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Android黄油计划之Choreographer原理解析

2024-08-18 05:37:42   219人阅读

     搞客户端开发，时间也有点了，但是每次想起来，总感觉自己掌握的东西零零散散，没有一点集在的感觉，应用层的懂，framework的也懂，框架啥的了解一点，分层的思想也有一些，JVM的原理啊，内存分配和管理啊，运行机制啊啥的也知道一点，每次下班或者没事了，就在考虑，自己应该有一个主攻方向，往这个方向集中发展一下，首选的几个目标应该是非常清楚的，我们要掌握android，那么关于android的View机制、动画原理这些都是必须要掌握的，所以呢，自己想在这几个方面花些时间，好好研究一下，这样才能使自己更具竞争力。

     好了，不管是要了解View机制，还是android动画，我们应该都需要有Choreographer的知识，明白系统刷新机制到底是怎么样的，这样才能对其他方面有更好的辅助。本章博客，我们就来学习一下Android中的Choreographer的运行机制。

     我们都知道，应用层的一个Activity对应一个根View（也就是一个DecorView）、一个WindowState、一个ViewRootImpl，每个对象都非常重要，都是在Activity添加过程中重量级的对象，DecorView是当前Activity的根View，它里面管理着当前界面的View树；WindowState对象是当前Activity窗口在系统侧WindowManagerService中代理对象；ViewRootImpl则肩负着View的标准三步曲的处理和事件分发，而View绘制也是由Choreographer指导的，Choreographer的英文意思就是编舞者、舞蹈指挥，看着非常形象。那我们就从Choreographer对象的构建开始说起吧，它的构建是在ViewRootImpl的构造方法中的，代码如下：

<script src="https://code.csdn.net/snippets/1889952.js" type="text/javascript"></script>

     从构造方法中可以看到Choreographer是单例模式的，也就是一个ViewRootImpl对象对应一个Choreographer，当界面需要重绘时，都会调用到ViewRootImp类的scheduleTraversals()方法，这里的实现也比较简单，代码如下：

<script src="https://code.csdn.net/snippets/1955970.js" type="text/javascript"></script>

     mTraversalScheduled表示是否已经发起重绘，每次scheduleTraversals()方法调用之后，就会将它置为true，然后在下次调用doTraversal()又先将它置为false，然后调用mChoreographer.postCallback()添加一个Runnable，请注意，第一个参数是Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL，在Choreographer当前，添加的类型一共有三种，分别是：CALLBACK_INPUT、CALLBACK_ANIMATION、CALLBACK_TRAVERSAL，分别表示事件回调、动画回调、绘制回调。postCallback()方法是转而调用postCallbackDelayed()方法的，最后一个参数delayMillis传的是0，表示当前的重绘不需要延时，我们跟进去看一下添加的postCallbackDelayed()方法的代码：

<script src="https://code.csdn.net/snippets/1955992.js" type="text/javascript"></script>
     首先判断参数action是否为空，action就是我们要回调的对象，回调对象都为空了，那我们还干啥呢？其实判断callbackType，在整个过程中，只定义了上面描述的三种类型的事件，如果传入的type值不符合，那就抛出一个IllegalArgumentException("callbackType is invalid")异常。参数正常了，继续调用postCallbackDelayedInternal()进一步处理。postCallbackDelayedInternal()方法的代码如下：

<script src="https://code.csdn.net/snippets/1956005.js" type="text/javascript"></script>
     此处获取当前时间，然后加上要延迟的时间，作为当前Callback的时间点，以这个时间点作为标准，把Callback对象添加到mCallbackQueues[callbackType]队列当中，这块的逻辑和Looper、MessageQueue、Handler中添加Message的逻辑很相似，大家可以对比学习。然后判断dueTime <= now，这块的逻辑看了半天，我确实没看懂，dueTime会有比now小的情况吗，也就是传进来的delayMillis小于0，再往上讲，就是当前要添加的回调要在上一次添加的回调之前，这感觉不太可能吧？如果有弄懂的朋友，烦请解答一下。此处应该是执行else分支，往当前的队列中添加一个Message，那么通过Handler机制就会进行处理，此处的mHandler是一个FrameHandler对象，我们来看一下FrameHandler的代码：
<script src="https://code.csdn.net/snippets/1956029.js" type="text/javascript"></script>
     这里的message消息也比较简单，MSG_DO_FRAME指系统在没有使用Vsync机制的时候，使用异步消息来刷新屏幕，当然，大家一定要理解，此处的刷新其实只是刷新屏幕工作的很小一部分，只是回调ViewRootImpl方法中添加的Runnable对象，最终是调用根View的draw方法，让每个子View有把自己的图像元素填充到分配好的显存当中，而要完全显示，还有很多工作要作，最终是在SurfaceFlinger类中对所有窗口的View进行合成，然后渲染，最终post到FrameBuffer上，才能显示出来的；MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC当然就是指系统使用Vsync来刷新了；MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK就是指添加Callback或者FrameCallback完成的消息了。好了，我们继续看MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK的消息处理，它是调用doScheduleCallback(msg.arg1)来进行处理的，msg.arg1是刚才添加消息时的类型。我们整个看一下handleMessage()方法的代码，发现非常简单，这也是一个非常好的习惯，我们平时的代码当中，也应该尽量这样实现，这样一眼就可以看出来这个方法所要作的事情，把具体的处理放到每个细节方法中去。我们来看一下doScheduleCallback()方法的实现：
<script src="https://code.csdn.net/snippets/1956036.js" type="text/javascript"></script>
     mFrameScheduled和ViewRootImpl的scheduleTraversals()方法中的变量mTraversalScheduled作用是一样的，也是判断当前是否正在执行添加，然后调用(mCallbackQueues[callbackType].hasDueCallbacksLocked(now))判断是否已处理过Callback事务，该方法的判断也很简单，(mHead != null && mHead.dueTime <= now)，如果当前队列头不为空，并且队列头元素的时间点小于当前的时间点，那就说明是之前添加的，则需要对它进行处理；相反，如果队列头为空或者添加的时间点大于当前的时间点，也就是要延迟处理，则不需要任何操作。条件符合的话，就调用scheduleFrameLocked(now)进一步处理，我们来看一下scheduleFrameLocked()方法的实现：
<script src="https://code.csdn.net/snippets/1956042.js" type="text/javascript"></script>
     此片一开始就把mFrameScheduled赋值为true，表示事务开始执行了，那么上面doScheduleCallback()方法当中的代码此该就不会再执行了。接下来的逻辑以USE_VSYNC分开，意思也非常明了，就是系统是否使用Vsync刷新机制，它是通过获取系统属性得到的，private static final boolean USE_VSYNC =  SystemProperties.getBoolean("debug.choreographer.vsync", true)。如果使用了Vsync垂直同步机制，则一步判断当前线程是否具备消息循环，如果有消息循环，则立即请求下一次Vsync信号，如果不具有消息循环，则通过当前进程的主线程请求Vsync信号；如果没有使用Vsync机制，则使用异步消息延时执行屏幕刷新。是否具有消息循环是通过调用isRunningOnLooperThreadLocked()方法完成判断的，它的实现很简单，return Looper.myLooper() == mLooper。因为当Choreographer对象在创建的时候，参数looper就是调用Looper looper = Looper.myLooper()获取回来的，也就是说当前进程肯定是有消息循环的，所以此处的判断为true，其他两个分支：当前线程不具备消息循环和系统未使用Vsync同步机制的逻辑，我们就不分析了，大家有兴趣的话，可以自己跟踪一下。进入if分支，继续调用scheduleVsyncLocked()方法进行处理，它的实现非常简单，就是调用mDisplayEventReceiver.scheduleVsync()来请求下一次Vsync信号。
     看到这里，是不是感觉逻辑有点多了，开始乱了，转来转去的，系统到底要干啥？呵呵，我们暂停下来梳理一下，系统作了这么多事情最终的目的就是在下一次Vsync信号到来的时候，将Choreographer当中的三个队列中的事务执行起来，这些事务是应用层ViewRootImpl在scheduleTraversals()方法中添加进去的，在Choreographer当中，我们要先将外边传进来的Callback放入队列，然后就要去请求Vsync信号，因为Vsync信号是定时产生的，你不请求，它就不会理你，当然你收不到回调，也就不知道啥时候通知ViewRootImpl执行View的measure、layout、draw了，这样说一下，大家清楚我们要干什么了吗？我第一次看Choreographer类的代码时候，看了半天，也是乱了，所以这里大概理一下。
     好，我们搞清楚目的了，继续往前走，我们现在已经将Callback添加到队列中了，下一步要作的就是请求Vsync信号了。mDisplayEventReceiver是一个FrameDisplayEventReceiver对象，我们来看一下它的代码定义：
<script src="https://code.csdn.net/snippets/1956084.js" type="text/javascript"></script>
     我们可以看到这里的mTimestampNanos时间定义都是纳秒级别的，因为Vsync信号是用来同步屏幕刷新频率的，所以对时间的要求非常高，才采用了纳秒级别的，如果大家对Vsync信号的产生机制不了解的话，可以看我前面的博客：Vsync垂直同步信号分发和SurfaceFlinger响应执行渲染流程分析（一），mDisplayEventReceiver类变量是在Choreographer的构造方法中赋值的，我们继续来看它的scheduleVsync()方法的实现，因为FrameDisplayEventReceiver类是继承DisplayEventReceiver的，而它没用对scheduleVsync()方法重写，所以是调用父类的：
<script src="https://code.csdn.net/snippets/1956087.js" type="text/javascript"></script>
     它的实现很简单，判断描述符mReceiverPtr是否合法，如果非法就打印日志，什么也不作了，合法的话，就继续调用native方法nativeScheduleVsync(mReceiverPtr)来请求Vsync信号。nativeScheduleVsync()方法实现在android_view_DisplayEventReceiver.cpp当中，是通过定义JNINativeMethod gMethods[]来定义方法调用指针的，因为此类的代码不多，这里就全部贴出来，方便大家查看：
<script src="https://code.csdn.net/snippets/1956107.js" type="text/javascript"></script>
     我们来看一下nativeScheduleVsync方法的定义，{ "nativeScheduleVsync", "(J)V", (void*)nativeScheduleVsync }，这里需要说明一下，java方法和JNI方法存在着对应关系，"(J)V"括号里边的表示该方法的入参，括号外边的表示返回值J表示long，而返回值V表示Void，关于这个，大家可以看我之前的博客：JNI字段描述符“([Ljava/lang/String;)V”，也是转载别人的，呵呵。好了，我们继续看这个方法的实现，它将java层传进来的描述符强制转换为NativeDisplayEventReceiver对象，这样的处理在JNI当中是非常多见的，大家要熟悉。然后调用它的scheduleVsync()方法，最后根据返回值判断当前请求Vsync信号是否成功，如果status非0，则抛出RuntimeException异常。很明显，我们从这都可以猜出，正常情况下，返回的status应该为0了。
     我们继续来看NativeDisplayEventReceiver::scheduleVsync()方法的处理逻辑。首先检查mWaitingForVsync，如果当前正在请求Vsync信号，则就不需要重复请求了，只有在当前未请求的时候，才需要发出新的请求，然后调用processPendingEvents()将当前队列中还存在receiver处理掉，因此方法与我们的流程不相关，这里就不展开了，大致是使用pipe机制将mReceiver中还存在的receiver一一读出，大家如果了解Linux机制的话，就知道pipe机制对应了两个管道，管道中的数据被读出之后，也就相应的从管道中移除了，所以不需要两端对数据做任何移除的处理，每一个receiver处理完成后，就设置一下gotVsync = true，
*outTimestamp = ev.header.timestamp，*outId = ev.header.id，*outCount = ev.vsync.count，gotVsync的意思就是当前的receiver已经收到Vsync信号通知了。好了，我们回到主流程，scheduleVsync()方法当中处理完队列中的receiver后，就开始调用mReceiver.requestNextVsync()请求新的Vsync信号了，mReceiver是一个DisplayEventReceiver对象，我们来看一下requestNextVsync()方法的实现，因这个类的代码也很少，这里就直接全部贴出来了：
<script src="https://code.csdn.net/snippets/1956164.js" type="text/javascript"></script>
     requestNextVsync()方法中直接调用mEventConnection->requestNextVsync()来请求Vsync信号，mEventConnection对象是在DisplayEventReceiver类的构造函数中创建的，mEventConnection = sf->createDisplayEventConnection()，sf就是SurfaceFlinger对象，SurfaceFlinger类的createDisplayEventConnection()实现也非常简单，就是调用mEventThread->createEventConnection()，这又回到我们之前的博客了，大家可以去看一下。
     EventThread一直在无限循环threadLoop()中请求Vsync信号的，当收到一个Vsync信号后，会调用status_t err = conn->postEvent(event)来进行分发，conn也就是上面的EventThread::Connection对象了，最后经过处理，回调到NativeDisplayEventReceiver::handleEvent(int receiveFd, int events, void* data)方法当中，这里同样processPendingEvents()处理完队列中的回调后，就调用dispatchVsync(vsyncTimestamp, vsyncDisplayId, vsyncCount)开始分发了，在NativeDisplayEventReceiver::dispatchVsync()这个方法中是通过当前的native层的执行环境env回调到java层的，env->CallVoidMethod(mReceiverObjGlobal,
gDisplayEventReceiverClassInfo.dispatchVsync, timestamp, id, count)，再往下就回调到java层中DisplayEventReceiver类的dispatchVsync()方法中了。它里边的实现就是调用onVsync()，而FrameDisplayEventReceiver复写了onVsync()方法，所以就执行到Choreographer.FrameDisplayEventReceiver中的onVsync()方法了。
     转了好大一圈，我们终于又从native层回来了。好，我们继续java层往下分析，Vsync信号拿回来了，大家应该也知道，我们的目的快达到了！！
     onVsync()方法中以this为对象，向mHandler中添加了一个消息，消息处理的时候，就会调用它的run()方法了。run方法中直接调用doFrame()来进行处理。我们来看一下它的实现：
<script src="https://code.csdn.net/snippets/1956205.js" type="text/javascript"></script>
     如果(frameTimeNanos < mLastFrameTimeNanos)满足，则说明我们已经错过了本次的Vsync信号了，那么这种情况下，就什么也不用处理，重新获取下一次信号了。如果没有错过的话，那就进一步三次调用doCallbacks()分别对应三种事件类型来分发了。三种事件的顺序也是定义的顺序：CALLBACK_INPUT、CALLBACK_ANIMATION、CALLBACK_TRAVERSAL，这也是他们的处理优先级，输入事件放在第一，也是为了能尽快响应用户的操作，但是即使这样，Android的流畅性还是不如IOS，当然，这个原因就是其他方面的了，我们这里就不探讨了。我们来看一下doCallbacks()方法的实现：
<script src="https://code.csdn.net/snippets/1956220.js" type="text/javascript"></script>
     这里就是将每种类型的事件队列中的元素取出来，通过for循环一一调用他们的run()方法了，调用完成后，将队列中的Callback回收掉。而这里的CallbackRecord对象就是我们在ViewRootImpl类当中添加的InvalidateOnAnimationRunnable、mConsumedBatchedInputRunnable、mTraversalRunnable这三类对象了，那么回到View的流程中，收到Vsync信号后，就会回调mTraversalRunnable的run()方法，再次发起一次measure、layout、draw流程，那么也就和Vsync信号对接上了。
     好了，到这里呢，我们整个流程也就分析完了，希望对大家有所帮助，谢谢大家！

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