Android Project Butter分析

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。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[①]。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 Buffer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。

二  Project Buffer分析

上一节对VSYNC进行了理论分析，其实也引出了Project Buffer的三个关键点：

• 核心关键：需要VSYNC定时中断。
• Triple Buffer：当双Buffer不够使用时，该系统可分配第三块Buffer。
• 另外，还有一个非常隐秘的关键点：即将绘制工作都统一到VSYNC时间点上。这就是Choreographer的作用。Choreographer是一个极富诗意的词，意为舞蹈编导。在它的统一指挥下，应用的绘制工作都将变得井井有条。

下面来看Project Buffer实现的细节。

2.1  SurfaceFlinger家族的改进

首先被动刀的是SurfaceFlinger家族成员。目标是提供VSYNC中断。相关类图如图5所示：

图5  SurfaceFlinger中和VSYNC有关的类

由图5可知：

• HardwareComposer封装了相关的HAL层，如果硬件厂商提供的HAL层实现能定时产生VSYNC中断，则直接使用硬件的VSYNC中断，否则HardwareComposer内部会通过VSyncThread来模拟产生VSYNC中断（其实现很简单，就是sleep固定时间，然后唤醒）。
• 当VSYNC中断产生时（不管是硬件产生还是VSyncThread模拟的），VSyncHandler的onVSyncReceived函数将被调用。所以，对VSYNC中断来说，VSyncHandler的onVSyncReceived，就是其中断处理函数。

在SurfaceFlinger家族中，VSyncHandler的实例是EventThread。下边是EventThread类的声明：

class EventThread : public Thread, public DisplayHardware::VSyncHandler

由EventThread定义可知，它本身运行在一个单独的线程中，并继承了VSyncHandler。EventThread的核心处理在其线程函数threadLoop中完成，其处理逻辑主要是：

• 等待下一次VSYNC的到来，并派发该中断事件给VSYNC监听者。

通过EventThread，VSYNC中断事件可派发给多个该中断的监听者去处理。相关类如图6所示：

图6  EventThread和VSYNC中断监听者

由图6可知：

• SurfaceFlinger从Thread派生，其核心功能单独运行在一个线程中。
• SurfaceFlinger包括一个EventThread和一个MessageQueue对象。
• 对象通过mEvents成员指向一个IDisplayEventConnection类型的对象。IDisplayEventConnection是一个纯虚类，它代表VSYNC中断的监听者。其实体类是EventThread的内部类Connection。
• IDisplayEventConnection定义了一个getDataChannel函数，该函数返回一个BitTube实例。这个实例提供的read/write方法，用于传送具体的信号数据（其内部实现为socketpair，可通过Binder实现进程跨越）。

EventThread最重要的一个VSYNC监听者就是MessageQueue的mEvents对象。当然，这一切都是为最大的后台老板SurfaceFlinger服务的。来自EventThread的VSYNC中断信号，将通过MessageQueue转化为一个REFRESH消息并传递给SurfaceFlinger的onMessageReceived函数处理。

有必要指出，4.1中SurfaceFlinger onMessageReceived函数的实现仅仅是将4.0版本的SurfaceFlinger的核心函数挪过来罢了[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。

2.2  Choreographer介绍

Choreographer是一个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，和UI等控件绘制有关。

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[③]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”。

三总结

本文通过对Android Project Butter的分析，向读者介绍了VSYNC原理以及Android Display系统的实现。除了VSYNC外，Project Butter还包括其他一些细节的改进，例如避免重叠区域的绘制等。

简言之，Project Butter从本质上解决了Android UI不流畅的问题，而且从Google I/O给出的视频来看，其效果相当不错。但实际上它对硬件配置还是有一定要求的。因为VSYNC中断处理的线程优先级一定要高，否则EventThread接收到VSYNC中断，却不能及时去处理，那就丧失同步的意义了。所以，笔者估计目前将有一大批单核甚至双核机器无法尝到Jelly Bean了。

 

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[①]图1到图4，请参考2012 Google I/O大会的宣传资料

[②]关于SurfaceFlinger的代码详解，请参考《深入理解Android 卷I》第8章

[③]关于MessageQueue及Handler，请参考《深入理解Android 卷2》第2章以及《深入理解Android 卷I》第5章