移动APP性能评测-流畅度评测

为了提升流畅度，Google对Android系统进行了大量的优化，包括使用GPU进行硬件加速、引入VSYNC，把Dalvik换成art等。重点讲解FPS测量流畅度的不足，对测量流畅度的方法进行改进，然后介绍如何定位流畅度问题，最后总结流畅度优化方法，以及在开发过程中如何避免流畅度降低问题。简单来说就是如何更加准确测量流畅度、如何定位流畅度问题、如何优化流畅度问题；

流畅度评测方法介绍：

1.FPS：每秒的帧数；测量流畅度的时候有时候FPS很低，但是App看起来很流畅；
2.SM（Smoothness，SM）流畅度；
3.SF（Skipped frames）：丢帧；
FPS测量流畅度过程中的两个问题：
1.为什么有时候FPS很低，但是我们却不觉得APP卡顿？
2.App停止操作之后，FPS还是一直在变化，这样的情况是否会影响FPS的准确度，
系统获取FPS的原理：手机屏幕显示的内容是通过Android系统的SurfaceFlinger类把当前系统里所有进程需要显示的信息合成一帧，然后提交到屏幕进行显示，FPS就是1s内SurfaceFlinger提交到屏幕的帧数；
问题一答案：有时候FPS很低，我们却感觉不到卡顿，是因为如果我们的屏幕根本没有绘制需求，即屏幕的显示画面是静止的，这时候FPS就是0，并不是FPS越低就越卡顿；对于界面一直不停刷新的应用如视频，可以使用FPS来评价其流畅度；
问题二答案：APP停止操作之后FPS还一直变化，是因为屏幕每一帧的合成都是针对手机里所有的进程，那么即使你的app停止了绘制，手机里其他进程可能还在绘制，比如状态栏的各种消息，这回导致FPS继续变化；
所以FPS评价流畅度很多时候不准确。
在Android系统显示原理简介中，我们介绍了Android系统的显示过程，可以发现在引入VSYNC信号之后，丢帧是给人卡顿感觉的元凶，所以丢帧也可以用来测量流畅度；实际上，我们很多APP中，很少需要不断绘制的场景，很多的时候是静态的。会出现这样的情况，虽然1s中VSYNC的60个loop中不是每个都是在做绘制工作，FPS比较低并不能代表这个时候不流畅，所以FPS为1并不能代表当前APP UI界面不流畅，因此1秒内VSYNC这个loop能运行多少次更加能说明当前APP的流程度；所以丢帧和SM比FPS更能代表当前APP的流畅度。
丢帧：应该在16ms完成的工作因各种原因没有做完，占了下n个16ms的时间，相当于丢了n帧。
SM：和丢帧相对，在VSYNC机制中1s内有60个loop，因为某几次工作超过了16ms（丢帧），这样loop就无法运行60次（理论最大值）；流畅度越低说明当前程序越卡顿；

如何得到流畅度（SM）

Android系统从4.1(API 16)开始加入Choreographer这个类来控制同步处理输入(Input)、动画(Animation)、绘制(Draw)三个UI操作。VSync信号由SurfaceFlinger实现并定时发送。Choreographer.FrameDisplayEventReceiver收到信号后，调用onVsync方法组织消息发送到主线程处理。Choreographer主要功能是当收到VSync信号时，去调用使用通过postCallBack设置的回调函数，我们可以在使用postFrameCallBack接口注册一个回调，每当下一帧到来时都会通知我们，我们就可以直接在回到Choreographer.FrameCallback中的doFrame方法时通知我们，我们简单的去计数就可以，然后按秒做统计，就可以知道每秒执行loop的次数；关于Choreographer更详细内容可参考Android Choreographer 源码分析；所以这个loop在1秒内运行的次数便是当前APP绘制的最高能力，也就是APP的卡顿程度；在一次loop时，如果执行时间超过16.6ms，那么多于16.6ms的时间除以16.6ms，即当前APP的丢帧情况；所以以上两个指标都可以表示当前APP的卡顿程度；但是因为SM是一个连续过程，SF非连续，所以建议采用SM作为客观指标来描述APP卡顿程度；
SM能够客观衡量Android程度卡的程度：
1.根据Google文档，以及Android源码，以及SM原理理论都可以证实SM数值可以客观表示APP ui卡的程度；理论基础：Android系统显示原理简介、Android Choreographer 源码分析，简单来说就是SurfaceFlinger每16毫秒会发生VSYNC信号，Choreographer.FrameDisplayEventReceiver收到信号后，调用onVsync方法组织消息发送到主线程处理，最终我们可以在Choreographer.FrameCallback中的doFrame进行计数，知道每一秒loop多少次，loop次数当前APP绘制的最高能力，这样就可以知道当前APP的流畅度

private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver        
implements Runnable {    
  public FrameDisplayEventReceiver(Looper looper) {    
    super(looper);
  }
  @Override 
  public void onVsync(long timestampNanos, int  builtInDisplayId, int frame) {
  ...     
  mTimestampNanos = timestampNanos;        
  mFrame = frame;        
  Message msg = Message.obtain(mHandler, this);        
  msg.setAsynchronous(true);
  //发送消息，在looper下一次循环时执行run方法；
  mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);    
  }    
  @Override    
  public void run() {        
    mHavePendingVsync = false;
    /*渲染下一帧，并顺序执行callBack队列里面的callback，我们可以在使用postFrameCallBack接口注册一个回调，
     每当下一帧到来时都会到Choreographer.FrameCallback中的doFrame方法时通知我们，
    这样我们就可以知道一定时间内渲染了多少帧，也可以知道一秒内loop执行了多少次*/
    doFrame(mTimestampNanos, mFrame);    
  }
}

2.根据原理制定一些测试，观察SM数据，也可以客观表示某个Android APP卡的程度；
3.SM计算公式：SM = (60* totalSeconds - totalSkippedFrames) / totalSeconds;
丢帧（SF）能够客观描述Android程序卡的程度：
1.根据Google文档，以及Android源码，以及丢帧原理都可以证实SF数值同样可以客观表示APP ui卡的程度；
2.根据原理制定一些测试，观察丢帧数据，也可以客观表示某个Android APP卡的程度；
3.但是由于这项数据时不连续的，而是离散的，所以可以作为辅助数据来评价流畅度；
当把APP静止在某个界面时流畅度很高，FPS比较低，无丢帧情况下流畅度和丢帧两个数据更加接近人对卡顿的主观感受；在APP有界面比不停变化时（如视频类应用）FPS一定程度上可以客观量化卡顿的主观感受；无变化则无法反应；无论界面是否有变化，流畅度和丢帧都可以客观量化卡顿的主观感受；建议在量化人对卡顿的主观感受主要以流畅度（SM）为主，丢帧（SF）、FPS作为辅助指标；

流畅度优化流程

1.首先通过SM对流畅度进行测试评估；
2.然后从最简单的UI层入手，优化APP的UI来提升流畅度；相关内容可参考Keeping your app responsive以及Improving Layout Performance等；
3.通过lint静态扫描发现代码中存在性能的问题；然后进行优化；相关内容可以参考使用 Lint 改进您的代码
4.最后进一步深入分析APP逻辑层和IO层存在的问题；代码逻辑分析部分，Android提供了两个很好用的工具：Systrace、Inspect trace logs with Traceview，后续会介绍检测应用中的UI卡顿方法；

相关背景知识：

Android消息机制、Android系统显示原理、Choreographer 源码分析

参考资料：

《移动APP性能评测与优化》--第3章　怎样才能如丝般顺滑—流畅度评测
Android 显示原理简介
Android Choreographer 源码分析
腾讯Bugly的专栏--那些年我们用过的显示性能指标