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Android 动画animation 深入分析

前言：本文试图通过分析动画流程，来理解android动画系统的设计与实现，学习动画的基本原则，最终希望能够指导动画的设计。

0 本文中用到的一些类图

1 view animation

调用方法：view.startAnimation(animation);

[java] view plaincopy

1. public void startAnimation(Animation animation) {
2. animation.setStartTime(Animation.START_ON_FIRST_FRAME);
3. setAnimation(animation);
4. invalidateParentCaches();
5. invalidate(true);
6. }

在invalidate(ture);中

[java] view plaincopy

1. if (p != null && ai != null) {
2. final Rect r = ai.mTmpInvalRect;
3. r.set(0, 0, mRight - mLeft, mBottom - mTop);
4. // Don‘t call invalidate -- we don‘t want to internally scroll
5. // our own bounds
6. p.invalidateChild(this, r);
7. }

即调用parent的invalidateChild，

假定父控件即为ViewRootImpl;

public final class ViewRootImpl implements ViewParent;

[java] view plaincopy

1. @Override
2. public void invalidateChild(View child, Rect dirty) {
3. invalidateChildInParent(null, dirty);
4. }
5. public ViewParent invalidateChildInParent(int[] location, Rect dirty) {
6. //...省略一堆判断条件，最终调用
7. if (!mWillDrawSoon && (intersected || mIsAnimating)) {
8. scheduleTraversals();
9. }
10. return null;
11. }

[java] view plaincopy

1. void scheduleTraversals() {
2. if (!mTraversalScheduled) {
3. mTraversalScheduled = true;
4. mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().postSyncBarrier();
5. mChoreographer.postCallback(
6. Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
7. scheduleConsumeBatchedInput();
8. }
9. }

其中mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().postSyncBarrier();是设置同步障碍（syncBarrier），当looper中的消息队列执行到barrier 后，会暂停执行，只有当barrier 被释放mHandler.getLooper().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier); 后消息队列才能继续执行。

Choreographer mChoreographer; 是动画系统中的核心组织者， 负责统一调度。后面详细说。

[java] view plaincopy

1. final TraversalRunnable mTraversalRunnable = new TraversalRunnable();
2. final class TraversalRunnable implements Runnable {
3. @Override
4. public void run() {
5. doTraversal();
6. }
7. }

[java] view plaincopy

1. void doTraversal() {
2. performTraversals();
3. }

perform 待补充

[java] view plaincopy

1. final class ConsumeBatchedInputRunnable implements Runnable {
2. @Override
3. public void run() {
4. doConsumeBatchedInput(mChoreographer.getFrameTimeNanos());
5. }
6. }
7. final ConsumeBatchedInputRunnable mConsumedBatchedInputRunnable =
8. new ConsumeBatchedInputRunnable();

doConsume 待补充

2 属性动画aninmator

valueAnimator.start();

[java] view plaincopy

1. private void start(boolean playBackwards) {
2. if (Looper.myLooper() == null) {
3. throw new AndroidRuntimeException("Animators may only be run on Looper threads");
4. }
5. AnimationHandler animationHandler = getOrCreateAnimationHandler();
6. animationHandler.mPendingAnimations.add(this);
7. if (mStartDelay == 0) {
8. // This sets the initial value of the animation, prior to actually starting it running
9. setCurrentPlayTime(0);
10. mPlayingState = STOPPED;
11. mRunning = true;
12. notifyStartListeners();
13. }
14. animationHandler.start();
15. }

这里会检查调用线程必须是Looper线程，如果是view相关的属性动画，还必须是UI 线程。

得到AnimationHandle 并把自己加入到PendingAnimations  的list中.

[java] view plaincopy

1. getOrCreateAnimationHandler();

[java] view plaincopy

1. protected static ThreadLocal<AnimationHandler> sAnimationHandler =
2. new ThreadLocal<AnimationHandler>()
3. protected static class AnimationHandler implements Runnable {
4. // The per-thread list of all active animations
5. /** @hide */
6. protected final ArrayList<ValueAnimator> mAnimations = new ArrayList<ValueAnimator>();
7. // Used in doAnimationFrame() to avoid concurrent modifications of mAnimations
8. private final ArrayList<ValueAnimator> mTmpAnimations = new ArrayList<ValueAnimator>();
9. // The per-thread set of animations to be started on the next animation frame
10. /** @hide */
11. protected final ArrayList<ValueAnimator> mPendingAnimations = new ArrayList<ValueAnimator>();
12. /**
13. * Internal per-thread collections used to avoid set collisions as animations start and end
14. * while being processed.
15. * @hide
16. */
17. protected final ArrayList<ValueAnimator> mDelayedAnims = new ArrayList<ValueAnimator>();
18. private final ArrayList<ValueAnimator> mEndingAnims = new ArrayList<ValueAnimator>();
19. private final ArrayList<ValueAnimator> mReadyAnims = new ArrayList<ValueAnimator>();
20. private final Choreographer mChoreographer;
21. private boolean mAnimationScheduled;

AnimationHandler 就是一个runnable， 注意成员变量中的多个animator 的list 以及重要的mChoreographer = Choreographer.getInstance();

mChoreographer 也是一个threadlocal的变量。

在animationHandler.start() 中

[java] view plaincopy

1. public void start() {
2. scheduleAnimation();
3. }
4. private void scheduleAnimation() {
5. if (!mAnimationScheduled) {
6. mChoreographer.postCallback(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, this, null);
7. mAnimationScheduled = true;
8. }
9. }

this 是runnable 即把animationHandler自己添加添加到mChoreographer 的队列中。

[java] view plaincopy

1. public void postCallback(int callbackType, Runnable action, Object token) {
2. postCallbackDelayed(callbackType, action, token, 0);
3. }
4. public void postCallbackDelayed(int callbackType,
5. Runnable action, Object token, long delayMillis) {
6. postCallbackDelayedInternal(callbackType, action, token, delayMillis);
7. }
8. private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
9. Object action, Object token, long delayMillis) {
10. synchronized (mLock) {
11. final long now = SystemClock.uptimeMillis();
12. final long dueTime = now + delayMillis;
13. mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);
14. if (dueTime <= now) {
15. scheduleFrameLocked(now);
16. } else {
17. Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
18. msg.arg1 = callbackType;
19. msg.setAsynchronous(true);
20. mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);
21. }
22. }
23. }

传入的delay为0， 即调用scheduleFrameLocked(now);

[java] view plaincopy

1. private void scheduleFrameLocked(long now) {
2. if (!mFrameScheduled) {
3. mFrameScheduled = true;
4. if (USE_VSYNC) {
5. if (DEBUG) {
6. Log.d(TAG, "Scheduling next frame on vsync.");
7. }
8. // If running on the Looper thread, then schedule the vsync immediately,
9. // otherwise post a message to schedule the vsync from the UI thread
10. // as soon as possible.
11. if (isRunningOnLooperThreadLocked()) {
12. scheduleVsyncLocked();
13. } else {
14. Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC);
15. msg.setAsynchronous(true);
16. mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg);
17. }
18. } else {
19. final long nextFrameTime = Math.max(
20. mLastFrameTimeNanos / NANOS_PER_MS + sFrameDelay, now);
21. if (DEBUG) {
22. Log.d(TAG, "Scheduling next frame in " + (nextFrameTime - now) + " ms.");
23. }
24. Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_FRAME);
25. msg.setAsynchronous(true);
26. mHandler.sendMessageAtTime(msg, nextFrameTime);
27. }
28. }
29. }

[java] view plaincopy

1. private static final boolean USE_VSYNC = SystemProperties.getBoolean(
2. "debug.choreographer.vsync", true);

USE_VSYNC 默认是true；

[java] view plaincopy

1. private boolean isRunningOnLooperThreadLocked() {
2. return Looper.myLooper() == mLooper;
3. }

检查当前looper和mChoreographer的looper是否一致。一般情况是一致的。就会调用scheduleVsyncLocked();

[java] view plaincopy

1. private void scheduleVsyncLocked() {
2. mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();
3. }

[java] view plaincopy

1. public void scheduleVsync() {
2. if (mReceiverPtr == 0) {
3. Log.w(TAG, "Attempted to schedule a vertical sync pulse but the display event "
4. + "receiver has already been disposed.");
5. } else {
6. nativeScheduleVsync(mReceiverPtr);
7. }
8. }

到了native 暂时先不涉及。

回头来看animationHandler 的run()。 前面提到animationHandler把自己添加到mChoreographer，当被调用时，调用run方法。

[java] view plaincopy

1. // Called by the Choreographer.
2. @Override
3. public void run() {
4. mAnimationScheduled = false;
5. doAnimationFrame(mChoreographer.getFrameTime());
6. }

[java] view plaincopy

1. public long getFrameTime() {
2. return getFrameTimeNanos() / NANOS_PER_MS;
3. }
4. public long getFrameTimeNanos() {
5. synchronized (mLock) {
6. if (!mCallbacksRunning) {
7. throw new IllegalStateException("This method must only be called as "
8. + "part of a callback while a frame is in progress.");
9. }
10. return USE_FRAME_TIME ? mLastFrameTimeNanos : System.nanoTime();
11. }
12. }

doAnimationFrame()总结就是

1.遍历pending list动画，如果delay为0 则调用start，不为0，加入delay list；

2.遍历delay list， 根据frametime计算是继续delay还是ready可以播放，若是ready，则加入到ready list中；

3 遍历ready list，调用start ；

4，遍历所有animation，根据frametime计算动画是否要结束，如果可以结束，则加入到ending list中；

5，遍历ending list， 调用end；

6， 如果有列表中仍然有动画，则继续scheduleAnimation；

[java] view plaincopy

1. private void doAnimationFrame(long frameTime) {
2. // mPendingAnimations holds any animations that have requested to be started
3. // We‘re going to clear mPendingAnimations, but starting animation may
4. // cause more to be added to the pending list (for example, if one animation
5. // starting triggers another starting). So we loop until mPendingAnimations
6. // is empty.
7. while (mPendingAnimations.size() > 0) {
8. ArrayList<ValueAnimator> pendingCopy =
9. (ArrayList<ValueAnimator>) mPendingAnimations.clone();
10. mPendingAnimations.clear();
11. int count = pendingCopy.size();
12. for (int i = 0; i < count; ++i) {
13. ValueAnimator anim = pendingCopy.get(i);
14. // If the animation has a startDelay, place it on the delayed list
15. if (anim.mStartDelay == 0) {
16. anim.startAnimation(this);
17. } else {
18. mDelayedAnims.add(anim);
19. }
20. }
21. }
22. // Next, process animations currently sitting on the delayed queue, adding
23. // them to the active animations if they are ready
24. int numDelayedAnims = mDelayedAnims.size();
25. for (int i = 0; i < numDelayedAnims; ++i) {
26. ValueAnimator anim = mDelayedAnims.get(i);
27. if (anim.delayedAnimationFrame(frameTime)) {
28. mReadyAnims.add(anim);
29. }
30. }
31. int numReadyAnims = mReadyAnims.size();
32. if (numReadyAnims > 0) {
33. for (int i = 0; i < numReadyAnims; ++i) {
34. ValueAnimator anim = mReadyAnims.get(i);
35. anim.startAnimation(this);
36. anim.mRunning = true;
37. mDelayedAnims.remove(anim);
38. }
39. mReadyAnims.clear();
40. }
41. // Now process all active animations. The return value from animationFrame()
42. // tells the handler whether it should now be ended
43. int numAnims = mAnimations.size();
44. for (int i = 0; i < numAnims; ++i) {
45. mTmpAnimations.add(mAnimations.get(i));
46. }
47. for (int i = 0; i < numAnims; ++i) {
48. ValueAnimator anim = mTmpAnimations.get(i);
49. if (mAnimations.contains(anim) && anim.doAnimationFrame(frameTime)) {
50. mEndingAnims.add(anim);
51. }
52. }
53. mTmpAnimations.clear();
54. if (mEndingAnims.size() > 0) {
55. for (int i = 0; i < mEndingAnims.size(); ++i) {
56. mEndingAnims.get(i).endAnimation(this);
57. }
58. mEndingAnims.clear();
59. }
60. // If there are still active or delayed animations, schedule a future call to
61. // onAnimate to process the next frame of the animations.
62. if (!mAnimations.isEmpty() || !mDelayedAnims.isEmpty()) {
63. scheduleAnimation();
64. }
65. }

在animationFrame() 中根据当前状态，并且计算fraction，调用animateValue();

[java] view plaincopy

1. boolean animationFrame(long currentTime) {
2. boolean done = false;
3. switch (mPlayingState) {
4. case RUNNING:
5. case SEEKED:
6. //省略计算fraction的代码
7. animateValue(fraction);
8. break;
9. }
10. return done;
11. }

通过mInterpolator.getInterpolation计算fraction；@Interpolator

根据fraction计算内部所有value，如果有updateListener，调用之。

[java] view plaincopy

1. void animateValue(float fraction) {
2. fraction = mInterpolator.getInterpolation(fraction);
3. mCurrentFraction = fraction;
4. int numValues = mValues.length;
5. for (int i = 0; i < numValues; ++i) {
6. mValues[i].calculateValue(fraction);
7. }
8. if (mUpdateListeners != null) {
9. int numListeners = mUpdateListeners.size();
10. for (int i = 0; i < numListeners; ++i) {
11. mUpdateListeners.get(i).onAnimationUpdate(this);
12. }
13. }
14. }

3. 插值器

从上面的介绍可以看到，Interpolator的关键是getInterpolation();

在ValueAnimator.animationFrame()中可以看到， 传递给Interpolator 的fraction是在[0,1] 值域范围。

[java] view plaincopy

1. float fraction = mDuration > 0 ? (float)(currentTime - mStartTime) / mDuration : 1f;
2. if (fraction >= 1f) {
3. if (mCurrentIteration < mRepeatCount || mRepeatCount == INFINITE) {
4. // Time to repeat
5. if (mListeners != null) {
6. int numListeners = mListeners.size();
7. for (int i = 0; i < numListeners; ++i) {
8. mListeners.get(i).onAnimationRepeat(this);
9. }
10. }
11. if (mRepeatMode == REVERSE) {
12. mPlayingBackwards = !mPlayingBackwards;
13. }
14. mCurrentIteration += (int)fraction;
15. fraction = fraction % 1f;
16. mStartTime += mDuration;
17. } else {
18. done = true;
19. fraction = Math.min(fraction, 1.0f);
20. }
21. }
22. if (mPlayingBackwards) {
23. fraction = 1f - fraction;
24. }

所以设计Interpolator 就是设计一个输入[0,1] 的函数。

先参观一下系统的几个Interpolator。

3.1 AccelerateDecelerateInterpolator

cos(t+1)Pi /2 +0.5f

从图可以看到，先加速后减速，病最终到达结束位置。

[java] view plaincopy

1. public class AccelerateDecelerateInterpolator implements Interpolator {
2. public float getInterpolation(float input) {
3. return (float)(Math.cos((input + 1) * Math.PI) / 2.0f) + 0.5f;
4. }
5. }

3.2 AccelerateInterpolator

如果factor=1 则函数为x^2

否则函数为x^a (a 是参数)

默认函数式x^2

如图示，逐渐加速到结束位置。

[java] view plaincopy

1. public class AccelerateInterpolator implements Interpolator {
2. private final float mFactor;
3. private final double mDoubleFactor;
4. public AccelerateInterpolator() {
5. mFactor = 1.0f;
6. mDoubleFactor = 2.0;
7. }
8. /**
9. * Constructor
10. *
11. * @param factor Degree to which the animation should be eased. Seting
12. *        factor to 1.0f produces a y=x^2 parabola. Increasing factor above
13. *        1.0f  exaggerates the ease-in effect (i.e., it starts even
14. *        slower and ends evens faster)
15. */
16. public AccelerateInterpolator(float factor) {
17. mFactor = factor;
18. mDoubleFactor = 2 * mFactor;
19. }
20. public float getInterpolation(float input) {
21. if (mFactor == 1.0f) {
22. return input * input;
23. } else {
24. return (float)Math.pow(input, mDoubleFactor);
25. }
26. }
27. }

3.3 LinearInterpolator

线性的就是Y=X 没啥说的。

[java] view plaincopy

1. public class LinearInterpolator implements Interpolator {
2. public float getInterpolation(float input) {
3. return input;
4. }
5. }

3.4 anticipateInterpolator

函数是：x^2((a+1)x-a) 默认参数a=2 默认函数为x^2(3x-1)

如图示， 会先反方向执行一段，然后正向一直加速至结束位置。

[java] view plaincopy

1. public class AnticipateInterpolator implements Interpolator {
2. private final float mTension;
3. public AnticipateInterpolator() {
4. mTension = 2.0f;
5. }
6. /**
7. * @param tension Amount of anticipation. When tension equals 0.0f, there is
8. *                no anticipation and the interpolator becomes a simple
9. *                acceleration interpolator.
10. */
11. public AnticipateInterpolator(float tension) {
12. mTension = tension;
13. }
14. public float getInterpolation(float t) {
15. // a(t) = t * t * ((tension + 1) * t - tension)
16. return t * t * ((mTension + 1) * t - mTension);
17. }
18. }

3.5 aniticipateOvershoot

是一个分段函数，默认参数a=3

2x*x[(2x*(a+1)-a)]     0<=x<=0.5

2(x-1)(x-1)[(2x-1)(a+1)+a]    0.5<x<=1

通过下图可以看到，动画会先反方向执行，然后向正方向逐渐加速，在快结束时逐渐减速，并超过预设的值，最后回到结束位置。

2x*x[(2x*(a+1)-a)]     0<=x<=0.5 的函数图

2(x-1)(x-1)[(2x-1)(a+1)+a]    0.5<x<=1的函数图

[java] view plaincopy

1. public class AnticipateOvershootInterpolator implements Interpolator {
2. private final float mTension;
3. public AnticipateOvershootInterpolator() {
4. mTension = 2.0f * 1.5f;
5. }
6. /**
7. * @param tension Amount of anticipation/overshoot. When tension equals 0.0f,
8. *                there is no anticipation/overshoot and the interpolator becomes
9. *                a simple acceleration/deceleration interpolator.
10. */
11. public AnticipateOvershootInterpolator(float tension) {
12. mTension = tension * 1.5f;
13. }
14. /**
15. * @param tension Amount of anticipation/overshoot. When tension equals 0.0f,
16. *                there is no anticipation/overshoot and the interpolator becomes
17. *                a simple acceleration/deceleration interpolator.
18. * @param extraTension Amount by which to multiply the tension. For instance,
19. *                     to get the same overshoot as an OvershootInterpolator with
20. *                     a tension of 2.0f, you would use an extraTension of 1.5f.
21. */
22. public AnticipateOvershootInterpolator(float tension, float extraTension) {
23. mTension = tension * extraTension;
24. }
25. private static float a(float t, float s) {
26. return t * t * ((s + 1) * t - s);
27. }
28. private static float o(float t, float s) {
29. return t * t * ((s + 1) * t + s);
30. }
31. public float getInterpolation(float t) {
32. // a(t, s) = t * t * ((s + 1) * t - s)
33. // o(t, s) = t * t * ((s + 1) * t + s)
34. // f(t) = 0.5 * a(t * 2, tension * extraTension), when t < 0.5
35. // f(t) = 0.5 * (o(t * 2 - 2, tension * extraTension) + 2), when t <= 1.0
36. if (t < 0.5f) return 0.5f * a(t * 2.0f, mTension);
37. else return 0.5f * (o(t * 2.0f - 2.0f, mTension) + 2.0f);
38. }
39. }

4. 指导设计动画。

从第3节中可以看到，想要让动画按照我们预期的行为来执行，需要做的就是找到合适的函数。

画图使用http://www.fooplot.com/在线工具