Android Project Butter分析

Project Butter（黄油计划）的特性，包括：

1. 通过Vsync信号来同步UI绘制和动画，使得它们可以获得一个达到60fps的固定的帧率；

   B. 三缓冲支持，改善GPU和CPU之间绘制节奏不一致的问题；

   C. 将用户输入，例如touch event，同步到下一个Vsync信号到来时再处理；

   D. 预测用户的touch行为，以获得更好的交互响应；

   E. 每次用户touch屏幕时，进行CPU Input Boost，以便减少处理延时。

   一背景知识介绍

   随着时间的推移，Android OS系统一直在不断进化、壮大，日趋完善。但直到Android 4.0问世，有关UI显示不流畅的问题也一直未得到根本解决。在整个进化过程中，Android在Display（显示）系统这块也下了不少功夫，例如，使用硬件加速等技术，但本质原因似乎和硬件关系并不大，因为iPhone的硬件配置并不比那些价格相近的Android机器的硬件配置强，而iPhone UI的流畅性强却是有目共睹的。

   从Android 4.1（版本代号为Jelly Bean）开始，Android OS开发团队便力图在每个版本中解决一个重要问题（这是不是也意味着Android OS在经过几轮大规模改善后，开始进入手术刀式的精加工阶段呢？）。作为严重影响Android口碑问题之一的UI流畅性差的问题，首先在Android 4.1版本中得到了有效处理。其解决方法就是本文要介绍的Project Butter。

   Project Butter对Android Display系统进行了重构，引入了三个核心元素，即VSYNC、Triple Buffer和Choreographer([?k?r?'?ɡr?f?(r)] 编舞者)。其中，VSYNC是理解Project Buffer的核心。VSYNC是Vertical Synchronization（垂直同步）的缩写，是一种在PC上已经很早就广泛使用的技术。读者可简单的把它认为是一种定时中断。

   接下来，本文将围绕VSYNC来介绍Android Display系统的工作方式。请注意，后续讨论将以Display为基准，将其划分成16ms长度的时间段，在每一时间段中，Display显示一帧数据（相当于每秒60帧）。时间段从1开始编号。

   首先是没有VSYNC的情况，如图1所示：

   图1  没有VSYNC的绘图过程

   由图1可知：

•  时间从0开始，进入第一个16ms：Display显示第0帧，CPU处理完第一帧后，GPU紧接其后处理继续第一帧。三者互不干扰，一切正常。
• 时间进入第二个16ms：因为早在上一个16ms时间内，第1帧已经由CPU，GPU处理完毕。故Display可以直接显示第1帧。显示没有问题。但在本16ms期间，CPU和GPU却并未及时去绘制第2帧数据（注意前面的空白区），而是在本周期快结束时，CPU/GPU才去处理第2帧数据。
• 时间进入第3个16ms，此时Display应该显示第2帧数据，但由于CPU和GPU还没有处理完第2帧数据，故Display只能继续显示第一帧的数据，结果使得第1帧多画了一次（对应时间段上标注了一个Jank）。

通过上述分析可知，此处发生Jank的关键问题在于，为何第1个16ms段内，CPU/GPU没有及时处理第2帧数据？原因很简单，CPU可能是在忙别的事情（比如某个应用通过sleep固定时间来实现动画的逐帧显示），不知道该到处理UI绘制的时间了。可CPU一旦想起来要去处理第2帧数据，时间又错过了！

为解决这个问题，Project Butter引入了VSYNC，这类似于时钟中断。结果如图2所示：

图2  引入VSYNC的绘制过程

由图2可知，每收到VSYNC中断，CPU就开始处理各帧数据。整个过程非常完美。

不过，仔细琢磨图2却会发现一个新问题：图2中，CPU和GPU处理数据的速度似乎都能在16ms内完成，而且还有时间空余，也就是说，CPU/GPU的FPS（帧率，Frames Per Second）要高于Display的FPS。确实如此。由于CPU/GPU只在收到VSYNC时才开始数据处理，故它们的FPS被拉低到与Display的FPS相同。但这种处理并没有什么问题，因为Android设备的Display FPS一般是60，其对应的显示效果非常平滑。

如果CPU/GPU的FPS小于Display的FPS，会是什么情况呢？请看图3：

图3  CPU/GPU FPS较小的情况

由图3可知：

• 在第二个16ms时间段，Display本应显示B帧，但却因为GPU还在处理B帧，导致A帧被重复显示。
• 同理，在第二个16ms时间段内，CPU无所事事，因为A Buffer被Display在使用。B Buffer被GPU在使用。注意，一旦过了VSYNC时间点，CPU就不能被触发以处理绘制工作了。

为什么CPU不能在第二个16ms处开始绘制工作呢？原因就是只有两个Buffer。如果有第三个Buffer的存在，CPU就能直接使用它，而不至于空闲。出于这一思路就引出了Triple Buffer。结果如图4所示：

图4  Triple Buffer的情况

由图4可知：

• 第二个16ms时间段，CPU使用C Buffer绘图。虽然还是会多显示A帧一次，但后续显示就比较顺畅了。

是不是Buffer越多越好呢？回答是否定的。由图4可知，在第二个时间段内，CPU绘制的第C帧数据要到第四个16ms才能显示，这比双Buffer情况多了16ms延迟。所以，Buffer最好还是两个，三个足矣。

介绍了上述背景知识后，下文将分析Android Project Buffer的一些细节。

[②]，并未做什么改动。

以上是Project Buffer对SurfaceFlinger所做的一些改动。那么Triple Buffer是怎么处理的呢？幸好从Android 2.2开始，Display的Page Flip算法就不依赖Buffer的个数，Buffer个数不过是算法的一个参数罢了。所以，Triple Buffer的引入，只是把Buffer的数目改成了3，而算法本身相对于4.0来说并没有变化。图7为Triple Buffer的设置示意图：

图7  Layer.cpp中对Triple Buffer的设置

图7所示，为Layer.cpp中对Buffer个数的设置。TARGET_DISABLE_TRIPLE_BUFFERING宏可设置Buffer的个数。对某些内存/显存并不是很大的设备，也可以选择不使用Triple Buffer。

Java类。第一次看到这个词时，我很激动。一个小小的命名真的反应出了设计者除coding之外的广博的视界。试想，如果不是对舞蹈有相当了解或喜爱，一般人很难想到用这个词来描述它。

Choreographer的定义和基本结构如图8所示：

图8  Choreographer的定义和结构

图8中：

• Choreographer是线程单例的，而且必须要和一个Looper绑定，因为其内部有一个Handler需要和Looper绑定。
• DisplayEventReceiver是一个abstract class，其JNI的代码部分会创建一个IDisplayEventConnection的VSYNC监听者对象。这样，来自EventThread的VSYNC中断信号就可以传递给Choreographer对象了。由图8可知，当VSYNC信号到来时，DisplayEventReceiver的onVsync函数将被调用。
• 另外，DisplayEventReceiver还有一个scheduleVsync函数。当应用需要绘制UI时，将首先申请一次VSYNC中断，然后再在中断处理的onVsync函数去进行绘制。
• Choreographer定义了一个FrameCallback interface，每当VSYNC到来时，其doFrame函数将被调用。这个接口对Android Animation的实现起了很大的帮助作用。以前都是自己控制时间，现在终于有了固定的时间中断。

Choreographer的主要功能是，当收到VSYNC信号时，去调用使用者通过postCallback设置的回调函数。目前一共定义了三种类型的回调，它们分别是：

• CALLBACK_INPUT：优先级最高，和输入事件处理有关。
• CALLBACK_ANIMATION：优先级其次，和Animation的处理有关。
• CALLBACK_TRAVERSAL：优先级最低，Handles layout and draw. Runs after all other asynchronous messages have been handled。
• CALLBACK_COMMIT：Handles post-draw operations for the frame. Runs after traversal completes, 遍历完成的提交操作，用来修正动画启动时间。

优先级高低和处理顺序有关。当收到VSYNC中断时，Choreographer将首先处理INPUT类型的回调，然后是ANIMATION类型，最后才是TRAVERSAL类型。

此外，读者在自行阅读Choreographer相关代码时，还会发现Android对Message/Looper类也进行了一番小改造，使之支持Asynchronous Message和Synchronization Barrier（参照Looper.java的postSyncBarrier函数）。其实现非常巧妙，这部分内容就留给读者自己理解并欣赏了。

相比SurfaceFlinger，Choreographer是Android 4.1中的新事物，下面将通过一个实例来简单介绍Choreographer的工作原理。

假如UI中有一个控件invalidate了，那么它将触发ViewRootImpl的invalidate函数，该函数将最终调用ViewRootImpl的scheduleTraversals。其代码如图9所示：

图9  ViewRootImpl scheduleTraversals函数的实现

由图9可知，scheduleTraversals首先禁止了后续的消息处理功能，这是由设置Looper的postSyncBarrier来完成的。一旦设置了SyncBarrier，所有非Asynchronous的消息便将停止派发。

然后，为Choreographer设置了CALLBACK类型为TRAVERSAL的处理对象，即mTraversalRunnable。

最后调用scheduleConsumeBatchedInput，这个函数将为Choreographer设置了CALLBACK类型为INPUT的处理对象。

Choreographer的postCallback函数将会申请一次VSYNC中断（通过调用DisplayEventReceiver的scheduleVsync实现）。当VSYNC信号到达时，Choreographer doFrame函数被调用，内部代码会触发回调处理。代码片段如图10所示：

图10  Choreographer doFrame函数片段

对ViewRootImpl来说，其TRAVERSAL回调对应的处理对象，就是前面介绍的mTraversalRunnable，它的代码很简单，如图11所示：

图11  mTraversalRunnable的实现

doTraversal内部实现和Android 4.0版本一致。故相比于4.0来说，4.1只是把doTraversal调用位置放到VSYNC中断处理中了。

通过上边的介绍，可知Choreographer确实做到了对绘制工作的统一安排，不愧是个长于统筹安排的"舞蹈编导"。

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