Android繪製最佳化（一）繪製效能分析

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前言

一個優秀的應用不僅僅是要有迷人的功能和互動，同時在效能上也有很高的要求。運行Android系統的手機，雖然配置在不斷的提升，但仍舊無法和PC相比，無法做到PC那樣擁有超大的記憶體以及高效能的CPU，因此在開發Android應用程式時也不可能無限制的使用CPU和記憶體，如果對CPU和記憶體使用量不當也會造成應用的卡頓和記憶體溢出等問題。因此，應用的效能最佳化對於開發人員有著更高的要求。Android效能最佳化分為很多種，比較常用的有繪製最佳化、記憶體最佳化、耗電最佳化和穩定性最佳化等，這個系列我們就來學習效能最佳化中的繪製最佳化。

1.繪製原理

Android繪製View有三個主要的步驟，分別是measure、layout和draw。關於它們的原理請查看我的文章Android View體系（七）從源碼解析View的measure流程和Android View體系（八）從源碼解析View的layout和draw流程，這裡就不在贅述。measure、layout和draw方法主要是運行在系統的應用程式框架層，而真正將資料渲染到螢幕上的則是系統Nativie層的SurfaceFlinger服務來完成的。

繪製過程主要是由CPU 來進行Measure、Layout、Record、Execute的資料計算工作，GPU負責柵格化、渲染。CPU和GPU是通過圖形驅動層來進行串連的。圖形驅動層維護了一個隊列，CPU將display list添加到該隊列中，這樣GPU就可以從這個隊列中取出資料進行繪製。

渲染時間軸

FPS(Frames Per Second)這個名詞我想很多同學都知道，它是指畫面每秒傳輸幀數，通俗來講就是指動畫或視頻的畫面數，最簡單的舉例就是我們玩遊戲時，如果畫面在60fps則不會感覺到卡頓，如果低於60fps，比如50fps則會感覺到卡頓，你就可以考慮要換顯卡或者採取其他一些措施了。
要想畫面保持在60fps，則需要每個繪製時間長度在16ms以內，如所示。

Android系統每隔16ms發出VSYNC訊號，觸發對UI進行渲染， 如果每次渲染都成功，這樣就能夠達到流暢的畫面所需要的60fps，那什麼是VSYNC呢？VSYNC是Vertical Synchronization(垂直同步)的縮寫，是一種定時中斷，一旦收到VSYNC訊號，CPU就開始處理各幀資料。
如果某個操作要花費24ms，這樣系統在得到VSYNC訊號時無法進行正常的渲染，會發生丟幀。使用者會在32ms中看到同一幀的畫面，如所示。

產生卡頓原因有很多，主要有以下幾點：
- 布局Layout過於複雜，無法在16ms內完成渲染。
- 同一時間動畫執行的次數過多，導致CPU或GPU負載過重。
- View過度繪製，導致某些像素在同一幀時間內被繪製多次。
- UI線程中做了稍微耗時的操作。

為瞭解決上述的問題，除了我們要在寫代碼時要注意外，也可以藉助一些工具來分析和解決卡頓問題。

2.Profile GPU Rendering

Profile GPU Rendering是Android 4.1系統提供的開發協助工具功能，我們可以在開發人員選項中開啟這一功能，如所示。

我們點擊Profile GPU Rendering選項並選擇On screen as bars即開啟Profile GPU Rendering功能。接著螢幕會顯示出彩色的柱狀圖，如下所示。

上面的彩色的圖的橫軸代表時間，縱軸表示某一幀的耗時。綠色的橫線為警戒線，超過這條線則意味著時間長度超過了16m，盡量要保證垂直的彩色柱狀圖保持在綠線下面。這些垂直的彩色柱狀圖代表著一幀，不同顏色的彩色柱狀圖代表不同的含義：

• 橙色代表處理的時間，是CPU告訴GPU渲染一幀的地方，這是一個阻塞調用，因為CPU會一直等待GPU發出接到命令的回複，如果橙色柱狀圖很高，則表明GPU很繁忙。
• 紅色代表執行的時間，這部分是Android進行2D渲染 Display List的時間。如果紅色柱狀圖很高，可能是由重新提交了視圖而導致的。還有複雜的自訂View也會導致紅的柱狀圖變高。
• 藍色代表測量繪製的時間，也就是需要多長時間去建立和更新DisplayList。如果藍色柱狀圖很高，可能是需要重新繪製，或者View的onDraw方法處理事情太多。

在Android 6.0中，有更多的顏色被加了進來，如所示：

Profile GPU Rendering可以找到渲染有問題的介面，但是想要修複的話，只依賴Profile GPU Rendering是不夠的，可以用另一個工具Hierarchy Viewer來查看布局層次和每個View所花的時間，這個工具會在下一篇文章進行介紹。

3.Systrace

Systrace是Android4.1中新增的效能資料採樣和分析工具。它可協助開發人員收集Android關鍵子系統（SurfaceFlinger、WindowManagerService等Framework部分關鍵模組、服務，View體系系統等）的運行資訊。Systrace的功能包括跟蹤系統的I/O操作、核心工作隊列、CPU負載以及Android各個子系統的健全狀態等。對於UI顯示效能，比如動畫播放不流暢、渲染卡頓等問題提供了分析資料。

使用Systrace

Systrace跟蹤的裝置要在Android4.1版本以上，對於Android4.3版本之前和4.3版本之後使用上有點區別，現在也很少有人用Android4.3之前的版本，因此這裡只講Android4.3版本的使用方法。Systrace可以在DDMS上使用，可以使用命令列來使用，也可以在代碼中進行跟蹤。接下來分別來介紹這三種方式。
在DDMS中使用Systrace
1.首先我們要開啟Android Studio的Tool中的Android Device Monitor，並串連手機。
2.點擊Systrace按鈕進入抓取設定介面，如所示。

抓取設定介面可以設定跟蹤的時間，以及trace檔案輸出的地址等內容。如所示。

3.設定完成後，我們就來操作的跟蹤的過程。跟蹤時間結束後，產生trace.html檔案。
4.用Chrome開啟trace.html檔案進行分析。分析的方法，後文會講到。

用命令列使用Systrace
Android 提供一個python指令檔 systrace.py，它位於Android SDK 目錄 /tools/systrace 中，我們可以執行以下命令來使用Systrace：

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

在代碼中使用Systrace
Systrace並不會追蹤應用的所有工作，在Android4.3及以上版本的代碼中，可以使用Trace類對應用中的具體活動進行追蹤。
Android源碼中也引用了Trace類，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類對Trace類進行了封裝，只會在Android4.3及以上版本才會使用Trace類，其中beginSection方法和endSection方法之間的代碼會被追蹤，endSection方法會只會結束最近的beginSection方法，因此要保證beginSection方法和endSection方法的調用次數要相同。

用Chrome分析Systrace

通過前面的方法產生的trace.html需要用Chrome開啟，開啟後效果如所示。

我們可以使用W鍵和S鍵進行放大和縮小，A鍵和D鍵進行左右移動。
Alert地區
首先來看Alert地區，這一地區會標記處效能有問題的點，單擊歎號表徵圖就可以查看某一個Alert的問題描述，如下所示。

這個Alert指出了View在Measure/Layout時耗費了大量的時間，導致出現jank(同一幀畫了多次)。給出的建議是避免在動畫播放期間控制布局。

CPU地區
接下來我們來查看CPU地區，每一行代表一個CPU核心和它執行任務的時間片，放大後會看到每個色塊代表一個執行的進程，色塊的長度代表其執行時間，如所示。

圖中CPU 0主要執行adbb線程和InputReader線程，CPU 2主要執行了surfaceflinger線程和ordinatorlayout進程中的RenderThread線程，我們點擊RenderThread色塊，會給出RenderThread的相關資訊，如所示。

圖中給出了當前色塊所啟動並執行線程和進程、開啟時間和期間等資訊。

應用地區
應用地區會顯示應用的幀數，如所示。

Systrace會給出應用中的Frames分析，每一幀就是一個F圓圈，F圓圈有三種顏色，其中綠色表示Frame渲染流暢，黃色和紅色則代表渲染時間超過了16.6ms，其中紅的更嚴重些。我們點擊紅色F圓圈，會給出該Frame的資訊，如所示。

可以看出，Frame給出了問題提示：Scheduling delay(調度延遲)，當一幀繪製時間超過19ms會觸發該提示，更何況這一幀已經有將近40ms了。導致這一問題產生的原因主要是線程在繪製時，在很長一段時間都沒有分配到CPU時間片，因此無法繼續進行繪製。按m鍵來高亮該時間段，我們來查看CPU的情況，如所示。

可以看出這個時間段中兩個CPU都在滿負荷運行。至於具體是什麼讓CPU繁忙，則需要使用Traceview來進行分析。

Alerts總體分析
點開最右邊的Alerts按鈕會給出Alert的總體分析，如所示。

Alerts會給出Alert類型，以及出現的次數。有了這些總體的分析，方便開發人員對該時間段的繪製效能有一個整體的大概瞭解，便於進行下一步分析。
由於Systrace 是以系統的角度返回一些資訊，只能為我們提供一個概覽，它的深度是有限的，我們可以用它來進行粗略的檢查，以便瞭解大概的情況，但是如果要分析更詳細的，比如要找到是什麼讓CPU繁忙，某些方法的調用次數等，則還要藉助另一個工具：Traceview。

4.Traceview

TraceView是Android SDK中內建的資料擷取和分析工具。一般來說，通過TraceView我們可以得到以下兩種資料：
- 單次執行耗時的方法。
- 執行次數多的方法。

使用Traceview

要分析Traceview，則首先要得到一個trace檔案，trace檔案的擷取有兩種方式，分別是在DDMS中使用和在代碼中加入調試語句，下面分別對這兩種方式進行介紹。

DDMS中使用
1.首先我們要開啟Android Studio的Tool中的Android Device Monitor，並串連手機。
2.選擇相應的進程，並單擊Start Method Profiling按鈕。
3.對應用中需要監控的點進行操作。
4.單擊Stop Method Profiling按鈕，會自動跳到TraceView視圖。

代碼中加入調試語句
如果開發中出現不好複現的問題，則需要在代碼中添加TraceView監控語句，代碼如下所示。

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

在開始監控的地方調用startMethodTracing方法，在需要結束監控的地方調用stopMethodTracing方法。系統會在SD卡中產生trace檔案，將trace檔案匯出並用SDK中的Traceview開啟即可。當然不要忘了在manifest中加入 <uses-permission android:name="android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE"/>許可權。

分析Traceview

為了分析Traceview，我們來舉一個簡單的例子來產生trace檔案，這裡採用第二種方式：代碼中加入調試語句。代碼如下所示。

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();    }}

在注釋1處調用了startMethodTracing方法開始監控，其中test是產生的trace檔案的名稱。在initView中我們特意調用sleep方法來做耗時操作。在onStop方法中我們調用了stopMethodTracing方法結束監控。這時會在SD卡根目錄產生test.trace檔案，我們將該檔案匯出到案頭，用Traceview來分析test.trace檔案，我們在cmd中執行如下語句。

我們進入traceview所在的目錄(直接將traceview.bat拖入到cmd中)，並執行的traceview語句後會彈出Traceview視圖，它分為兩部分，分別是時間片面板和分析面板，我們先來看時間片面板，如所示。

其中x軸代表時間的消耗，單位為ms，y軸代表各個線程。一般會查看色塊的長度，明顯比較長的方法重點去關注，具體的分析還得看分析面板，如所示。

每一列資料的代表的含義如下表所示。

列名	含義
Name	該線程運行過程中調用的函數名
Incl Cpu Time%	某個方法包括其內部調用的方法所佔用CPU時間百分比
Excl Cpu Time%	某個方法不包括其內部調用的方法所佔用CPU時間百分比
Incl Real Time%	某個方法包括其內部調用的方法所佔用真即時間百分比
Excl Real Time%	某個方法不包括其內部調用的方法所佔用真即時間百分比
Calls + Recur Calls / Total	某個方法次數+遞迴調用次數
Cpu Time / Call	該方法平均佔用CPU時間
Cpu Time / Call	該方法平均佔用真即時間
Incl Cpu Time	某個方法包括其內部調用的方法所佔用CPU時間
Excl Cpu Time	某個方法不包括其內部調用的方法所佔用CPU時間
Incl Real Time	某個方法包括其內部調用的方法所佔用真即時間
Excl Real Time	某個方法不包括其內部調用的方法所佔用真即時間

因為我們用sleep方法來進行耗時操作，所以這裡我們可以單擊Incl Real Time來進行降序排列。其中有很多系統調用的方法，我們來進行一一過濾。最終我們發現了CoordinatorLayoutActivity的initView方法Incl Real Time的時間為1000.493ms，這顯然有問題，如所示。

我們可以看出是調用sleep方法導致的耗時。關於Traceview還有很多種分析情況，就需要大家在平時進行積累了。
好了關於繪製效能分析，就講到這，如果覺得不過癮，本系列的後續文章還有大波的內容會持續向你砸來。

參考資料
《Android群英傳 神兵利器》
《Android應用效能最佳化最佳實務》
http://blog.csdn.net/itachi85/article/details/6857324
http://www.cnblogs.com/sunzn/p/3192231.html
http://blog.csdn.net/androiddevelop/article/details/8223805
http://www.tuicool.com/articles/jMfiUjj
http://www.mobile-open.com/2015/85005.html

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