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「Android渲染」图像是怎样显示到屏幕上的?

我们每天花很多时间盯着手机屏幕,不知道你有没有好奇过:

手机屏幕上的这些东西是怎么显示出来的?

这时候来了一位Android程序员(当然也可以是iOS或者是前端程序员)说: 这里显示的其实是一个View树,我们看到的都是大大小小的View。

。。。听起来很有道理,我们也经常指着屏幕说这个View怎么怎么样,可问题又来了:

屏幕认识View吗? 我们把一个View发给屏幕,它就显示出来了?

程序员老兄又来了: 屏幕当然不能识别View,它作为一个硬件,只能根据收到的数据改变每个像素单元的数据,这样整体来看,用户就发现屏幕上的内容变化了。至于View的内容是如何一步一步转化成屏幕可是识别的数据的,简单讲可以分成三步:

  1. 准备材料
  2. 画出来
  3. 显示到屏幕

。。。听起来很有道理,可问题又来了:

这也太简单了吧,能详细一点吗?

那可就说来话长了。。。

1. 准备材料

对于measure layoutdraw,Android工程师(大都)非常熟悉,我们常常在执行了onDraw()方法后,一个让人自豪的自定义View就显示出来了。在实际的Android绘制流程中,第一步就是通过measure layoutdraw这些步骤准备了下面的材料:

  • 画什么
  • 画的参数

画什么

在Android的绘制中,我们使用Canvas API进行来告诉表示画的内容,如drawCircle() drawColor() drawText() drawBitmap() 等,也是这些内容最终呈现在屏幕上。

画的参数

  • 画的坐标

    坐标系: Android图像坐标系以左上角为0点,x轴左负右正,y轴上负下正,z轴内负外正;

    Viewlayout基准点是父容器的左上角,View的draw内容基准点是View的左上角。

    根节点父容器是当前WindowDecorView,它的布局信息由WindowManger来管理。

    到此,当前应用所有View放在哪个位置就确定了。

  • 画的层级(重叠时的覆盖关系)

    View之间并不是井水不犯河水,经常出现重叠的情况,重叠时该怎样覆盖和显示正确的View大体遵循以下规则:

    • 指定z-order情况下,数值最大的显示在最上层,剩下的降序显示。
    • 在没有指定z-order的情况下,子View覆盖父容器,相同父容器View后添加的显示在最上层。
  • 特定参数

    不同的方法需要的参数不同,比如drawCircle()会有圆心和半径,drawText()需要对应的text资源,drawBitmap()需要对应的Bitmap资源等等。

在当前应用中,View树中所有元素的材料最终会封装到DisplayList对象中(后期版本有用RenderNodeDisplayList又做了一层封装,实现了更好的性能),然后发送出去,这样第一阶段就完成了。

当然就有一个重要的问题:

这个阶段怎么处理Bitmap呢?

会将Bitmap复制到下一个阶段(准确地讲就是复制到GPU的内存中)。 现在大多数设备使用了GPU硬件加速,而GPU在渲染来自Bitmap的数据时只能读取GPU内存中的数据, 所以需要赋值Bitmap到GPU内存,这个阶段对应的名称叫Sync&upload。另外,硬件加速并不支持所有Canvas API,如果自定义View使用了不支持硬件加速的Canvas API(参考Android硬件加速文档),为了避免出错就需要对View进行软件绘制,其处理方式就是生成一个Bitmap,然后复制到GPU进行处理。

这时可能会有问题:如果Bitmap很多或者单个Bitmap尺寸很大,这个过程可能会时间比较久,那有什么办法吗?

当然有(做作。。。)

  • 预上传: Bitmap.prepareToDraw()(from Android 7.0 - Nougat)

  • 使用Hardware-Only Bitmap(from Android 8.0 - Oreo)

    从Android 8.0 开始,支持了Hardware-Only Bitmap类型,这种类型的Bitmap的数据只存放在GPU内存中,这样在Sync&upload阶段就不需要upload这个Bitmap了。使用很简单,只需要将Options.inPreferredConfig赋值为Bitmap.Config.HARDWARE即可。

    这种方式能实现特定场景的极致性能,提供便利的同时,这种Bitmap的某些操作是受限的(毕竟数据存储只存储在GPU内存中),可以查看Glide的总结(为啥不是google?。。。)

关于Bitmap这里再多说一句: Bitmap的内存管理一直是Android程序员很关心的问题,毕竟它是个很占内存的大胖子,在Android3.0~Android7.0,Bitmap内存放在Java堆中,而android系统中每个进程的Java堆是有严格限制的,处理不好这些Bitmap内存,容易导致频繁GC,甚至触发Java堆的OutOfMemoryError。从Android8.0开始,bitmap的像素数据放入了native内存,于是Java Heap的内存问题暂时缓解了。

Tip:

第一步的所有操作都在应用进程的UI Thread中执行。
复制代码

2. 画出来

现在材料已经备好,我们要真正地画东西了。

谁来画

接下来就要把东西画出来了,画出来的过程就是把前面的材料转化成一个堆像素数据的过程,也叫栅格化,那这个活儿谁来干呢?

候选人只有两个:

  • CPU: 软件绘制,使用Skia方案实现,绘制慢。
  • GPU: 硬件加速绘制,使用OpenGL ESVulkan方案实现,绘制快很多。

大部分情况下,都是GPU来干这个活儿,因为GPU真的特别快!!!

怎么画

所谓的“画”,对于计算机来讲就是处理图像,其实就是根据需要(就是DisplayList中的命令)对数据做一些特定类型的数学运算,最后输出结果的过程。我们看到的每一帧精美界面,(几乎)都是GPU吭哧吭哧"算"出来的,这个就有疑问了:

既然是运算,CPU也能算啊,为什么GPU更快呢?

我们简单地聊聊CPU与GPU的区别: CPU的核心数通常是几个,单个核心的主频高,功能强大,擅长串行处理复杂的流程; GPU (Graphics Processing Unit) 有成百上千个核心,单个核心主频低,功能有限,擅长(利用超多核心)大量并行简单运算;正如它的名字一样,GPU就是为图像绘制这个场景量身定做的硬件(所以使用GPU也叫硬件加速),后来也被用到挖矿和神经网络中。

图片肯定没有视频直观,我们从感性的角度感受一下GPU到底有多快,我想下面的视频看过就不会忘掉,你会被GPU折服: Mythbusters Demo GPU versus CPU

看这个视频,我们对于“加速”应该有了更深刻的印象,这里不再进一步分析CPU和GPU更微观的差别(因为不懂),我想已经讲明白为什们GPU更快了。

另外,在GPU开始绘制之前,系统也做了一些优化(对DisplayList中的命令进行预处理),让整个绘制流程更加高效:

  • 增量更新:两帧图像之间只是个别View改变了,那么只绘制更新的View即可,实现方案是DisplayListDamaged Area

  • 指令重排序(reordering)、指令合并(merging)、批处理(batching)

    在硬件绘制之前,第一步中输出的信息会转化成 OpenGL ES中对应的绘制命令( gl commands ),这些命令原本是按照View树的层级关系来递归输出的。可这些命令中有很多(看起来)相同的操作,比如我们在绘制一个列表时,同样属性的文字(标题,内容,昵称等)要绘制十几次,这时候如果把绘制命令重新排序、进行一定的合并和批处理,性能会提升很多。如下图:

    • 未经优化, 按顺序绘制

  • 优化后,一次绘制出所有的文字

第二步的具体过程还是很复杂的,比如涉及到Alpha绘制,相关的优化会失效,详情查看文章为什么alpha渲染性能低.

画在哪里

至于画在哪里,我们现在理解为一个缓冲(Buffer)中就可以了,具体的机制放在第三步讲。

到此,我们已经画(绘制)完了图像内容,把这个内容发送出去,第二步的任务就完成了。

Tip:

在Android L 之前,第二步的操作在应用进程的UI Thread中执行;
在Android L 之后, 第二步的操作在应用进程的RenderThread中执行。
复制代码

3. 显示到屏幕

我们知道,除了我们的应用界面,手机屏幕上同时显示着其他内容,比如SystemUI(状态栏、导航栏)或者另外的悬浮窗等,这些内容都需要显示到屏幕上。所以要先把这些界面的内容合成,然后再显示到屏幕

在讲合成图像之前,我们有必要知道这些界面图像(Buffer)是怎么传递的:

BufferQueue

Android图形架构中,使用生产者消费者模型来处理图像数据,其中的图像缓冲队列叫BufferQueue, 队列中的元素叫Graphic Buffer,队列有生产者也有消费者;每个应用通常会对应一个Surface,一个Surface对应着一个缓冲队列,每个队列中Graphic Buffer的数量不超过3个, 上面两步后绘制的图像数据最终会放入一个Graphic Buffer,应用自身就是队列的生产者(BufferQueue在Android图形处理中有广泛的应用,当前只讨论界面绘制的场景)。

每个Graphic Buffer本身体积很大,在从生产者到消费者的传递过程中不会进行复制的操作,都是用匿名共享内存的方式,通过句柄来跨进程传递。

BufferQueue工作周期

我们可以通过以下命令来查看手机当前用到的Graphic Buffer情况:

adb shell dumpsys SurfaceFlinger
复制代码

这个命令会输出很多内容,尾部会有当前正在使用的GraphicBuffer信息,从上图中我们看到,当前正在使用的微信共有3个Graphic Buffer,所有的Buffer共占用接近90MB的内存,这些内存在应用不再显示后就马上回收。

关于上面的命令,你可能会好奇这个SurfaceFlinger是什么东西啊?

SurfaceFlinger

上文提到过每个应用(一般)对应一个Surface,从字面意思看,SurfaceFlinger就是把应用的Surface投射到目的地。

实际上,SurfaceFlinger就是界面(Buffer)合成的负责人,在应用界面绘制的场景,SurfaceFlinger充当了BufferQueue的消费者。绘制好的Graphic Buffer会进入(queue)队列,SurfaceFlinger会在合适的时机(这个时机下文讨论),从队列中取出(acquire)Buffer数据进行处理。

我们知道,除了我们的应用界面,手机屏幕上同时显示着其他内容,比如SystemUI(状态栏、导航栏)或者另外的悬浮窗等,这些部分的都有各自的Surface,当然也会往对应的BufferQueue中生产Graphic Buffer

如下图所示,SurfaceFlinger获取到所有Surface的最新Buffer之后,会配合HWComposer进行处理合成,最终把这些Buffer的数据合成到一个FrameBuffer中,而FrameBuffer的数据会在另一个合适的时机(同样下文讨论)迅速地显示到屏幕上,这时用户才观察到屏幕上的变化。

关于上图中的HWComposer,它是Android HAL接口中的一部分,它定义了上层需要的能力,让由硬件提供商来实现,因为不同的屏幕硬件差别很大,让硬件提供商驱动自己的屏幕,上层软件无需关心屏幕硬件的兼容问题。

事实上,如果你观察足够仔细的话,可能对上图还有疑问:

SurfaceFlinger部分, 为什么有的Buffer是直接发到HWComposer合成, 而有的Buffer需要通过GPU合并成一个新的Buffer才能合成。

同学你观察很仔细(...),事实上,这是SurfaceFlinger合成过程中重要的细节,对于不同Surface的Buffer, 合成的方法有两种:

  • 把Buffer发到HWComposer,直接写到FrameBuffer的对位置
  • 由于某些操作HWComposer不能支持直接写(但是GPU知道),部分Buffer的内容需要通过写到一个临时的Buffer中(HWComposer知道这个临时的Buffer该怎么写),最终把这临时的Buffer写到FrameBuffer的对应位置。

显然第一种方法是最高效的,但为了保证正确性,Android系统结合了两种方法。具体实现上,SurfaceFlinger会询问(prepare)HWComposer是否支持直接合成,之后按照结果做对应处理。

有的朋友憋不住了:

你上面说合成的触发、FrameBuffer显示到屏幕上都需要合适的时机, 到底是什么时机?

Good question! (太做作了。。。)

为了保证最好的渲染性能,上面各个步骤之间并不是串行阻塞运行的关系,所以有一个机制来调度每一步的触发时机,不过在此之前,我们先讲介绍一个更基础的概念:

屏幕刷新率

刷新率是屏幕的硬件指标,单位是Hz(赫兹),意思是屏幕每秒可以刷新的次数。

这里稍微展开一下,我们之所以在屏幕上看到东西在"动"(看视频或者滑动列表),其原理是屏幕在快速地播放不同的帧,相邻帧的图像只有很小的位移,加上大脑的残留效应,我们感官上就觉得这个东西在连续地动;有时候我们觉得手机界面卡顿,原因是两个帧之前的时间太长了,大脑残留内容消失了。

想要达到(看起来)流畅的效果,就要确保帧率足够大,一般电影(视频)的帧率不小于24帧,手机屏幕上不小于40帧,人眼就不易察觉卡顿了。

在2021年的今天,Android旗舰手机通常配置了90Hz~120Hz的高刷新率屏幕,iPhone与其他Android中低端手机会配置60Hz的屏幕。用60Hz来计算,1000 ➗ 60 ≈ 16.7ms。这就是要求每一帧数据在16ms之内绘制完成的原因。

当然,人眼的分辨能力还是远超60Hz,如果用一段时间90Hz或者120Hz的设备,再回到60Hz,就会觉得不爽。人眼也能适应越来越高的分辨率,现在大部分手机屏幕的分辨率超过了400ppi,有些上了2k屏已经超过了500ppi,再回到乔帮主在iPhone4定义的视网膜屏幕(指在距离屏幕10inch的距离,超过300ppi的分辨率是人眼难以分辨的,iPhone4/5/6/7/8的分辨率都是326ppi),会察觉到明显的颗粒感。

回到问题,既然屏幕这个硬件每隔一段时间(如60Hz屏幕是16ms)就刷新一次,最佳的方案就是屏幕刷新时开始新一轮的绘制流程,让一次绘制的流程尽可能占满整个刷新周期,这样掉帧的可能性最小。基于这样的思考,在Android4.1(JellyBean)引入VSYNC(Vertical Synchronization - 垂直同步信号)

收到系统发出的VSYNC信号后,有三件事会同时执行(并行)

  • (第一步和第二步)应用开始绘制Graphic Buffer
  • (第三步)SurfaceFlinger 开始合成FrameBuffer
  • 屏幕刷新: 显示FrameBuffer中的数据

下图描述了没有掉帧时的VSYNC执行流程,现在我们可以直接回答问题了: 合适的时机就是VSYNC信号

VSYNC信号调度下的Android绘制工作流

从上图可以看出,在一次VSYNC信号发出后,屏幕立即显示2个VSYNC周期(60Hz屏幕上就是32ms)之前开始绘制的图像,这当然是延迟,不过这个延迟非常稳定,只要前面的绘制不掉链子,界面也是如丝般顺滑。当然,Android还是推出一种机制让延迟可以缩小到1个VSYNC周期,详情可参考VSYNC-offset

实际上,系统只会在需要的时候才发出VSYNC信号,这个开关由SurfaceFlinger来管理。应用也只是在需要的时候才接收VSYNC信号,什么时候需要呢?也就是应用界面有变化,需要更新了,具体的流程可以参考View.requestLayout()View.invalidate()Choreographer(编舞者)的调用过程。这个过程会注册一次VSYNC信号,下一次VSYNC信号发出后应用就能收到了,然后开始新的绘制工作;想要再次接收VSYNC信号就需要重新注册,可见,应用界面没有改变的时候是不会进行刷新的。

我们可以看到,无论是VSYNC开关,还是应用对VSYNC信号的单次注册逻辑,都是秉承着按需分配的原则,这样的设计能够带来Android操作系统更好的性能和更低的功耗。

Tip:

第3步的操作执行在系统进程中
复制代码

终于。。。说完了

我们简单回顾一下,

  1. 准备材料
  2. 画出来
  3. 显示到屏幕

更形象一点就是:


Android渲染的演进

之所以有这一节,是因为随着Android版本的更替,渲染方案也发生了很多变化。为了简化表达,我们前文都以当前最新的方案来讲解,事实上,部分流程的实现方式在不同版本可能会有较大的变化,甚至在之前版本没有实现方案,这里我尽可能详细地列出Android版本更迭过程中与渲染相关的更新(包括监控工具)。

Android 3.0 (Honeycomb)

  • 硬件加速
  • DisplayList

Android 4.0 (Ice Cream Sandwich)

  • 默认开启硬件加速

Android 4.1 (Jelly Bean)

  • Project Butter (黄油计划)

    • VSYNC

    • Triple-Buffering(3缓冲)

      Android应用的BufferQueue中的Graphic Buffer数量经历了1个到2个再到3个的变化。一次次地提升了性能。

      单Buffer时代,Buffer没有锁机制,也没有VSYNC来协调绘制的节奏,可能Buffer绘制到一半屏幕刷新了,结果就出现屏幕上下两部分界面错位的问题(如下图)。为了解决这个问题,于是锁机制与双Buffer就来了。

双Buffer时代,锁机制的加入就带来了对锁的争夺,加上没有VSYNC机制,界面上下错位的问题倒是没有了,但界面卡顿依然严重。

ProjectButter 项目带来了VSYNC, 与 三Buffer,这是因为CPU(第一步)、GPU(第二步)、与SurfaceFlinger(第三步)都会抢占Buffer,如果上一次的GPU渲染(第二步)比较耗时,此时下一次的VSYNC信号来了,那么系统会分配第三个Buffer给CPU。(有能力三Buffer,但非默认)
复制代码
  • Systrace: 功能强大的采集工具

Android 4.2 (Jelly Bean)

Android 5.0 (Lollipop)

  • RenderThread

    Android5.0之后,绘制阶段移到了单独线程RenderThread(渲染线程)中,进一步提升渲染性能。

  • RenderNode

Android 7.0 (Nougat)

  • 支持Vulkan

Android 8.0 (Oreo)

  • Bitmap内存转移至native内存
  • Hardware-Only Bitmap

如果你居然能读到这里,那我猜你对下面的参考文章也会感兴趣:

Reference

source.android.com/devices/gra…

hencoder.com/tag/hui-zhi…

www.youtube.com/watch?v=wIy…

www.youtube.com/watch?v=v9S…

www.youtube.com/watch?v=zdQ…

www.youtube.com/watch?v=we6…

developer.android.com/topic/perfo…

developer.android.com/guide/topic…

developer.android.com/topic/perfo…

mp.weixin.qq.com/s/0OOSmrzSk…

Android Developer Backstage - Android Rendering

Android Developer Backstage - Graphics Performance

elinux.org/images/2/2b…

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