幕扫描缓冲区的速度和系统合成帧的速度之间有什么关系呢,带着这个疑惑我们看看下面两个概念: 屏幕刷新率(HZ):代表屏幕在一秒内刷新屏幕的次数,Android手机一般为60HZ(也就是1秒刷新60帧,大约16.67毫秒刷新1帧) 系统帧速率(FPS):代表了系统在一秒内合成的帧数,该值的大小由系统算法和硬件决定。
我们用以下两个假设来分析两者的关系: ① 屏幕刷新速率比系统帧速率快 此时,在前缓冲区内容全部映射到屏幕上之后,后缓冲区尚未准备好下一帧,屏幕将无法读取下一帧,所以只能继续显示当前一帧的图形,「造成一帧显示多次,也就是卡顿。」 ② 系统帧速率比屏幕刷新率快 此时,屏幕未完全把前缓冲区的一帧映射到屏幕,而系统已经在后缓冲区准备好了下一帧,并要求读取下一帧到屏幕,将会导致屏幕上半部分是上一帧的图形,而下半部分是下一帧的图形,「造成屏幕上显示多帧,也就是屏幕撕裂。」
上面两种情况,都会导致问题,根本原因就是两个缓冲区的操作速率不一致,解决办法就是让屏幕控制前后缓冲区的切换,让系统帧速率配合屏幕刷新率的节奏。
那么屏幕是如何控制这个节奏的呢?
垂直同步(VSync):当屏幕从缓冲区扫描完一帧到屏幕上之后,开始扫描下一帧之前,发出的一个同步信号,该信号用来切换前缓冲区和后缓冲区。
通过上面的分析可以看出,屏幕的显示节奏是固定的,操作系统需要配合屏幕的显示,在固定的时间内准备好下一帧,以供屏幕进行显示。两者通过VSync信号来实现同步。
关于屏幕这一块的知识点讲解到这,不再深入分析,接下来我们将会了解后缓冲区的图形合成者。
如果说屏幕是消费者,那么SurfaceFlinger相对屏幕来说就是生产者,其具有如下特性:
为了更好的理解SurfaceFlinger这个服务的工作内容,以及他是如何做到一个承上启下的作用,我们通过下面的这个界面分析:
界面很简单,拆开来看,包含微信、悬浮工具箱、通知栏、底部虚拟按键栏:
我们可以先这样理解上面这幅图,上层每一个界面,其实都对应SufaceFlinger里的一个Surface对象,上层将自己的内容绘制在对应的Surface内,接着,SufaceFlinger需要将所有上层对应的Surface内的图形进行合成,具体看下图:
没错,SurfaceFlinger就是将多个Surface里的内容进行合成,最后提交到屏幕的后缓冲区,等待屏幕的下一个垂直同步信号的到来,再显示到屏幕上。
我们会发现SufaceFlinger通过屏幕后缓冲区与屏幕建立联系。同时通过Surface与上层建立联系。从而起到一个承上启下的作用,是Android图形系统结构中的关键组成部分。
为了继续往上层讲,我们需要了解什么是Surface:
如果说SurfaceFinger是图形的合成者,那么图形的提供者就是上层。文章一开始就提到,图形的传递是通过Buffer作为载体,Surface是对Buffer的进一步封装,也就是说Surface内部具有多个Buffer供上层使用,如何管理这些Buffer呢?请看下面这个模型:
Surface内部提供一个BufferQueue,与上层和SurfaceFlinger形成一个生产者消费者模型,上层对应Producer,SurfaceFlinger对应Consumer。三者通过Buffer产生联系,每个Buffer都有四种状态:
Buffer的一次转移过程大致为:
如此循环,形成一个Buffer被循环使用的过程。
关于SurfaceFlinger以及SurfaceFlinger与上层建立联系的Surface讲解完了,接下来看看上层是如何将图形绘制到Surface的Buffer中。
上层绘图的大体流程见下图:
之前有说到,Surface里的Buffer作为上层的画板,Canvas作为画笔,通过调用Canvas的API完成图形的绘制,上层通过调用draw方法来调用Canvas的API,当然这里的draw方法并没有真正的将图形绘制到缓冲区,而是记录了一下绘制命令,具体需要了解DisplayList相关只是,后面会对其进行分析。
从流程上看:
从执行者的角度看:
上面说的的纹理和多边形还有栅格化以及合成,这里不做具体的讲解,需要了解的是图形的绘制流程需要经过这些操作。从上面的分析可以看出,上层绘制图形时需要经过CPU计算,再经过GPU计算。
经过上面的分析,整个Android的图形绘制大体流程已经分析完成,接下来将会分析一些流程的具体实现,分析的内容包括:
从上面的讲解可以看出,整个绘制流程的节奏,分成两个生产者消费者模型,一个由屏幕和SurfaceFlinger构成,另一个由SurfaceFlinger和上层应用构成,具体流程可以用下图来描述:
其中:
上面的流程中,存在一个问题,屏幕的VSync信号只是用来控制帧缓冲区的切换,并未控制上层的绘制节奏,也就是说上层的生产节奏和屏幕的显示节奏是脱离的:
上图中,横轴表示时间,纵轴表示Buffer的使用者,每个长方形表示Buffer的使用,长方形的宽度代表使用时长,VSync代表垂直同步信号,两个VSync信号之间间隔16.6ms。此图描述了Android在4.1系统版本之前,上层的绘图流程在没有VSync信号的时候,出现的绘制问题。
我们从时间为0开始看,当前屏幕显示第0帧,上层CPU开始计算第1帧的纹理,计算完成后,交由GPU进行栅格化。当下一个垂直同步信号到来,屏幕显示下一帧,这时候,上层CPU并未马上开始准备下一帧,而当CPU开始准备下一帧的时候已经太晚了,下一个VSync信号来临的时候,GPU未能绘制完第二帧的处理,导致屏幕再次显示上一帧,造成卡顿:
因为上层不知道VSync信号已经发出,导致上层未能开始CPU的计算。google在Android 4.1系统中加入了上层接收垂直同步信号的逻辑,大致流程如下:
也就是说,屏幕在显示完一帧后,发出的垂直同步除了通知帧缓冲区的切换之外,该消息还会发送到上层,通知上层开始绘制下一帧。
那么,上层是如何接受这个VSync消息的呢?
Google为上层设计了一个Choreographer类,翻译成中文是“编舞者”,是希望通过它来控制上层的绘制(舞蹈)节奏。
首先看看Choreographer的类图:
可以发现,Choreographer需要向SurfaceFlinger来注册一个VSync信号的接收器DisplayEventReceiver。同时在Choreographer的内部维护了一个CallbackQueue,用来保存上层关心VSync信号的组件,包括ViewRootImpl,TextView,ValueAnimator等。
再看看上层接收VSync的时序图:
知道了Choreographer是上层用来接收VSync的角色之后,我们需要进一步了解VSync信号是如何控制上层的绘制的:
一般,上层需要绘制新的UI都是因为View的requestLayout或者是invalidate方法被调用触发的,我们以这个为起点,跟踪上层View的绘制流程:
至此,底层的VSync控制上层的逻辑就解释完了,此时上层绘制图形的流程与VSync信号的关系可以用下图表示:
时间从屏幕显示第0帧开始,CPU开始准备第1帧图形的处理,好了之后交给GPU进行处理,在上层收到下一个VSync之后,CPU立马开始第2帧的处理,上层绘图的节奏就和VSync信号保持一致了,整个绘图非常流畅。
然而,理想很丰满,现实很骨感,如果CPU和GPU没能在下一个VSync信号到来之前完成下一帧的绘制工作,又会是怎么样的呢?
还是从屏幕显示第A帧开始,时间进入第一个16.6ms,CPU和GPU合成第B帧,当下一个VSync信号到来的时候,GPU未能及时完成第B帧的绘制,此时,GPU占有一个Surface里的Buffer,而同时SurfaceFlinger又持有一个Buffer用于合成显示下一帧到屏幕,这样的话,就导致Surface里的两个缓冲区都被占用了。此时SurfaceFlinger只能使用第A帧已经准备好的Buffer来合成,GPU继续在另一个缓冲区中合成第B帧,此时CPU无法开始下一帧的合成,因为缓冲区用完了。另外一个不好的事情是CPU只有在VSync信号来的时候才开始绘制下一帧,也是就是说在第二个16.6ms时间内,CPU一直处于空闲状态,未进行下一帧的计算。 只有等到第二个VSync信号来了之后,CPU才开始在绘制下一帧。如果CPU和GPU需要合成的图形太多,将会导致连续性的卡顿,如果CPU和GPU大部分时候都无法在16.6ms完成一帧的绘制,将会导致连续的卡顿现象。
别着急,请看看Google的决绝方案。
没错,就是加入第三个Buffer,CPU和GPU还有SurfaceFlinger各占一个Buffer,并行处理图形:
从上图可以看出,在第一个VSync到来时,尽管SurfaceFlinger占了一个Buffer,GPU又占了一个Buffer,CPU仍然可以在第三个Buffer中开始下一帧的计算,整个显示过程就开始时卡顿了一帧,之后都是流畅的。
当然系统并非一直开启三个Buffer,因为Buffer是需要消耗资源的,并且,我们会发现,上图中,GPU处理好的图形,需要跨越两个VSync信号,才能显示。这样的话,给用户的影响是一个延迟的现象。
为了解决该问题,我们需要再次从上层往下层了解Android绘制图形的各个细节,并进行优化。对于应用程序开发人员来说,重点还是上层的优化,对自己的应用程序的内存,UI,数据等进行优化。
以上内容可能有不对的地方,希望各路大神指教,下一篇文章将「从上层往下层讲解Android的图形显示流程,并把上层的图形绘制流程展开讲解」,敬请期待!
作者:良秋 来源:http://blog.csdn.net/a740169405/article/details/70548443