Android绘制优化（一）绘制性能分析

前言

一个优秀的应用不仅仅是要有吸引人的功能和交互，同时在性能上也有很高的要求。运行Android系统的手机，虽然配置在不断的提升，但仍旧无法和PC相比，无法做到PC那样拥有超大的内存以及高性能的CPU，因此在开发Android应用程序时也不可能无限制的使用CPU和内存，如果对CPU和内存使用不当也会造成应用的卡顿和内存溢出等问题。因此，应用的性能优化对于开发人员有着更高的要求。Android性能优化分为很多种，比较常用的有绘制优化、内存优化、耗电优化和稳定性优化等，这个系列我们就来学习性能优化中的绘制优化。

1.绘制原理

Android绘制View有三个主要的步骤，分别是measure、layout和draw。关于它们的原理请查看我的文章Android View体系（七）从源码解析View的measure流程和Android View体系（八）从源码解析View的layout和draw流程，这里就不在赘述。measure、layout和draw方法主要是运行在系统的应用框架层，而真正将数据渲染到屏幕上的则是系统Nativie层的SurfaceFlinger服务来完成的。

绘制过程主要是由CPU 来进行Measure、Layout、Record、Execute的数据计算工作，GPU负责栅格化、渲染。CPU和GPU是通过图形驱动层来进行连接的。图形驱动层维护了一个队列，CPU将display list添加到该队列中，这样GPU就可以从这个队列中取出数据进行绘制。

渲染时间线

FPS(Frames Per Second)这个名词我想很多同学都知道，它是指画面每秒传输帧数，通俗来讲就是指动画或视频的画面数，最简单的举例就是我们玩游戏时，如果画面在60fps则不会感觉到卡顿，如果低于60fps，比如50fps则会感觉到卡顿，你就可以考虑要换显卡或者采取其他一些措施了。

要想画面保持在60fps，则需要每个绘制时长在16ms以内，如下图所示。

Android系统每隔16ms发出VSYNC信号，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，那什么是VSYNC呢？VSYNC是Vertical Synchronization(垂直同步)的缩写，是一种定时中断，一旦收到VSYNC信号，CPU就开始处理各帧数据。

如果某个操作要花费24ms，这样系统在得到VSYNC信号时无法进行正常的渲染，会发生丢帧。用户会在32ms中看到同一帧的画面，如下图所示。

产生卡顿原因有很多，主要有以下几点：

- 布局Layout过于复杂，无法在16ms内完成渲染。

- 同一时间动画执行的次数过多，导致CPU或GPU负载过重。

- View过度绘制，导致某些像素在同一帧时间内被绘制多次。

- UI线程中做了稍微耗时的操作。

为了解决上述的问题，除了我们要在写代码时要注意外，也可以借助一些工具来分析和解决卡顿问题。

2.Profile GPU Rendering

Profile GPU Rendering是Android 4.1系统提供的开发辅助功能，我们可以在开发者选项中打开这一功能，如下图所示。

我们点击Profile GPU Rendering选项并选择On screen as bars即开启Profile GPU Rendering功能。接着屏幕会显示出彩色的柱状图，如下所示。

上面的彩色的图的横轴代表时间，纵轴表示某一帧的耗时。绿色的横线为警戒线，超过这条线则意味着时长超过了16m，尽量要保证垂直的彩色柱状图保持在绿线下面。这些垂直的彩色柱状图代表着一帧，不同颜色的彩色柱状图代表不同的含义：

橙色代表处理的时间，是CPU告诉GPU渲染一帧的地方，这是一个阻塞调用，因为CPU会一直等待GPU发出接到命令的回复，如果橙色柱状图很高，则表明GPU很繁忙。
红色代表执行的时间，这部分是Android进行2D渲染 Display List的时间。如果红色柱状图很高，可能是由重新提交了视图而导致的。还有复杂的自定义View也会导致红的柱状图变高。
蓝色代表测量绘制的时间，也就是需要多长时间去创建和更新DisplayList。如果蓝色柱状图很高，可能是需要重新绘制，或者View的onDraw方法处理事情太多。

在Android 6.0中，有更多的颜色被加了进来，如下图所示：

Profile GPU Rendering可以找到渲染有问题的界面，但是想要修复的话，只依赖Profile GPU Rendering是不够的，可以用另一个工具Hierarchy Viewer来查看布局层次和每个View所花的时间，这个工具会在下一篇文章进行介绍。

3.Systrace

Systrace是Android4.1中新增的性能数据采样和分析工具。它可帮助开发者收集Android关键子系统（SurfaceFlinger、WindowManagerService等Framework部分关键模块、服务，View体系系统等）的运行信息。Systrace的功能包括跟踪系统的I/O操作、内核工作队列、CPU负载以及Android各个子系统的运行状况等。对于UI显示性能，比如动画播放不流畅、渲染卡顿等问题提供了分析数据。

使用Systrace

Systrace跟踪的设备要在Android4.1版本以上，对于Android4.3版本之前和4.3版本之后使用上有点区别，现在也很少有人用Android4.3之前的版本，因此这里只讲Android4.3版本的使用方法。Systrace可以在DDMS上使用，可以使用命令行来使用，也可以在代码中进行跟踪。接下来分别来介绍这三种方式。

在DDMS中使用Systrace

1.首先我们要打开Android Studio的Tool中的Android Device Monitor，并连接手机。

2.点击Systrace按钮进入抓取设置界面，如下图所示。

抓取设置界面可以设置跟踪的时间，以及trace文件输出的地址等内容。如下图所示。

3.设置完成后，我们就来操作的跟踪的过程。跟踪时间结束后，生成trace.html文件。

4.用Chrome打开trace.html文件进行分析。分析的方法，后文会讲到。

用命令行使用Systrace

Android 提供一个python脚本文件 systrace.py，它位于Android SDK 目录 /tools/systrace 中，我们可以执行以下命令来使用Systrace：

$ cd android-sdk/platform-tools/systrace
$ python systrace.py --time=10 -o newtrace.html sched gfx view wm

在代码中使用Systrace

Systrace并不会追踪应用的所有工作，在Android4.3及以上版本的代码中，可以使用Trace类对应用中的具体活动进行追踪。

Android源码中也引用了Trace类，比如RecyclerView：

...
 private final Runnable mUpdateChildViewsRunnable = new Runnable() {
        public void run() {
            if (!mFirstLayoutComplete) {
                return;
            }
            if (mDataSetHasChangedAfterLayout) {
                TraceCompat.beginSection(TRACE_ON_DATA_SET_CHANGE_LAYOUT_TAG);
                dispatchLayout();
                TraceCompat.endSection();
            } else if (mAdapterHelper.hasPendingUpdates()) {
                TraceCompat.beginSection(TRACE_HANDLE_ADAPTER_UPDATES_TAG);
                eatRequestLayout();
                mAdapterHelper.preProcess();
                if (!mLayoutRequestEaten) {
                    rebindUpdatedViewHolders();
                }
                resumeRequestLayout(true);
                TraceCompat.endSection();
            }
        }
    };
    ...

TraceCompat类对Trace类进行了封装，只会在Android4.3及以上版本才会使用Trace类，其中beginSection方法和endSection方法之间的代码会被追踪，endSection方法会只会结束最近的beginSection方法，因此要保证beginSection方法和endSection方法的调用次数要相同。

用Chrome分析Systrace

通过前面的方法生成的trace.html需要用Chrome打开，打开后效果如下图所示。

我们可以使用W键和S键进行放大和缩小，A键和D键进行左右移动。

Alert区域

首先来看Alert区域，这一区域会标记处性能有问题的点，单击叹号图标就可以查看某一个Alert的问题描述，如下所示。

这个Alert指出了View在Measure/Layout时耗费了大量的时间，导致出现jank(同一帧画了多次)。给出的建议是避免在动画播放期间控制布局。

CPU区域

接下来我们来查看CPU区域，每一行代表一个CPU核心和它执行任务的时间片，放大后会看到每个色块代表一个执行的进程，色块的长度代表其执行时间，如下图所示。

图中CPU 0主要执行adbb线程和InputReader线程，CPU 2主要执行了surfaceflinger线程和ordinatorlayout进程中的RenderThread线程，我们点击RenderThread色块，会给出RenderThread的相关信息，如下图所示。

图中给出了当前色块所运行的线程和进程、开启时间和持续时间等信息。

应用区域

应用区域会显示应用的帧数，如下图所示。

Systrace会给出应用中的Frames分析，每一帧就是一个F圆圈，F圆圈有三种颜色，其中绿色表示Frame渲染流畅，黄色和红色则代表渲染时间超过了16.6ms，其中红的更严重些。我们点击红色F圆圈，会给出该Frame的信息，如下图所示。

从图中可以看出，Frame给出了问题提示：Scheduling delay(调度延迟)，当一帧绘制时间超过19ms会触发该提示，更何况这一帧已经有将近40ms了。导致这一问题产生的原因主要是线程在绘制时，在很长一段时间都没有分配到CPU时间片，因此无法继续进行绘制。按m键来高亮该时间段，我们来查看CPU的情况，如下图所示。

可以看出这个时间段中两个CPU都在满负荷运行。至于具体是什么让CPU繁忙，则需要使用Traceview来进行分析。

Alerts总体分析

点开最右边的Alerts按钮会给出Alert的总体分析，如下图所示。

Alerts会给出Alert类型，以及出现的次数。有了这些总体的分析，方便开发者对该时间段的绘制性能有一个整体的大概了解，便于进行下一步分析。

由于Systrace 是以系统的角度返回一些信息，只能为我们提供一个概览，它的深度是有限的，我们可以用它来进行粗略的检查，以便了解大概的情况，但是如果要分析更详细的，比如要找到是什么让CPU繁忙，某些方法的调用次数等，则还要借助另一个工具：Traceview。

4.Traceview

TraceView是Android SDK中自带的数据采集和分析工具。一般来说，通过TraceView我们可以得到以下两种数据：

- 单次执行耗时的方法。

- 执行次数多的方法。

使用Traceview

要分析Traceview，则首先要得到一个trace文件，trace文件的获取有两种方式，分别是在DDMS中使用和在代码中加入调试语句，下面分别对这两种方式进行介绍。

DDMS中使用

1.首先我们要打开Android Studio的Tool中的Android Device Monitor，并连接手机。

2.选择相应的进程，并单击Start Method Profiling按钮。

3.对应用中需要监控的点进行操作。

4.单击Stop Method Profiling按钮，会自动跳到TraceView视图。

代码中加入调试语句

如果开发中出现不好复现的问题，则需要在代码中添加TraceView监控语句，代码如下所示。

Debug.startMethodTracing();
...
Debug.stopMethodTracing();

在开始监控的地方调用startMethodTracing方法，在需要结束监控的地方调用stopMethodTracing方法。系统会在SD卡中生成trace文件，将trace文件导出并用SDK中的Traceview打开即可。当然不要忘了在manifest中加入 <uses-permission android:name="android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE"/>权限。

分析Traceview

为了分析Traceview，我们来举一个简单的例子来生成trace文件，这里采用第二种方式：代码中加入调试语句。代码如下所示。

public class CoordinatorLayoutActivity extends AppCompatActivity {
    private ViewPager mViewPager;
    private TabLayout mTabLayout;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_tab_layout);
        Debug.startMethodTracing("test");//1
        initView();
   ...
    }

    private void initView() {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    protected void onStop() {
        super.onStop();
        Debug.stopMethodTracing();
    }
}

在注释1处调用了startMethodTracing方法开始监控，其中test是生成的trace文件的名称。在initView中我们特意调用sleep方法来做耗时操作。在onStop方法中我们调用了stopMethodTracing方法结束监控。这时会在SD卡根目录生成test.trace文件，我们将该文件导出到桌面，用Traceview来分析test.trace文件，我们在cmd中执行如下语句。

我们进入traceview所在的目录(直接将traceview.bat拖入到cmd中)，并执行上图的traceview语句后会弹出Traceview视图，它分为两部分，分别是时间片面板和分析面板，我们先来看时间片面板，如下图所示。

其中x轴代表时间的消耗，单位为ms，y轴代表各个线程。一般会查看色块的长度，明显比较长的方法重点去关注，具体的分析还得看分析面板，如下图所示。

每一列数据的代表的含义如下表所示。

列名	含义
Name	该线程运行过程中调用的函数名
Incl Cpu Time%	某个方法包括其内部调用的方法所占用CPU时间百分比
Excl Cpu Time%	某个方法不包括其内部调用的方法所占用CPU时间百分比
Incl Real Time%	某个方法包括其内部调用的方法所占用真实时间百分比
Excl Real Time%	某个方法不包括其内部调用的方法所占用真实时间百分比
Calls + Recur Calls / Total	某个方法次数+递归调用次数
Cpu Time / Call	该方法平均占用CPU时间
Cpu Time / Call	该方法平均占用真实时间
Incl Cpu Time	某个方法包括其内部调用的方法所占用CPU时间
Excl Cpu Time	某个方法不包括其内部调用的方法所占用CPU时间
Incl Real Time	某个方法包括其内部调用的方法所占用真实时间
Excl Real Time	某个方法不包括其内部调用的方法所占用真实时间

因为我们用sleep方法来进行耗时操作，所以这里我们可以单击Incl Real Time来进行降序排列。其中有很多系统调用的方法，我们来进行一一过滤。最终我们发现了CoordinatorLayoutActivity的initView方法Incl Real Time的时间为1000.493ms，这显然有问题，如下图所示。