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2 years ago
# 20 | UI 优化UI 渲染的几个关键概念
在开始今天的学习前,我祝各位同学新春快乐、工作顺利、身体健康、阖家幸福,绍文给您拜年啦!
> 每个做UI的Android开发上辈子都是折翼的天使。
多年来有那么一群苦逼的Android开发他们饱受碎片化之苦面对着各式各样的手机屏幕尺寸和分辨率还要与“凶残”的产品和UI设计师过招日复一日、年复一年的做着UI适配和优化工作蹉跎着青春的岁月。更加不幸的是最近两年这个趋势似乎还愈演愈烈刘海屏、全面屏还有即将推出的柔性折叠屏UI适配将变得越来越复杂。
UI优化究竟指的是什么呢我认为所谓的UI优化应该包含两个方面一个是效率的提升我们可以非常高效地把UI的设计图转化成应用界面并且保证UI界面在不同尺寸和分辨率的手机上都是一致的另一个是性能的提升在正确实现复杂、炫酷的UI设计的同时需要保证用户有流畅的体验。
那如何将我们从无穷无尽的UI适配中拯救出来呢
## UI渲染的背景知识
究竟什么是UI渲染呢Android的图形渲染框架十分复杂不同版本的差异也比较大。但是无论怎么样它们都是为了将我们代码中的View或者元素显示到屏幕中。
而屏幕作为直接面对用户的手机硬件,类似厚度、色彩、功耗等都是厂家非常关注的。从功能机小小的黑白屏,到现在超大的全面屏,我们先来看手机屏幕的发展历程。
**1\. 屏幕与适配**
作为消费者来说通常会比较关注屏幕的尺寸、分辨率以及厚度这些指标。Android的碎片化问题令人痛心疾首屏幕的差异正是碎片化问题的“中心”。屏幕的尺寸从3英寸到10英寸分辨率从320到1920应有尽有对我们UI适配造成很大困难。
除此之外材质也是屏幕至关重要的一个评判因素。目前智能手机主流的屏幕可分为两大类一种是LCDLiquid Crystal Display即液晶显示器另一种是OLEDOrganic Light-Emitting Diode的即有机发光二极管。
最新的旗舰机例如iPhone XS Max和华为Mate 20 Pro使用的都是OLED屏幕。相比LCD屏幕OLED屏幕在色彩、可弯曲程度、厚度以及耗电都有优势。正因为这些优势全面屏、曲面屏以及未来的柔性折叠屏使用的都是OLED材质。关于OLED与LCD的具体差别你可以参考[《OLED和LCD区别》](https://www.zhihu.com/question/22263252)和[《手机屏幕的前世今生,可能比你想的还精彩》](http://mobile.zol.com.cn/680/6805742.html)。今年柔性折叠屏肯定是最大的热点不过OLED的单价成本要比LCD高很多。
对于屏幕碎片化的问题Android推荐使用dp作为尺寸单位来适配UI因此每个Android开发都应该很清楚px、dp、dpi、ppi、density这些概念。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/e3/ce/e3094e900dccacb9d9e72063ca3084ce.png)
通过dp加上自适应布局可以基本解决屏幕碎片化的问题也是Android推荐使用的[屏幕兼容性](https://developer.android.com/guide/practices/screens_support?hl=zh-cn)适配方案。但是它会存在两个比较大的问题:
* 不一致性。因为dpi与实际ppi的差异性导致在相同分辨率的手机上控件的实际大小会有所不同。
* 效率。设计师的设计稿都是以px为单位的开发人员为了UI适配需要手动通过百分比估算出dp值。
除了直接dp适配之外目前业界比较常用的UI适配方法主要有下面几种
* 限制符适配方案。主要有宽高限定符与smallestWidth限定符适配方案具体可以参考[《Android 目前稳定高效的UI适配方案》](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxMTI4MTkwNQ==&mid=2650826034&idx=1&sn=5e86768d7abc1850b057941cdd003927&chksm=80b7b1acb7c038ba8912b9a09f7e0d41eef13ec0cea19462e47c4e4fe6a08ab760fec864c777&scene=21#wechat_redirect)[《smallestWidth 限定符适配方案》](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxMTI4MTkwNQ==&mid=2650826381&idx=1&sn=5b71b7f1654b04a55fca25b0e90a4433&chksm=80b7b213b7c03b0598f6014bfa2f7de12e1f32ca9f7b7fc49a2cf0f96440e4a7897d45c788fb&scene=21#wechat_redirect)。
* 今日头条适配方案。通过反射修正系统的density值具体可以参考[《一种极低成本的Android屏幕适配方式》](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1MzYzMjE0MQ==&mid=2247484502&idx=2&sn=a60ea223de4171dd2022bc2c71e09351&scene=21#wechat_redirect)[《今日头条适配方案》](https://mp.weixin.qq.com/s/oSBUA7QKMWZURm1AHMyubA)。
**2\. CPU与GPU**
除了屏幕UI渲染还依赖两个核心的硬件CPU与GPU。UI组件在绘制到屏幕之前都需要经过Rasterization栅格化操作而栅格化操作又是一个非常耗时的操作。GPUGraphic Processing Unit )也就是图形处理器,它主要用于处理图形运算,可以帮助我们加快栅格化操作。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/1c/8d/1c94e50372ff29ef68690da92c6b468d.png)
你可以从图上看到软件绘制使用的是Skia库它是一款能在低端设备如手机上呈现高质量的2D跨平台图形框架类似Chrome、Flutter内部使用的都是Skia库。
**3\. OpenGL与Vulkan**
对于硬件绘制我们通过调用OpenGL ES接口利用GPU完成绘制。[OpenGL](https://developer.android.com/guide/topics/graphics/opengl)是一个跨平台的图形API它为2D/3D图形处理硬件指定了标准软件接口。而OpenGL ES是OpenGL的子集专为嵌入式设备设计。
在官方[硬件加速的文档](https://developer.android.com/guide/topics/graphics/hardware-accel)中可以看到很多API都有相应的Android API level限制。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/d5/5d/d57d364750071b7eb39968fea1a1b15d.png)
这是为什么呢?其实这主要是受[OpenGL ES](https://www.khronos.org/opengles/)版本与系统支持的限制直到最新的Android P有3个API是仍然没有支持。对于不支持的API我们需要使用软件绘制模式渲染的性能将会大大降低。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/cf/31/cf13332abe87502c7d60ff78b6aeb931.png)
Android 7.0把OpenGL ES升级到最新的3.2版本同时,还添加了对[Vulkan](https://source.android.com/devices/graphics/arch-vulkan)的支持。Vulkan是用于高性能3D图形的低开销、跨平台 API。相比OpenGL ESVulkan在改善功耗、多核优化提升绘图调用上有着非常明显的[优势](https://zhuanlan.zhihu.com/p/20712354)。
在国内“王者荣耀”是比较早适配Vulkan的游戏虽然目前兼容性还有一些问题但是Vulkan版本的王者荣耀在流畅性和帧数稳定性都有大幅度提升即使是战况最激烈的团战阶段也能够稳定保持在5560帧。
## Android渲染的演进
跟耗电一样Android的UI渲染性能也是Google长期以来非常重视的基本每次Google I/O都会花很多篇幅讲这一块。每个开发者都希望自己的应用或者游戏可以做到60 fps如丝般顺滑不过相比iOS系统Android的渲染性能一直被人诟病。
Android系统为了弥补跟iOS的差距在每个版本都做了大量的优化。在了解Android的渲染之前需要先了解一下Android图形系统的[整体架构](https://source.android.com/devices/graphics),以及它包含的主要组件。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/7e/66/7efc5431b860634224f1cd7dda8abd66.png)
我曾经在一篇文章看过一个生动的比喻如果把应用程序图形渲染过程当作一次绘画过程那么绘画过程中Android的各个图形组件的作用是
* 画笔Skia或者OpenGL。我们可以用Skia画笔绘制2D图形也可以用OpenGL来绘制2D/3D图形。正如前面所说前者使用CPU绘制后者使用GPU绘制。
* 画纸Surface。所有的元素都在Surface这张画纸上进行绘制和渲染。在Android中Window是View的容器每个窗口都会关联一个Surface。而WindowManager则负责管理这些窗口并且把它们的数据传递给SurfaceFlinger。
* 画板Graphic Buffer。Graphic Buffer缓冲用于应用程序图形的绘制在Android 4.1之前使用的是双缓冲机制在Android 4.1之后,使用的是三缓冲机制。
* 显示SurfaceFlinger。它将WindowManager提供的所有Surface通过硬件合成器Hardware Composer合成并输出到显示屏。
接下来我将通过Android渲染演进分析的方法帮你进一步加深对Android渲染的理解。
**1\. Android 4.0:开启硬件加速**
在Android 3.0之前或者没有启用硬件加速时系统都会使用软件方式来渲染UI。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/8f/97/8f85be65392fd7b575393e5665f49a97.png)
整个流程如上图所示:
* Surface。每个View都由某一个窗口管理而每一个窗口都关联有一个Surface。
* Canvas。通过Surface的lock函数获得一个CanvasCanvas可以简单理解为Skia底层接口的封装。
* Graphic Buffer。SurfaceFlinger会帮我们托管一个[BufferQueue](https://source.android.com/devices/graphics/arch-bq-gralloc)我们从BufferQueue中拿到Graphic Buffer然后通过Canvas以及Skia将绘制内容栅格化到上面。
* SurfaceFlinger。通过Swap Buffer把Front Graphic Buffer的内容交给SurfaceFinger最后硬件合成器Hardware Composer合成并输出到显示屏。
整个渲染流程是不是非常简单但是正如我前面所说CPU对于图形处理并不是那么高效这个过程完全没有利用到GPU的高性能。
**硬件加速绘制**
所以从Androd 3.0开始Android开始支持硬件加速到Android 4.0时,默认开启硬件加速。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/79/e8/79c315275abac0823971e5d6b9657be8.png)
硬件加速绘制与软件绘制整个流程差异非常大最核心就是我们通过GPU完成Graphic Buffer的内容绘制。此外硬件绘制还引入了一个DisplayList的概念每个View内部都有一个DisplayList当某个View需要重绘时将它标记为Dirty。
当需要重绘时仅仅只需要重绘一个View的DisplayList而不是像软件绘制那样需要向上递归。这样可以大大减少绘图的操作数量因而提高了渲染效率。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/f9/51/f9da12b7c4d49f47d650cd8e14303c51.png)
**2\. Android 4.1Project Butter**
优化是无止境的Google在2012年的I/O大会上宣布了Project Butter黄油计划并且在Android 4.1中正式开启了这个机制。
Project Butter主要包含两个组成部分一个是VSYNC一个是Triple Buffering。
**VSYNC信号**
在讲文件I/O跟网络I/O的时候我讲到过中断的概念。对于Android 4.0CPU可能会因为在忙别的事情导致没来得及处理UI绘制。
为解决这个问题Project Buffer引入了[VSYNC](https://source.android.com/devices/graphics/implement-vsync)它类似于时钟中断。每收到VSYNC中断CPU会立即准备Buffer数据由于大部分显示设备刷新频率都是60Hz一秒刷新60次也就是说一帧数据的准备工作都要在16ms内完成。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/06/bd/06753998a26642edd3481f85fc93c8bd.png)
这样应用总是在VSYNC边界上开始绘制而SurfaceFlinger总是VSYNC边界上进行合成。这样可以消除卡顿并提升图形的视觉表现。
**三缓冲机制Triple Buffering**
在Android 4.1之前Android使用双缓冲机制。怎么理解呢一般来说不同的View或者Activity它们都会共用一个Window也就是共用同一个Surface。
而每个Surface都会有一个BufferQueue缓存队列但是这个队列会由SurfaceFlinger管理通过匿名共享内存机制与App应用层交互。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/88/96/887c5ff4ae381733a95634c115c7a296.png)
整个流程如下:
* 每个Surface对应的BufferQueue内部都有两个Graphic Buffer 一个用于绘制一个用于显示。我们会把内容先绘制到离屏缓冲区OffScreen Buffer在需要显示时才把离屏缓冲区的内容通过Swap Buffer复制到Front Graphic Buffer中。
* 这样SurfaceFlinge就拿到了某个Surface最终要显示的内容但是同一时间我们可能会有多个Surface。这里面可能是不同应用的Surface也可能是同一个应用里面类似SurefaceView和TextureView它们都会有自己单独的Surface。
* 这个时候SurfaceFlinger把所有Surface要显示的内容统一交给Hareware Composer它会根据位置、Z-Order顺序等信息合成为最终屏幕需要显示的内容而这个内容会交给系统的帧缓冲区Frame Buffer来显示Frame Buffer是非常底层的可以理解为屏幕显示的抽象
如果你理解了双缓冲机制的原理那就非常容易理解什么是三缓冲区了。如果只有两个Graphic Buffer缓存区A和B如果CPU/GPU绘制过程较长超过了一个VSYNC信号周期因为缓冲区B中的数据还没有准备完成所以只能继续展示A缓冲区的内容这样缓冲区A和B都分别被显示设备和GPU占用CPU无法准备下一帧的数据。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/55/53/551fb7b5a8a0bed7d81edde6aff99653.png)
如果再提供一个缓冲区CPU、GPU和显示设备都能使用各自的缓冲区工作互不影响。简单来说三缓冲机制就是在双缓冲机制基础上增加了一个Graphic Buffer缓冲区这样可以最大限度的利用空闲时间带来的坏处是多使用的了一个Graphic Buffer所占用的内存。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/4d/ed/4d84d2d6a8f8e25e1622665141d993ed.png)
对于VSYNC信号和Triple Buffering更详细的介绍可以参考[《Android Project Butter分析》](https://blog.csdn.net/innost/article/details/8272867)。
**数据测量**
“工欲善其事必先利其器”Project Butter在优化UI渲染性能的同时也希望可以帮助我们更好地排查UI相关的问题。
在Android 4.1新增了Systrace性能数据采样和分析工具。在卡顿和启动优化中我们已经使用过Systrace很多次了也可以用它来检测每一帧的渲染情况。
Tracer for OpenGL ES也是Android 4.1新增加的工具它可逐帧、逐函数的记录App用OpenGL ES的绘制过程。它提供了每个OpenGL函数调用的消耗时间所以很多时候用来做性能分析。但因为其强大的记录功能在分析渲染问题时当Traceview、Systrace都显得棘手时还找不到渲染问题所在时此时这个工具就会派上用场了。
在Android 4.2,系统增加了检测绘制过度工具,具体的使用方法可以参考[《检查GPU渲染速度和绘制过度》](https://developer.android.com/studio/profile/inspect-gpu-rendering)。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/1b/d3/1b2bebe9a74374d6089ef13f23088cd3.png)
**3\. Android 5.0RenderThread**
经过Project Butter黄油计划之后Android的渲染性能有了很大的改善。但是不知道你有没有注意到一个问题虽然我们利用了GPU的图形高性能运算但是从计算DisplayList到通过GPU绘制到Frame Buffer整个计算和绘制都在UI主线程中完成。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/77/b1/778a18e6f9f9c1d08a5f5e12645c21b1.png)
UI主线程“既当爹又当妈”任务过于繁重。如果整个渲染过程比较耗时可能造成无法响应用户的操作进而出现卡顿。GPU对图形的绘制渲染能力更胜一筹如果使用GPU并在不同线程绘制渲染图形那么整个流程会更加顺畅。
正因如此在Android 5.0引入了两个比较大的改变。一个是引入了RenderNode的概念它对DisplayList及一些View显示属性做了进一步封装。另一个是引入了RenderThread所有的GL命令执行都放到这个线程上渲染线程在RenderNode中存有渲染帧的所有信息可以做一些属性动画这样即便主线程有耗时操作的时候也可以保证动画流畅。
在官方文档 [《检查 GPU 渲染速度和绘制过度》](https://developer.android.com/studio/profile/inspect-gpu-rendering)中我们还可以开启Profile GPU Rendering检查。在Android 6.0之后,会输出下面的计算和绘制每个阶段的耗时:
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/5e/f2/5e61bfdec7dabd49b082bbbebb497cf2.png)
如果我们把上面的步骤转化线程模型可以得到下面的流水线模型。CPU将数据同步sync给GPU之后一般不会阻塞等待GPU渲染完毕而是通知结束后就返回。而RenderThread承担了比较多的绘制工作分担了主线程很多压力提高了UI线程的响应速度。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/7f/7d/7f349aefe7a081259218af30b9a9fc7d.png)
**4\. 未来**
在Android 6.0的时候Android在gxinfo添加了更详细的信息在Android 7.0又对HWUI进行了一些重构而且支持了Vulkan在Android P支持了Vulkun 1.1。我相信在未来不久的Android Q更好地支持Vulkan将是一个必然的方向。
总的来说UI渲染的优化必然会朝着两个方向。一个是进一步压榨硬件的性能让UI可以更加流畅。一个是改进或者增加更多的分析工具帮助我们更容易地发现以及定位问题。
## 总结
今天我们通过Android渲染的演进历程一步一步加深对Android渲染机制的理解这对我们UI渲染优化工作会有很大的帮助。
但是凡事都要两面看硬件加速绘制虽然极大地提高了Android系统显示和刷新的速度但它也存在那么一些问题。一方面是内存消耗OpenGL API调用以及Graphic Buffer缓冲区会占用至少几MB的内存而实际上会占用更多一些。不过最严重的还是兼容性问题部分绘制函数不支持是其中一部分原因更可怕的是硬件加速绘制流程本身的Bug。由于Android每个版本对渲染模块都做了一些重构在某些场景经常会出现一些莫名其妙的问题。
例如每个应用总有那么一些libhwui.so相关的崩溃曾经这个崩溃占我们总崩溃的20%以上。我们内部花了整整一个多月通过发了几十个灰度使用了Inline Hook、GOT Hook等各种手段。最后才定位到问题的原因是系统内部RenderThread与主线程数据同步的Bug并通过规避的方法得以解决。
## 课后作业
人们都说iOS系统更加流畅对于Android的UI渲染你了解多少呢在日常工作中你是使用哪种方式做UI适配的觉得目前在渲染方面最大的痛点是什么欢迎留言跟我和其他同学一起讨论。
在UI渲染这方面其实我也并不是非常资深针对文中所讲的如果你有更好的思路和想法一定给我留言欢迎留下你的想法。
Android渲染架构非常庞大而且演进得也非常快。如果你还有哪些不理解的地方可以进一步阅读下面的参考资料
* 2018 Google I/O[Drawn out: how Android renders](https://www.youtube.com/watch?v=zdQRIYOST64)
* 官方文档:[Android 图形架构](https://source.android.com/devices/graphics)
* 浏览器渲染:[一颗像素的诞生](https://mp.weixin.qq.com/s/QoFrdmxdRJG5ETQp5Ua3-A)
* [Android 屏幕绘制机制及硬件加速](https://blog.csdn.net/qian520ao/article/details/81144167)
* [Android性能优化之渲染篇](http://hukai.me/android-performance-render/)
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