Android卡顿真的是因为”掉帧“？

Android核心知识点笔记github：https://github.com/AndroidCot/Android

Andriod 界面卡顿是因为掉帧，而掉帧是因为生产帧的速度跟不上消费帧的速度。

消费帧的速度与屏幕刷新率挂钩，屏幕就像连环画，若一秒播放 60 帧，消费一帧的速度为 1000/60 = 16.6 ms，即每 16.6 ms 屏幕就会去取下一帧的显示内容，若没取到，只能继续显示上一帧，画面就停滞了，这就称为“掉帧”，听上去好像丢失了无法找回的东西一样，其实它是形容“显示内容错过了一次显示机会”，描述的是屏幕硬件的一种行为。

屏幕为啥会没有取到显示内容？得从软件层找原因。带着这个问题，读一下 Framework 源码。

Choreographer

ViewRootImpl是一个 Activity 中所有视图的根视图，View 树的遍历就由它发起：

public final class ViewRootImpl implements ViewParent, View.AttachInfo.Callbacks, ThreadedRenderer.DrawCallbacks {
    // 编舞者
    Choreographer mChoreographer;
    // 触发遍历 View 树
    void scheduleTraversals() {
        if (!mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = true;
            mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
            // 向 Choreographer 抛 View树遍历任务
            mChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
            if (!mUnbufferedInputDispatch) {
                scheduleConsumeBatchedInput();
            }
            notifyRendererOfFramePending();
            pokeDrawLockIfNeeded();
        }
    }

    // 遍历 View 树任务
    final class TraversalRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            doTraversal();
        }
    }
    // 构建遍历 View 树任务实例
    final TraversalRunnable mTraversalRunnable = new TraversalRunnable();
}

ViewRootImpl通过抛任务到Choreographer来触发 View 树遍历。

Choreographer是 android.view包下的一个类，字面意思是“编舞者”，隐含着“需要将两者同步”的意思，编舞即是将动作和节奏同步。而Choreographer是将"绘制内容"和"垂直同步信号"同步。

存放绘制任务

public final class Choreographer {
    // 输入任务
    public static final int CALLBACK_INPUT = 0;
    // 动画任务
    public static final int CALLBACK_ANIMATION = 1;
    // view树遍历任务
    public static final int CALLBACK_TRAVERSAL = 2;
    // COMMIT任务
    public static final int CALLBACK_COMMIT = 3;
    // 暂存任务的链式数组
    private final CallbackQueue[] mCallbackQueues;
    // 主线程消息处理器
    private final FrameHandler mHandler;

    // 抛绘制任务
    public void postCallback(int callbackType, Runnable action, Object token) {
        postCallbackDelayed(callbackType, action, token, 0);
    }

    // 延迟抛绘制任务
    public void postCallbackDelayed(int callbackType,
            Runnable action, Object token, long delayMillis) {
        ...
        postCallbackDelayedInternal(callbackType, action, token, delayMillis);
    }

    // 抛绘制任务的具体实现
    private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType, Object action, Object token, long delayMillis) {
        synchronized (mLock) {
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            final long dueTime = now + delayMillis;
            // 1\. 将绘制任务根据类型暂存在链式结构中
            mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);

            // 2\. 订阅下一个垂直同步信号
            if (dueTime <= now) {
                // 立刻订阅下一个垂直同步信号
                scheduleFrameLocked(now);
            } else {
                // 在未来的某个时间点订阅垂直同步信号
                Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
                msg.arg1 = callbackType;
                msg.setAsynchronous(true);
                mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);
            }
        }
    }

    // 主线程消息处理器
    private final class FrameHandler extends Handler {
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            switch (msg.what) {
                ...
                case MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK:
                    // 在未来时间点订阅垂直同步信号
                    doScheduleCallback(msg.arg1);
                    break;
            }
        }
    }

    void doScheduleCallback(int callbackType) {
        synchronized (mLock) {
            if (!mFrameScheduled) {
                final long now = SystemClock.uptimeMillis();
                if (mCallbackQueues[callbackType].hasDueCallbacksLocked(now)) {
                    // 订阅下一个垂直同步信号
                    scheduleFrameLocked(now);
                }
            }
        }
    }
}

Choreographer接收到新的绘制任务后，会执行两个动作：

1. 绘制任务入链：

public final class Choreographer {
    // 绘制任务链
    private final class CallbackQueue {
        // 任务链头结点
        private CallbackRecord mHead;

        // 绘制任务入链(按时间升序)
        public void addCallbackLocked(long dueTime, Object action, Object token) {
            CallbackRecord callback = obtainCallbackLocked(dueTime, action, token);
            CallbackRecord entry = mHead;
            if (entry == null) {
                mHead = callback;
                return;
            }
            // 头插入
            if (dueTime < entry.dueTime) {
                callback.next = entry;
                mHead = callback;
                return;
            }

            //中间插入或尾插入
            while (entry.next != null) {
                if (dueTime < entry.next.dueTime) {
                    callback.next = entry.next;
                    break;
                }
                entry = entry.next;
            }
            entry.next = callback;
        }
    }

    // 绘制任务结点
    private static final class CallbackRecord {
        // 下一个绘制任务
        public CallbackRecord next;
        // 绘制任务应该在这个时刻被执行
        public long dueTime;
        // 描述绘制任务的代码段
        public Object action;   
        ...
        // 执行绘制任务
        public void run(long frameTimeNanos) {
            if (token == FRAME_CALLBACK_TOKEN) {
                ((FrameCallback)action).doFrame(frameTimeNanos);
            } else {
                ((Runnable)action).run();
            }
        }
    }
}

Choreographer接收有四种任务类型，分别是输入、动画、View树遍历、COMMIT。每个任务被抽象成CallbackRecord，同类任务按时间先后顺序组成一条任务链CallbackQueue。四条任务链存放在mCallbackQueues[]数组结构中。

2. 订阅下一个垂直同步信号

public final class Choreographer {
    private void scheduleFrameLocked(long now) {
        // 若已经订阅过下个垂直同步信号,则什么也不做
        if (!mFrameScheduled) {
            // 当下一个垂直同步信号到来时，需要执行绘制任务
            mFrameScheduled = true;
            if (USE_VSYNC) {
                // 不管走哪个分支，最终都会调用scheduleVsyncLocked()来注册接收垂直同步信号
                if (isRunningOnLooperThreadLocked()) {
                    scheduleVsyncLocked();
                } else {
                    Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC);
                    msg.setAsynchronous(true);
                    mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg);
                }
            } else {
                ...
            }
        }
    }

    // 委托 DisplayEventReceiver 来注册垂直同步信号
    private void scheduleVsyncLocked() {
        mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();
    }

    // 绘制一帧
    void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
        synchronized (mLock) {
            // 若不需要响应这个垂直同步信号，则直接返回，该帧不绘制任何东西
            if (!mFrameScheduled) {
                return; 
            }
            ...
        }
        ...
    }

    private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver implements Runnable {
        // 垂直同步信号回调
        @Override
        public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
            ...
            // 向主线程抛任务,绘制一帧
            Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
            msg.setAsynchronous(true);
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
        }

        @Override
        public void run() {
            mHavePendingVsync = false;
            // 绘制当前帧
            doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
        }
    }
}

// 垂直同步信号接收器
public abstract class DisplayEventReceiver {
    // 注册接收下一个垂直同步信号
    public void scheduleVsync() {
        if (mReceiverPtr == 0) {
            Log.w(TAG, "...");
        } else {
            // 向SurfaceFlinger订阅下一个垂直同步信号
            nativeScheduleVsync(mReceiverPtr);
        }
    }
    ...
}

并不是每个垂直同步信号都会被上层订阅并处理，只有当Choreographer订阅了下一个垂直同步信号，SurfaceFlinger才会把信号通过onVsync()回调给上层。

图中第一个垂直信号到来之前，上层调用了postCallback()向Choreographer抛绘制任务，同时订阅了下一个信号并把mFrameScheduled置为 true，表示需要绘制下一帧。当第一个信号产生时，onVsync()被回调，同时将doFrame()抛到主线程执行，执行完毕后将mFrameScheduled置为 false，因没有后续订阅动作，所以上层不会收到后续的onVsync()回调，也不会绘制任何新东西。

执行绘制任务

ViewRootImpl向Choreographer抛绘制任务后，任务并没有立马执行，而是被暂存在绘制任务链中，并注册接收下一个垂直同步信号。只有当下一个信号通过onVsync()回调后，它才会被执行：

public final class Choreographer {
    // 垂直同步信号接收器
    private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver implements Runnable {
        private boolean mHavePendingVsync;
        private long mTimestampNanos;
        private int mFrame;

        @Override
        public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) { 
            ...
            // 发送异步消息到主线程，执行当前的Runnable，即doFrame()
            Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
            msg.setAsynchronous(true);
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
        }

        @Override
        public void run() {
            mHavePendingVsync = false;
            // 绘制一帧的内容
            doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
        }
    }
}

每当垂直同步信号回调时，都会向主线程推送一个待执行的绘制帧任务doFrame()。

public final class Choreographer {
    void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
        final long startNanos;
        synchronized (mLock) {
            // 如果没有订阅这一帧的垂直同步信号，则直接退出不绘制
            if (!mFrameScheduled) {
                return; // no work to do
            }
        ...
        try {
            // 处理这一帧的输入事件
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
            // 处理这一帧的动画
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
            // 处理这一帧的 View 树遍历
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
            // 所有绘制任务结束后执行 COMMIT 任务
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
        } finally {
            ...
        }
        ...
    }
}

绘制每一帧时，会按照“输入事件”、“动画”、“View 树遍历”、“COMMIT”这样的顺序处理任务。

处理函数doCallback()定义如下：

public final class Choreographer {
    // 暂存绘制任务的链式数组
    private final CallbackQueue[] mCallbackQueues;

    void doCallbacks(int callbackType, long frameTimeNanos) {
        CallbackRecord callbacks;
        synchronized (mLock) {
            final long now = System.nanoTime();
            // 从指定类型的任务链中根据当前时间点取出要执行的任务
            callbacks = mCallbackQueues[callbackType].extractDueCallbacksLocked(now / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
            if (callbacks == null) {
                return;
            }
            ...
        }
        try {
            // 执行任务链上被取出的所有任务
            for (CallbackRecord c = callbacks; c != null; c = c.next) {
                c.run(frameTimeNanos);
            }
        } finally {
            ...
        }
    }

    // 任务实体类
    private static final class CallbackRecord {
        public CallbackRecord next;
        public Object action;
        ...
        public void run(long frameTimeNanos) {
            if (token == FRAME_CALLBACK_TOKEN) {
                ((FrameCallback)action).doFrame(frameTimeNanos);
            } else {
                // 执行任务
                ((Runnable)action).run();
            }
        }
    }
}

追踪到这，ViewRootImpl推送过来的 "View 树遍历" 任务总算被执行了。

其中extractDueCallbacksLocked()是任务链CallbackQueue的方法，用于获取待当前时间点需要被执行的所有任务：

private final class CallbackQueue {
    // 任务链头结点
    private CallbackRecord mHead;

    // 获取当前时间节点之前的所有任务，这些任务都需要在当前帧被执行
    public CallbackRecord extractDueCallbacksLocked(long now) {
        CallbackRecord callbacks = mHead;
        if (callbacks == null || callbacks.dueTime > now) {
            return null;
        }

        CallbackRecord last = callbacks;
        CallbackRecord next = last.next;
        // 遍历任务链，以现在时间点为分割线，从链上摘取过去的任务
        while (next != null) {
            if (next.dueTime > now) {
                last.next = null;
                break;
            }
            last = next;
            next = next.next;
        }
        mHead = next;
        // 以链的形式返回所有过去任务
        return callbacks;
    }
}

绘制当前帧时，会以当前时刻为分割线，从任务链上摘取所有以前的任务，并按时间先后顺序逐个执行。

在纸上演算一遍上面的代码：

上图表示在第一个垂直同步信号还未到来时，上层已经向任务链中已添加了 3 个任务，其中前两个的执行时刻在第一个信号到来之前，而第三个任务在第一个信号后执行。

在第一个任务入链时就完成了对第一个信号的订阅，而第三个任务在第一个信号之后执行，所以它的订阅行为doScheduleCallback()先被存放在主线程消息队列中，待第一个信号到来之后再订阅第二个信号。

当第一个垂直同步信号到来后，doFrame()被抛到主线程，它从任务链中摘取当前时间节点之前的任务1和2并执行它们。当任务被执行完，就从主线程消息队列中取出下一条消息“为任务3订阅下一个垂直同步信号”并执行。所有这些都完成后，主线程只能发呆，等待下一个垂直同步信号。

当第二个垂直同步信号到来之后，任务链中剩下的任务3都被取出并抛到主线程执行。任务链空了，当任务3执行完毕后，主线程彻底没事做，只能等到上层再向Choreographer抛任务。

卡顿的原因是掉帧？

推迟

上述情况，绘制任务都能在一个帧间隔内完成，若任务很耗时，执行时间超过了帧间隔会怎么样？

第一个垂直信号到来后，任务1和2被抛到主线程执行，这次它们执行时间略长，超过了一个帧间隔，导致订阅下一个信号的函数迟迟未被执行。对于上层来说，错过了第二个onVsync()回调，这意味着，任务1和2错过了一次显示时机，任务3错过了一次渲染时机。对于底层来说，显示器在发出垂直同步信号时会向图形缓冲取显示内容，这次没拿到内容，只能继续显示上一帧图像。

任务1和2执行完，主线程才“订阅下一个信号”，当第三个信号到来时，显示器从图形缓冲中取到了任务1和2的渲染结果，而任务3也被抛到主线程执行。

这个 case 中，任务链中所有的绘制任务都被推迟显示了。

合并

若主线程中除了绘制任务外，还有别的耗时任务，情况会怎么样？

假设第一个垂直同步信号到来前，上层已经抛了3个绘制任务到任务链中，它们执行的时刻分别被设定于第一、二、三个垂直同步信号之间。 image

当第一个垂直同步信号到来时，doFrame()被抛到主线程消息队列，但主线程被一个 I/O 任务占用着，遂doFrame()一直没有得到执行机会。而且订阅后续信号的函数也无法被执行，所以第二、三个onVsync()不会被调用，直到 I/O 操作执行完毕。

推迟执行的doFrame()会有什么不一样？

public final class Choreographer {
    private Choreographer(Looper looper, int vsyncSource) {
        ...
        // 帧间隔 = 1 秒 / 刷新率
        mFrameIntervalNanos = (long)(1000000000 / getRefreshRate());
    }

    private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver implements Runnable {
        private long mTimestampNanos;

        @Override
        public void onVsync(long timestampNanos, int builtInDisplayId, int frame) {
            ...
            // 记录垂直信号到达的时刻
            mTimestampNanos = timestampNanos;
            ...
            Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
            msg.setAsynchronous(true);
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
        }

        @Override
        public void run() {
            mHavePendingVsync = false;
            // 垂直信号到达时刻会和doFrame()一起被抛到主线程
            doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
        }
    }

    void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
        synchronized (mLock) {
            ...
            // 当前帧实际被绘制的时刻
            startNanos = System.nanoTime();
            // 计算当前帧绘制延迟 = 当前时刻 - 本应绘制的时刻
            final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
            // 如果延迟大于帧间隔
            if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
                // 计算跳过的帧数,如果帧数超过阈值则log警告
                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.");
                }
                // 计算帧延迟相对于帧间隔的偏移量
                final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos;
                // 修正帧绘制时刻，将其对齐到最新到达的垂直同步信号
                frameTimeNanos = startNanos - lastFrameOffset;
            }
            ...
            // 将上一帧绘制时刻更新为最新垂直同步信号时刻
            mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
        }

        try {
            // 渲染当前帧（传入的frameTimeNanos是最新的垂直同步信号时刻）
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
        } finally {
            ...
        }
        ...
    }
}

doFrame()在绘制帧之前，会计算帧延迟，即当前时刻和帧本该被绘制时刻的差值。

如果帧延迟大于帧间隔，则会修正绘制时刻frameTimeNanos，将其对齐到当前时刻前的一个垂直同步信号时刻。然后该时刻被传入doCallbacks()，作为从任务链上摘取任务的依据，所有在此之前的任务都会被摘下。

此时，任务1、2、3都会被摘下，因为相对于对其后的frameTimeNanos，它们都是过去的任务，所以这次doFrame()的执行会将原本三次doFrame()的绘制任务一并执行，如果绘制任务执行的足够快，就有机会在下一个垂直同步信号到来之前订阅它，这样任务1、2、3的绘制的内容就会在下一帧被展示出来，如下图所示：

当主线程被耗时操作占用时，会发生掉帧，即本该被渲染及展示的帧会错过展示机会。但对于上层来说，什么东西都没有掉，只是本该在不同帧间隔执行的绘制任务被合并在一起执行展示。

如果三个绘制任务很耗时，会发生什么？

这时候，doCallbacks()中的某些条件就会被触发：

public final class Choreographer {
    void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
        synchronized (mLock) {
            ...
            startNanos = System.nanoTime();
            final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
            // 如果延迟大于帧间隔
            if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
                ...
                // 计算帧延迟相对于帧间隔的偏移量
                final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos;
                // 修正帧绘制时刻，将其对齐到最新的垂直同步信号
                frameTimeNanos = startNanos - lastFrameOffset;
            }
            ...
            // 将上一帧绘制时刻更新为最新垂直同步信号时刻
            mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;

            // 如果该帧相对于上一帧来说是旧帧,  跳过当前帧并订阅下一个垂直同步信号
            if (frameTimeNanos < mLastFrameTimeNanos) {
                scheduleVsyncLocked();
                return;
            }
        }

        try {
            // 渲染当前帧
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
            // 在输入,动画,View树遍历任务都执行完毕之后,执行 COMMIT 任务
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
        } finally {
            ...
        }
        ...
    }

    void doCallbacks(int callbackType, long frameTimeNanos) {
        CallbackRecord callbacks;
        synchronized (mLock) {
            ...
            // 如果是 COMMIT 任务
            if (callbackType == Choreographer.CALLBACK_COMMIT) {
                // 计算帧绘制延迟
                final long jitterNanos = now - frameTimeNanos;
                // 如果帧绘制延迟 >= 2倍帧间隔
                if (jitterNanos >= 2 * mFrameIntervalNanos) {
                    // 计算帧偏移量并追加一个帧间隔的时长
                    final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos + mFrameIntervalNanos;
                    // 将mLastFrameTimeNanos对其到当前时刻前的第二个垂直同步信号时刻
                    frameTimeNanos = now - lastFrameOffset;
                    mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
                }
            }
        }
        ...
    }
}

因为doFrame()执行时间超过了2个帧间隔，当输入、动画、View树遍历任务执行完毕，COMMIT任务执行时，触发了帧时间对其，将mLastFrameTimeNanos往前偏移了一段时间，对其到绘制任务结束时刻前的第二个垂直同步信号时刻。这样做的目的是防止因这次超时绘制而导致更多的掉帧。因为doFrame()在绘制当前帧之前会校验当前帧和上一帧的绘制时刻:

// 如果该帧相对于上一帧来说是旧帧, 跳过当前帧并订阅下一个垂直同步信号
if (frameTimeNanos < mLastFrameTimeNanos) {
    scheduleVsyncLocked();
    return;
}

如果在上一个doFrame()快执行完时，上层又向Choreographer抛了若干绘制任务，这些绘制任务的绘制时刻frameTimeNanos必然小于上一帧绘制结束时刻mLastFrameTimeNanos，若不执行COMMIT任务将mLastFrameTimeNanos向前对其，则新的绘制任务将会错过一次执行时机。