Android?Choreographer源碼詳細分析

更新時間：2022年08月26日 14:04:28 作者：niuyongzhi

Choreographer的作用主要是配合Vsync，給上層App的渲染提供一個穩(wěn)定的Message處理的時機，也就是Vsync到來的時候，系統(tǒng)通過對Vsync信號周期的調(diào)整，來控制每一幀繪制操作的時機

一、首先介紹一些基礎(chǔ)知識

1.刷新率(Refresh Rate)：

刷新率代表屏幕在一秒內(nèi)刷新屏幕的次數(shù)，用赫茲來表示。赫茲是頻率的單位，一秒震動的次數(shù)。這個刷新率取決于硬件固定的參數(shù)。這個值一般是60Hz。即每16.66ms刷新一次屏幕。

2.幀速率(Frame Rate)：

幀速率代表了GPU在一秒內(nèi)繪制操作的幀數(shù)。比如30FPS、60FPS。Frame Per Second。

3.如果兩個設(shè)備獨立運行，如果刷新率和幀速率不同步，會引發(fā)以下兩種問題。

如果幀速率高于刷新率，制作的頻率大于展示的頻率，會導(dǎo)致屏幕圖像的展示的跳躍，跳幀的現(xiàn)象。

如果幀速率小于刷新率，制作的頻率小于展示的頻率，會導(dǎo)致屏幕圖像的展示的中斷，掉幀的現(xiàn)象。

4.android為了解決上面的問題，在4.1版本中引入了Projectbuffer.

ProjectBuffer對Android Display系統(tǒng)進行了重構(gòu)，引入了三個核心元素，即Vsync，TripleBuffer和Choreographer。

其中Vsync是Vertical Synchronization 垂直同步是縮寫。是一種在PC上已經(jīng)很早就廣泛使用的技術(shù)。

引入是Vsync來進行控制CPUGPU的繪制和屏幕刷新同步進行。

而編舞者choreography的引入，主要是配合Vsync，給上層App的渲染提供一個穩(wěn)定的時機。Vsync到來的時候，Choreographer可以根據(jù)Vsync信號，統(tǒng)一管理應(yīng)用的輸入、動畫、繪制等任務(wù)的執(zhí)行情況。Choreographer就像一個指揮家一樣，來把控著UI的繪制，所以取名編舞者。

二、android源碼中Choreographer是如何運行

1.首先在ViewRootImpl構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建了Choreographer對象

 public ViewRootImpl(Context context, Display display) {
     mChoreographer = Choreographer.getInstance();
 }
  public static Choreographer getInstance() {
         return sThreadInstance.get();
  }

當(dāng)調(diào)用get時，如果為null，會調(diào)用initialValue()方法。并把Choreographer實例和ThreadLocal綁定。

private static final ThreadLocal<Choreographer> sThreadInstance =
        new ThreadLocal<Choreographer>() {
    @Override
    protected Choreographer initialValue() {
        //因為后面會用到handler通訊，所以必須有一個Looper循環(huán)
        Looper looper = Looper.myLooper();
        if (looper == null) {
            throw new IllegalStateException("The current thread must have a looper!");
        }
        Choreographer choreographer = new Choreographer(looper, VSYNC_SOURCE_APP);
        //如果是主線程，則把choreographer賦值給mMainInstance
        if (looper == Looper.getMainLooper()) {
            mMainInstance = choreographer;
        }
        return choreographer;
    }
};

2.看Choreographer構(gòu)造函數(shù)

mLastFrameTimeNanos：記錄上一幀繪制的時間。

mFrameIntervalNanos：屏幕繪制一幀的時間間隔，這個是納秒值。如果屏幕刷新率是60Hz，那么刷新一幀的時間間隔就是16.66.......毫秒。

private Choreographer(Looper looper, int vsyncSource) {
    // 傳一個Looper進來，
    mLooper = looper;
    //用來處理消息的。
    mHandler = new FrameHandler(looper);
    //USE_VSYNC 是否使用Vsync
    //boolean USE_VSYNC = SystemProperties.getBoolean("debug.choreographer.vsync", true);
     mDisplayEventReceiver = USE_VSYNC
                    ? new FrameDisplayEventReceiver(looper, vsyncSource)
                    : null;
    //上一幀繪制的時間
    mLastFrameTimeNanos = Long.MIN_VALUE;
    //1秒是1000毫秒，1毫秒是1000微秒，1微秒是1000納秒
    //1秒就是1*1000*1000*1000=10的九次方納秒
    //繪制一幀的時間間隔----納秒。如果是60Hz，那么刷新一幀展示的時間就是16.66毫秒。
    mFrameIntervalNanos = (long)(1000000000 / getRefreshRate());
    //初始化回調(diào)隊列，后面會從這個回調(diào)隊列中取出Runnable執(zhí)行run方法。
     mCallbackQueues = new CallbackQueue[CALLBACK_LAST + 1];
    for (int i = 0; i <= CALLBACK_LAST; i++) {
        mCallbackQueues[i] = new CallbackQueue();
    }
}

獲取屏幕的刷新率：

//屏幕的刷新率，一秒鐘可以刷新屏幕多少次，通常是60Hz
private static float getRefreshRate() {
    DisplayInfo di = DisplayManagerGlobal.getInstance().getDisplayInfo(
            Display.DEFAULT_DISPLAY);
    return di.getMode().getRefreshRate();
}

3.初始化工作完成，那么Choreographer是怎么跑起來的，入口函數(shù)在哪？

對于UI繪制來說是入口在RootViewImpl的scheduleTraversals()方法中。

void scheduleTraversals() {
 if (!mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = true;
            //發(fā)送一個屏障消息
            mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
            //注意第一個參數(shù)CALLBACK_TRAVERSAL，回調(diào)函數(shù)的類型。
            //mTraversalRunnable 回調(diào)函數(shù)要執(zhí)行的runnable。
            //第三個參數(shù)token，傳了一個null
            mChoreographer.postCallback(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
            if (!mUnbufferedInputDispatch) {
                scheduleConsumeBatchedInput();
            }
            notifyRendererOfFramePending();
            pokeDrawLockIfNeeded();
        }
 }

//第一個參數(shù)callbackType 有五種類型，這幾個回調(diào)是有順序的。
1.CALLBACK_INPUT 輸入回調(diào)，首先運行
2.CALLBACK_ANIMATION 動畫回調(diào)，這個在將動畫原理的時候，會看到
3.CALLBACK_INSETS_ANIMATION inset和update相關(guān)的動畫，運行在上面兩個回調(diào)之后，
4.CALLBACK_TRAVERSAL 遍歷回調(diào)，用于處理布局和繪制
5.CALLBACK_COMMIT Commit回調(diào)，在Traversal繪制回調(diào)之后。

接下來看postCallbackDelayedInternal方法

第二個參數(shù)就是上面的mTraversalRunnable。
第四個參數(shù)延遲的時間，這里延遲時間是0,沒有延遲
所以這個方法走if判斷的第一個分支

private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
         Object action, Object token, long delayMillis) {
     synchronized (mLock) {
         final long now = SystemClock.uptimeMillis();
         final long dueTime = now + delayMillis;
         //將runnable加入回調(diào)隊列
         mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);
         上面?zhèn)鬟^來的delayMillis是0，所以走第一個分支。
         if (dueTime <= now) {
             scheduleFrameLocked(now);
         } else { //如果有延遲，則發(fā)送一個延遲的異步消息。這種消息在handler同步屏障文章中介紹過
             Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
             msg.arg1 = callbackType;
             msg.setAsynchronous(true);
             mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);
         }
     }
 }

private void scheduleFrameLocked(long now) {
     if (!mFrameScheduled) {
                mFrameScheduled = true;
        //如果使用垂直同步
         if (USE_VSYNC) {
                //判斷是否運行在主線程,如果是則直接調(diào)用scheduleVsyncLocked()
                //如果運行在子線程則通過發(fā)送handler 的方式也會調(diào)用到scheduleVsyncLocked()
                if (isRunningOnLooperThreadLocked()) {//Looper.myLooper() == mLooper
                    scheduleVsyncLocked();
                } else {
                    Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC);
                    msg.setAsynchronous(true);
                    mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg);
                }
         }else{
              final long nextFrameTime = Math.max(
                        mLastFrameTimeNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS + sFrameDelay, now);
                Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_FRAME);
                msg.setAsynchronous(true);
                mHandler.sendMessageAtTime(msg, nextFrameTime);
         }
     }
 }

scheduleVsyncLocked()方法。

private void scheduleVsyncLocked() {
     //調(diào)用父類 DisplayEventReceiver的方法
     mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();
}

在scheduleVsync()方法中會調(diào)用nativeScheduleVsync，這是一個native方法，在native層執(zhí)行完畢后會回調(diào)到j(luò)ava層的方法dispatchVsync()

scheduleVsync：向native層去請求一個Vsync信號。

dispatchVsync：請求到Vsync信號后，執(zhí)行Java層的UI繪制和渲染邏輯。

public void scheduleVsync() {
    if (mReceiverPtr == 0) {
        Log.w(TAG, "Attempted to schedule a vertical sync pulse but the display event "
                + "receiver has already been disposed.");
    } else { // 調(diào)用native 方法
        //調(diào)用Native方法請求一個Vsync信號，然后會從native層回調(diào)java層的dispatchVsync方法
        nativeScheduleVsync(mReceiverPtr);
    }
}

timestampNanos：從Native層傳遞過來的一個時間戳，Vsync從native層發(fā)出的時間。

 // Called from native code.
//從native層回調(diào)java層的dispatchVsync方法
private void dispatchVsync(long timestampNanos, long physicalDisplayId, int frame) {
    onVsync(timestampNanos, physicalDisplayId, frame);
}

在這又發(fā)送了一個異步消息，并且 Message.obtain(mHandler, this);第二個參數(shù)是一個callBack回調(diào)。所以沒有handler的情況下，會執(zhí)行這個回調(diào)函數(shù)。但是傳的是this，所以就會執(zhí)行this的run方法。這個this就是FrameDisplayEventReceiver的實例，在Choreographer的構(gòu)造函數(shù)中初始化的。

 public void onVsync(long timestampNanos, long physicalDisplayId, int frame) {
      mTimestampNanos = timestampNanos;
        mFrame = frame;
        //得到message 添加了一個回調(diào)函數(shù)，this，則會調(diào)用run方法
        Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
        msg.setAsynchronous(true);
        mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
 }

在FrameDisplayEventReceiver的run方法中，調(diào)用的doFrame方法

 @Override
 public void run() {
   mHavePendingVsync = false;
   doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
 }

void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
        final long startNanos;
        synchronized (mLock) {
            if (!mFrameScheduled) {
                return; // no work to do
            }
            //sync信號發(fā)出的時間，
            long intendedFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
            //當(dāng)前的時間
            startNanos = System.nanoTime();
            //兩者相減得到的時間差，就是底層消息通訊和回調(diào)所消耗的時間
            final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
            //如果這個時間差大于了一幀的時間間隔。
            if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
                //計算跳過了多少幀
                final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
                //注意下面這行日子，如果跳幀大于30幀，系統(tǒng)會打印下面這行l(wèi)og，在主線程做了太多工作，會造成UI卡頓。
                if (skippedFrames >= SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT) {
                    Log.i(TAG, "Skipped " + skippedFrames + " frames!  "
                            + "The application may be doing too much work on its main thread.");
                }
                //取模，得到的值就是一幀多出來的時間
                final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos;
                }
                //用當(dāng)前時間減去多出來的時間，就是下一幀要繪制的時間
                //進行繪制時間的修正，保證每一次的繪制時間間隔都是mFrameIntervalNanos
                frameTimeNanos = startNanos - lastFrameOffset;
            }
             //如果底層傳過來的時間，小于上一幀繪制的時間，正常情況下，frameTimeNanos都是大于上一幀繪制的時間的。
            if (frameTimeNanos < mLastFrameTimeNanos) {
                //跳過本次的繪制，請求下一幀的時間
                scheduleVsyncLocked();
                return;
            }
            //以上的判斷，都是為了控制繪制的頻率。
            if (mFPSDivisor > 1) {
                long timeSinceVsync = frameTimeNanos - mLastFrameTimeNanos;
                if (timeSinceVsync < (mFrameIntervalNanos * mFPSDivisor) && timeSinceVsync > 0) {
                    scheduleVsyncLocked();
                    return;
                }
            }
            mFrameInfo.setVsync(intendedFrameTimeNanos, frameTimeNanos);
            //重置標(biāo)志位，可以再次進入scheduleFrameLocked
            mFrameScheduled = false;
            //將底層傳過來的時間，記錄為本次繪制的時間，也就是下一幀傳過來時，上一幀繪制的時間。
            mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
        }
        try {
            AnimationUtils.lockAnimationClock(frameTimeNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
            mFrameInfo.markInputHandlingStart();
            //根據(jù)Choreographer的CallBack類型，進行callBack的回調(diào)。
            //輸入
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);
            mFrameInfo.markAnimationsStart();
            //動畫
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INSETS_ANIMATION, frameTimeNanos);
            mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();
            //界面繪制
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);
            //commit
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
        } finally {
            AnimationUtils.unlockAnimationClock();
            Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
        }
    }

這個是很重要的一個方法。

通過這個方法中的邏輯能夠看出：Choreographer控制App層UI繪制的節(jié)奏和頻率。

然后會按順序執(zhí)行一些列的doCallBacks函數(shù)。

首先會根據(jù)callbackType，從鏈表中取出CallBackRecord。然后再遍歷CallBackRecord，調(diào)用他的run方法。

void doCallbacks(int callbackType, long frameTimeNanos) {
   CallbackRecord callbacks;
     synchronized (mLock) {
          final long now = System.nanoTime();
             //根據(jù)callbacktype，從鏈表中拿到 CallbackRecord
              callbacks = mCallbackQueues[callbackType].extractDueCallbacksLocked(
                      now / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
              if (callbacks == null) {
                  return;
              }
              mCallbacksRunning = true;
             for (CallbackRecord c = callbacks; c != null; c = c.next) {
                   //執(zhí)行CallbackRecord的run方法
                    c.run(frameTimeNanos);
             }
     }
 }

根據(jù)token來進行區(qū)分是FrameCallback類型還是Runnable。

主要這里的token傳進來的是null，所以會執(zhí)行else分支。

這個action就是mTraversalRunnable，調(diào)用mTraversalRunnable的run方法。

mChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);

public void run(long frameTimeNanos) {
     if (token == FRAME_CALLBACK_TOKEN) {
         ((FrameCallback)action).doFrame(frameTimeNanos);
     } else {
         ((Runnable)action).run();
     }
}

final class TraversalRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        doTraversal();
    }
}

在它的run方法中執(zhí)行了doTraversal()。

void doTraversal() {
     if (mTraversalScheduled) {
         mTraversalScheduled = false;
         //刪除屏障消息
         mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
         //調(diào)用測量、布局和繪制方法
         performTraversals();
     }
 }