深入分析Android“卡顿掉帧”问题

前言

全球手机市场中，安卓和iOS一直占着主流市场，iPhone手机给人的感觉就是流畅，而安卓手机却一直是卡顿的代名词

其实，安卓机刚上手时还是速度飞快的，并且基于它开放性的原则，受到多数用户的喜爱，但通病是：运行一段时间后，反应变慢、容易卡顿，这也是iOS用户不肯换安卓最主要的原因

Android出现使用不流畅，卡顿的主要原因

CPU使用率过高

● 手机固件有缺陷，导致CPU使用率始终过高，这时您刷一个稳定点的ROM就好了

● 开启了过多的程序；这时您可以使用进程管理程序清理一下后台进程

● 某个程序由于设计不当或者不兼容导致占用大量CPU资源，这时您可以使用手机安全卫士体检里的运行监测(只勾选这个)查看当前所有正在运行程序的CPU占用，找到消耗资源特别多的，结束或者卸载它

● 您执行的某一个操作可能导致CPU过高(有时候也可能是查看CPU占用这个操作)

● CPU使用率查看软件不准确,这时您可以用多个软件查看

系统内存使用率过高

系统内存分为物理内存和虚拟内存

● 物理内存就是系统硬件提供的内存大小，是真正的内存；在linux下还有一个虚拟内存的概念，虚拟内存就是为了满足物理内存的不足而提出的策略，它是利用磁盘空间虚拟出的一块逻辑内存，用作虚拟内存的磁盘空间被称为 交换空间（Swap Space）

● linux的内存管理采取的是分页存取机制，为了保证物理内存能得到充分的利用，内核会在适当的时候将物理内存中不经常使用的数据块自动交换到虚拟内存中，而将经常使用的信息保留到物理内存。而进行这种交换所遵循的依据是“LRU”算法（Least Recently Used，最近最少使用算法）

● 无论是使用桌面操作系统还是移动操作系统，很多人都喜欢随时关注内存，一旦发现内存使用率过高就难受，忍不住的要杀进程以释放内存。这种习惯很大程度上都是源自Windows系统，当然这在Windows下也确实没错。然而很多人在使用Linux系统时仍然有这个习惯，甚至到了Android系统下，也改不掉（尤其是Android手机刚出现的几年），Clean Master等各种清理软件铺天盖地。毫不客气的说，Windows毒害了不少人！当然，这也不能怪Windows，毕竟Windows的普及率太高了，而大部分普通用户（甚至一些计算机相关人员）又不了解Windows和Linux在内存管理方面的差别

屏幕刷新丢帧

刷新频率

● 屏幕的刷新频率（Refresh Rate），就是一秒内屏幕刷新的次数

● 我们知道，在某一个时刻，将图像数据涂到屏幕上我们就能直观地看到一幅静态的画面，但这显然不能满足用户需求。我们需要看到的是屏幕上的动画——即不断切换的连续衔接的画面。在动画术语中，每一张这样的衔接画面被称作帧。也就是说，为了看到动画，我们需要以恒定的速度取到连续的帧，并将帧涂到屏幕上

如上，要显示屏幕动画，我们要设置两个时机

● 时机一：生成帧，产生了新的画面（帧），将其填充到 FrameBuffer 中，这个过程由 CPU（计算绘制需求）和 GPU（完成数据绘制）完成

● 时机二：显示帧，显示屏显示完一帧图像之后，等待一个固定的间隔后，从 FrameBuffer 中取下一帧图像并显示，这个过程由 GPU 完成

对于设备而言，其屏幕的刷新频率就相当于显示帧的时机和速度，可以看做是额定不变的（而生成帧速度对应我们通常说的帧率）

刷新频率这个参数是手机出厂就决定的，取决于硬件的固定参数；目前大多数设备的刷新率是 60Hz，也就是一秒刷新60次，所以每次屏幕刷新的过程占用时间就是16ms（1000/60）左右，这个是固定参数，运行过程中，不会发生改变

UI线程阻塞

当一个应用程序启动之后，android系统会为这个应用创建一个主线程；这个线程非常重要，它负责渲染视图，分发事件到响应监听器并执行，对界面进行轮询监听；因此，一般也叫做“UI线程”

● android系统不会给应用程序的多个元素组件，建立多个线程来执行；一个视图Activity中的多个view组件运行在同一个UI线程中；因此，多个view组件的监听器的执行可能会相互影响

● 例如：当在UI线程中执行耗时操作，比如访问网络，访问数据库等，则会导致UI线程阻塞；当UI线程阻塞，则屏幕就会出现卡死情况；这样用户体验非常差；当线程阻塞超过5秒以后，android系统有可能进行干预，弹出对话框询问是否关闭应用程序

Android 绘制UI方式

把图形直接绘制到画布上（Canvas对象），这种方法可以通过独立的线程来管理surfaceView对象，并由独立线程来管理绘制过

● Android中的图形系统采用 Client/Server 架构。Server (即SurfaceFlinger)主要由 C++ 代码编写而成。Client 端代码分为两部分，一部分是由 Java 提供的供应用程序使用的 API，另一部分则是用 C++ 写成的底层实现

● 每个应用可能有一个或多个surface（含surface的情况下），surfaceFlinger是本地服务，用于管理surface的创建、销毁、zorder合成。View及其子类（如TextView, Button）要画在surface上。每个surface创建一个Canvas对象（但属性时常改变），用来管理view在surface上的绘图操作，如画点画线。每个canvas对象对应一个bitmap，存储画在surface上的内容。当然这里还有个Layer的概念，在后面创建surface流程中我们再介绍

surface 创建

SurfaceControl surfaceControl = ();
  if (surfaceControl != null)
   {
 (surfaceControl);
 if (SHOW_TRANSACTIONS) (TAG,
  "  OUT SURFACE " + outSurface + ": copied");
  }
else {
 // For some reason there isn't a surface.  Clear the
 // caller's object so they see the same state.
();
 }

Surface的绘制

在Android系统刷新过程中ViewRoot会调用performTraversals方法并依次调用performMeasure、performLayout、performDraw。在performDraw中会区分是否支持硬件加速，如果支持直接通过OPENGL做硬件加速绘制，如果不支持则走软件绘制。因为我们在独立线程绘制过程中一般走的是软件绘制。这里对软件绘制的方法做介绍以掌握如何在独立线程中绘制UI

   private boolean drawSoftware(Surface surface, AttachInfo attachInfo, int yoff,
   boolean scalingRequired, Rect dirty) {
 
   // Draw with software renderer.
   Canvas canvas;
   try {
   int left = ;
   int top = ;
   int right = ;
   int bottom = ;
 
   canvas = (dirty);
 
   // The dirty rectangle can be modified by ()
   //noinspection ConstantConditions
    if (left !=  || top !=  || right !=  ||
    bottom != ) {
    = true;
     }
 
    // TODO: Do this in native
   (mDensity);
    } catch ( e) {
   handleOutOfResourcesException(e);
    return false;
   } catch (IllegalArgumentException e) {
    (TAG, "Could not lock surface", e);
    // Don't assume this is due to out of memory, it could be
   // something else, and if it is something else then we could
   // kill stuff (or ourself) for no reason.
mLayoutRequested = true;    // ask wm for a new surface next time.
   return false;
   }
 
    try {
   if (DEBUG_ORIENTATION || DEBUG_DRAW) {
     (TAG, "Surface " + surface + " drawing to bitmap w="
     + () + ", h=" + ());
     //(255, 255, 0, 0);
    }
 
   // If this bitmap's format includes an alpha channel, we
   // need to clear it before drawing so that the child will
   // properly re-composite its drawing on a transparent
   // background. This automatically respects the clip/dirty region
    // or
    // If we are applying an offset, we need to clear the area
   // where the offset doesn't appear to avoid having garbage
   // left in the blank areas.
    if (!() || yoff != 0) {
   (0, );
     }
 
    ();
       mIsAnimating = false;
        = ();
         |= View.PFLAG_DRAWN;
 
   if (DEBUG_DRAW) {
    Context cxt = ();
  (TAG, "Drawing: package:" + () +
    ", metrics=" + ().getDisplayMetrics() +
     ", compatibilityInfo=" + ().getCompatibilityInfo());
    }
    
ry {
    (0, -yoff);
   if (mTranslator != null) {
  (canvas);
   }
   (scalingRequired ? mNoncompatDensity : 0);
   = false;
 
   (canvas);
 
   drawAccessibilityFocusedDrawableIfNeeded(canvas);
    } finally {
   if (!) {
   // Only clear the flag if it was not set during the () call
  = false;
 }
 }
 } finally {
 try {
(canvas);
 } catch (IllegalArgumentException e) {
 (TAG, "Could not unlock surface", e);
  mLayoutRequested = true;    // ask wm for a new surface next time.
  //noinspection ReturnInsideFinallyBlock
  return false;
 }
 
 if (LOCAL_LOGV) {
(TAG, "Surface " + surface + " unlockCanvasAndPost");
 }
 }
return true;
  }

其中关键就是canvas = (dirty) 与 anvasAndPost(canvas);先lockCanvas，绘制UI，最后通过unlockCanvasAndPost通知surfaceFlinger先做zorder组合显示。

lockCanvas(dirty) 就是通过JNI调用nativeLockCanvas返回一个Canvas下面看nativeLockCanvas的实现。

sttic void nativeLockCanvas(JNIEnv* env, jclass clazz, jint nativeObject, jobject canvasObj, jobject dirtyRectObj) { sp surface(reinterpret_cast<Surface *>(nativeObject));

if (!isSurfaceValid(surface)) {
    doThrowIAE(env);
    return;
}
 
// get dirty region
Region dirtyRegion;
if (dirtyRectObj) {
    Rect dirty;
     = env->GetIntField(dirtyRectObj, );
     = env->GetIntField(dirtyRectObj, );
     = env->GetIntField(dirtyRectObj, );
     = env->GetIntField(dirtyRectObj, );
    if (!()) {
        (dirty);
    }
} else {
    (Rect(0x3FFF, 0x3FFF));
}
 
ANativeWindow_Buffer outBuffer;
Rect dirtyBounds(());
status_t err = surface->lock(&outBuffer, &dirtyBounds);
(dirtyBounds);
if (err < 0) {
    const char* const exception = (err == NO_MEMORY) ?
            OutOfResourcesException :
            "java/lang/IllegalArgumentException";
    jniThrowException(env, exception, NULL);
    return;
}
 
// Associate a SkCanvas object to this surface
env->SetIntField(canvasObj, , );
 
SkBitmap bitmap;
ssize_t bpr =  * bytesPerPixel();
(convertPixelFormat(), , , bpr);
if ( == PIXEL_FORMAT_RGBX_8888) {
    (true);
}
if ( > 0 &&  > 0) {
    ();
} else {
    // be safe with an empty bitmap.
    (NULL);
}
 
SkCanvas* nativeCanvas = SkNEW_ARGS(SkCanvas, (bitmap));
swapCanvasPtr(env, canvasObj, nativeCanvas);
 
SkRegion clipReg;
if (()) { // very common case
    const Rect b(());
    (, , , );
} else {
    size_t count;
    Rect const* r = (&count);
    while (count) {
        (r->left, r->top, r->right, r->bottom, SkRegion::kUnion_Op);
        r++, count--;
    }
}
 
nativeCanvas->clipRegion(clipReg);
 
if (dirtyRectObj) {
    const Rect& bounds(());
    env->SetIntField(dirtyRectObj, , );
    env->SetIntField(dirtyRectObj, , );
    env->SetIntField(dirtyRectObj, , );
    env->SetIntField(dirtyRectObj, , );
}
}

在JNI层实现的就是通过surface获取到Layer中的buffer，并生成一个skiabitmap， Android 2D软件绘图使用skia作为核心引擎,这个bitmap的存储空间为Layer buffer。绘制的UI就是写入到这个buffer中，绘制好后通过 unlockCanvasAndPost通知surfaceflinger输出显示。如果是独立线程绘制UI，那么流程与上描述基本一致。但需要注意的是如果独立线程绘制的话，surface可通过surfaceView来获取

private void draw() {  
try {  
 //  步骤1  
canvas = (); // 得到一个canvas实例    
//  步骤2  
();// 刷屏                   
("test", 100, 100, paint);// 画文字文本  
} catch (Exception ex) {  
} finally {   
 // 步骤3  
if (canvas != null)  
 (canvas); // 将画好的画布提交  
}  
}

总结

Android 原生系统是一个不断进化的过程 , 每个版本都会解决非常多的性能问题 , 同时也会引进一些问题 ; 到了手机厂商这里 , 由于硬件差异和软件定制 , 会在系统中加入大量的自己的代码 , 这无疑也会影响系统的性能 . 同样由于 Android 的开放 , App 的质量和行为也影响着整机的用户体验.

本篇主要列出了自身的实现问题导致的流畅性问题 , Android 最大的问题就是质量良莠不齐 , 不同于 App Store 这样的强力管理市场 , Android App 不仅可以在 Google Play 上面进行安装 , 也可以在其他的软件市场上面安装 , 甚至可以下载安装包自行安装 , 可以说上架的门槛非常低 , 那么质量就只能由开发者自己来把握了

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Android 架构师之路还很漫长，与君共勉

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