android屏幕渲染机制

优化性能一般从渲染，运算与内存，电量三个方面进行，今天开始说聊一聊Android的渲染机制，我们要知道Android系统每隔16ms就重新绘制一次Activity，也就是说，我们的应用必须在16ms内完成屏幕刷新的全部逻辑操作，即每一帧只能停留16ms，渲染机制说完之后，然后在说如何去优化UI。

1.知识储备
CPU: 中央处理器,它集成了运算,缓冲,控制等单元,包括绘图功能.CPU将对象处理为多维图形,纹理(Bitmaps、Drawables等都是一起打包到统一的纹理).

GPU:一个类似于CPU的专门用来处理Graphics的处理器, 作用用来帮助加快格栅化操作,当然,也有相应的缓存数据(例如缓存已经光栅化过的bitmap等)机制。

OpenGL ES是手持嵌入式设备的3DAPI,跨平台的、功能完善的2D和3D图形应用程序接口API,有一套固定渲染管线流程. 附相关OpenGL渲染流程资料

DisplayList 在Android把XML布局文件转换成GPU能够识别并绘制的对象。这个操作是在DisplayList的帮助下完成的。DisplayList持有所有将要交给GPU绘制到屏幕上的数据信息。

格栅化是将图片等矢量资源,转化为一格格像素点的像素图,显示到屏幕上,过程图如下.

2.渲染机制分析
渲染流程线
UI对象—->CPU处理为多维图形,纹理 —–通过OpeGL ES接口调用GPU—-> GPU对图进行光栅化(Frame Rate ) —->硬件时钟(Refresh Rate)—-垂直同步—->投射到屏幕

渲染时间线
Android系统每隔16ms发出VSYNC信号(1000ms/60=16.66ms)，触发对UI进行渲染，如果每次渲染都成功，这样就能够达到流畅的画面所需要的60fps，为了能够实现60fps，这意味着计算渲染的大多数操作都必须在16ms内完成。

正常情况

渲染超时,计算渲染时间超过16ms
当这一帧画面渲染时间超过16ms的时候,垂直同步机制会让显示器硬件等待GPU完成栅格化渲染操作,
这样会让这一帧画面,多停留了16ms,甚至更多.这样就这造成了用户看起来画面停顿.

当GPU渲染速度过慢,就会导致如下情况,某些帧显示的画面内容就会与上一帧的画面相同

3.渲染时会出现的问题
GPU过度绘制
GPU的绘制过程,就跟刷墙一样,一层层的进行,16ms刷一次.这样就会造成,图层覆盖的现象,即无用的图层还被绘制在底层,造成不必要的浪费.

UI对象—->CPU处理为多维图形,纹理 —–通过OpeGL ES接口调用GPU—-> GPU对图进行光栅化(Frame Rate ) —->硬件时钟(Refresh Rate)—-垂直同步—->投射到屏幕

1、为什么是16ms

16ms意味着1000/60hz，相当于60fps。这是因为人眼与大脑之间的协作无法感知超过60fps的画面更新。12fps大概类似手动快速翻动书籍的帧率，这明显是可以感知到不够顺滑的。24fps使得人眼感知的是连续线性的运动，这其实是归功于运动模糊的效果。 24fps是电影胶圈通常使用的帧率，因为这个帧率已经足够支撑大部分电影画面需要表达的内容，同时能够最大的减少费用支出。但是低于30fps是无法顺畅表现绚丽的画面内容的，此时就需要用到60fps来达到想要的效果，超过60fps就没有必要了。如果我们的应用没有在16ms内完成屏幕刷新的全部逻辑操作，就会发生卡顿。**

2、为什么16ms没完成绘制就会卡顿

Android系统每隔16ms发出VSYNC信号，触发对UI进行渲染，VSync是Vertical Synchronization(垂直同步)的缩写，是一种在PC上很早就广泛使用的技术，可以简单的把它认为是一种定时中断。而在Android 4.1(JB)中已经开始引入VSync机制。

3、渲染原理

上面说了CPU和GPU的处理时间因为各种原因都大于一个VSync的间隔（16.6ms），导致了卡顿。渲染操作通常依赖于两个核心组件：CPU与GPU。CPU负责包括Measure，Layout，Record，Execute的计算操作，GPU 负责Rasterization(栅格化)操作

分析到这里，16毫秒的时间主要被两件事情所占用，第一件：将UI对象转换为一系列多边形和纹理；第二件：CPU传递处理数据到GPU。所以很明显，我们要缩短这两部分的时间，也就是说需要尽量减少对象转换的次数，以及上传数据的次数

4、过度绘制（overdraw）*检测

Overdraw(过度绘制)描述的是屏幕上的某个像素在同一帧的时间内被绘制了多次。在多层次的UI结构里面，如果不可见的UI也在做绘制的操作，这就会导致某些像素区域被绘制了多次。这就浪费大量的CPU以及GPU资源。

按照以下步骤打开Show GPU Overrdraw的选项：设置 -> 开发者选项 -> 调试GPU过度绘制 -> 显示GPU过度绘制

5、Overdraw 的处理方案

Overdraw 的处理方案一：去掉window的默认背景
当我们使用了Android自带的一些主题时，window会被默认添加一个纯色的背景，这个背景是被DecorView持有的。当我们的自定义布局时又添加了一张背景图或者设置背景色，那么DecorView的background此时对我们来说是无用的，但是它会产生一次Overdraw，带来绘制性能损耗。去掉window的背景可以在onCreate()中setContentView()之后调用getWindow().setBackgroundDrawable(null);或者在theme中添加android:windowbackground="null"；
Overdraw 的处理方案二：去掉其他不必要的背景
有时候为了方便会先给Layout设置一个整体的背景，再给子View设置背景，这里也会造成重叠，如果子View宽度mach_parent，可以看到完全覆盖了Layout的一部分，这里就可以通过分别设置背景来减少重绘。再比如如果采用的是selector的背景，将normal状态的color设置为“@android:color/transparent”,也同样可以解决问题。这里只简单举两个例子，我们在开发过程中的一些习惯性思维定式会带来不经意的Overdraw，所以开发过程中我们为某个View或者ViewGroup设置背景的时候，先思考下是否真的有必要，或者思考下这个背景能不能分段设置在子View上，而不是图方便直接设置在根View上。
Overdraw 的处理方案三：clipRect的使用
我们可以通过canvas.clipRect()来帮助系统识别那些可见的区域。这个方法可以指定一块矩形区域，只有在这个区域内才会被绘制，其他的区域会被忽视。这个API可以很好的帮助那些有多组重叠组件的自定义View来控制显示的区域。同时clipRect方法还可以帮助节约CPU与GPU资源，在clipRect区域之外的绘制指令都不会被执行，那些部分内容在矩形区域内的组件，仍然会得到绘制。
Overdraw 的处理方案四：ViewStub
ViewStub称之为“延迟化加载”，在教多数情况下，程序无需显示ViewStub所指向的布局文件，只有在特定的某些较少条件下，此时ViewStub所指向的布局文件才需要被inflate，且此布局文件直接将当前ViewStub替换掉，具体是通过viewStub.infalte()或viewStub.setVisibility(View.VISIBLE)来完成；

Overdraw 的处理方案五：Merge标签
MMerge标签可以干掉一个view层级。Merge的作用很明显，但是也有一些使用条件的限制。有两种情况下我们可以使用Merge标签来做容器控件。第一种子视图不需要指定任何针对父视图的布局属性，就是说父容器仅仅是个容器，子视图只需要直接添加到父视图上用于显示就行。另外一种是假如需要在LinearLayout里面嵌入一个布局（或者视图），而恰恰这个布局（或者视图）的根节点也是LinearLayout，这样就多了一层没有用的嵌套，无疑这样只会拖慢程序速度。而这个时候如果我们使用merge根标签就可以避免那样的问题。另外Merge只能作为XML布局的根标签使用，当Inflate以开头的布局文件时，必须指定一个父ViewGroup，并且必须设定attachToRoot为true。

布局常见问题与优化建议

没有用的父布局时指没有背景绘制或者没有大小限制的父布局，这样的布局不会对UI效果产生任何影响。我们可以把没有用的父布局，通过<merge/>标签合并来减少UI的层次；
使用线性布局LinearLayout排版导致UI层次变深，如果有这类问题，我们就使用相对布局RelativeLayout代替LinearLayout,减少UI的层次；
不常用的UI被设置成GONE,比如异常的错误页面，如果有这类问题，我们需要用<ViewStub/>标签，代替GONE提高UI性能。

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