Choreographer源码理解

Choreographer的作用

1、负责接收和处理 App 的各种更新消息和回调，等到 Vsync 到来的时候统一处理。比如集中处理 Input(主要是 Input 事件的处理) 、Animation(动画相关)、Traversal(包括 measure、layout、draw 等操作) ，判断卡顿掉帧情况，记录 CallBack 耗时等

2、负责请求和接收 Vsync 信号。接收 Vsync 事件回调(通过 FrameDisplayEventReceiver.onVsync )；请求 Vsync(FrameDisplayEventReceiver.scheduleVsync) .

Choreographer初始化
private Choreographer(Looper looper, int vsyncSource) {
        mLooper = looper;//1
        mHandler = new FrameHandler(looper);//2
        mDisplayEventReceiver = USE_VSYNC
                ? new FrameDisplayEventReceiver(looper, vsyncSource)
                : null;//3
        mLastFrameTimeNanos = Long.MIN_VALUE;

        mFrameIntervalNanos = (long)(1000000000 / getRefreshRate());

        mCallbackQueues = new CallbackQueue[CALLBACK_LAST + 1];//4
        for (int i = 0; i <= CALLBACK_LAST; i++) {
            mCallbackQueues[i] = new CallbackQueue();
        }
        // b/68769804: For low FPS experiments.
        setFPSDivisor(SystemProperties.getInt(ThreadedRenderer.DEBUG_FPS_DIVISOR, 1));
    }

首先需要一个Looper,然后通过Looper来创建一个Handler对象。载创建一个mDisplayEventReceiver对象，主要是处理Vsync信号的回调和请求。最后初始化一个回调队列。

FrameHandler
private final class FrameHandler extends Handler {
        public FrameHandler(Looper looper) {
            super(looper);
        }

        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            switch (msg.what) {
                case MSG_DO_FRAME:
                    doFrame(System.nanoTime(), 0);//1
                    break;
                case MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC:
                    doScheduleVsync();//2
                    break;
                case MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK:
                    doScheduleCallback(msg.arg1);//3
                    break;
            }
        }
    }

1表示开始下一帧的渲染操作

2表示请求Vsync

3表示处理callback

FrameDisplayEventReceiver
private final class FrameDisplayEventReceiver extends DisplayEventReceiver
            implements Runnable {
    
        @Override
        public void onVsync(long timestampNanos, long physicalDisplayId, int frame) {
            ....
            mTimestampNanos = timestampNanos;
            mFrame = frame;
            Message msg = Message.obtain(mHandler, this);
            msg.setAsynchronous(true);
            mHandler.sendMessageAtTime(msg, timestampNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);
        }

        @Override
        public void run() {
            mHavePendingVsync = false;
            doFrame(mTimestampNanos, mFrame);
        }
    }

该类继承DisplayEventReceiver，实现其两个方法为onVsync（）和run()，onVsync（）主要是处理Vsync信号的回调，然后将消息设置成异步，通过我们的FrameHandler发送出去。run()则是调用doFrame()，表示我们接收到Vsync信号之后，开始下一帧的渲染。

onVsync()方法中只是使用mHandler发送消息到MessageQueue中，不一定是立刻执行，如果MessageQueue中前面有较为耗时的操作，那么就要等完成，才会执行本次的doFrame()。

前面说了，FrameDisplayEventReceiver是请求和回调，那请求时在哪里了？

@UnsupportedAppUsage
    public void scheduleVsync() {
        if (mReceiverPtr == 0) {
            Log.w(TAG, "Attempted to schedule a vertical sync pulse but the display event "
                    + "receiver has already been disposed.");
        } else {
            nativeScheduleVsync(mReceiverPtr);
        }
    }

真正的请求是在DisplayEventReceiver类中的scheduleVsync()，里面调用的是一个native方法来进行请求Vsync信号。DisplayEventReceiver 初始化完成后，Choreographer 与 SurfaceFlinger 的 Vsync 信号传递通道就建立好了，后续有 Vsync 信号到来时，就可以沿着这条通道，一路回调到 Java 层的 Choreographer.FrameDisplayEventReceiver.onVsync 方法。

callback类型
//输入事件，首先执行
    public static final int CALLBACK_INPUT = 0;
    //动画，第二执行
    public static final int CALLBACK_ANIMATION = 1;
    //绘制，第三执行
    public static final int CALLBACK_TRAVERSAL = 2;
    //提交，最后执行，
    public static final int CALLBACK_COMMIT = 3;

callback类型四种，其执行的顺序为0-》1-》2-》3

执行流程

那什么时候会用到Choreographer，通过调用invalidate()或者requestLayout()方法的时候，也就是我们需要UI绘制的时候，需要用到Choreographer。

上面的两个方法最终都会走到scheduleTraversals()。

scheduleTraversals()
void scheduleTraversals() {
        if (!mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = true;
            mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
            mChoreographer.postCallback(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
            if (!mUnbufferedInputDispatch) {
                scheduleConsumeBatchedInput();
            }
            notifyRendererOfFramePending();
            pokeDrawLockIfNeeded();
        }
    }

首先会设置一个同步屏障，然后调用postCallback()方法.postCallback()方法中继续调用postCallbackDelayed()，最终会调用postCallbackDelayedInternal()方法。

postCallbackDelayedInternal()
private void postCallbackDelayedInternal(int callbackType,
            Object action, Object token, long delayMillis) {
        
        synchronized (mLock) {
            final long now = SystemClock.uptimeMillis();
            final long dueTime = now + delayMillis;
            mCallbackQueues[callbackType].addCallbackLocked(dueTime, action, token);

            if (dueTime <= now) {
                scheduleFrameLocked(now);
            } else {
                Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_CALLBACK, action);
                msg.arg1 = callbackType;
                msg.setAsynchronous(true);
                mHandler.sendMessageAtTime(msg, dueTime);
            }
        }
    }

如果dueTime<=当前时间，则会去请求Vsync信号，否则通过handler发送一条异步消息到队列中。

private void scheduleFrameLocked(long now) {
        if (!mFrameScheduled) {
            mFrameScheduled = true;
            if (USE_VSYNC) {
                if (isRunningOnLooperThreadLocked()) {
                    scheduleVsyncLocked();
                } else {
                    Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_SCHEDULE_VSYNC);
                    msg.setAsynchronous(true);
                    mHandler.sendMessageAtFrontOfQueue(msg);
                }
            } else {
                final long nextFrameTime = Math.max(
                        mLastFrameTimeNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS + sFrameDelay, now);
                Message msg = mHandler.obtainMessage(MSG_DO_FRAME);
                msg.setAsynchronous(true);
                mHandler.sendMessageAtTime(msg, nextFrameTime);
            }
        }
    }

1、如果系统未开启 VSYNC 机制，此时直接发送 MSG_DO_FRAME 消息到 FrameHandler，此时直接执行 doFrame 方法。

2、Android 4.1 之后系统默认开启 VSYNC，在 Choreographer 的构造方法会创建一个 FrameDisplayEventReceiver，scheduleVsyncLocked 方法将会通过它申请 VSYNC 信号。

3、isRunningOnLooperThreadLocked 方法，其内部根据 Looper 判断是否在原线程，否则发送消息到 FrameHandler。最终还是会调用 scheduleVsyncLocked 方法申请 VSYNC 信号。

请求Vsync信号成功之后，就会走onVsync()回调。onVsync()中，将接收器本身作为runnable传入异步消息msg，并使用mHandler发送msg，最终执行的就是doFrame()方法。

doFrame()
void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
        final long startNanos;
        synchronized (mLock) {
            long intendedFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
            startNanos = System.nanoTime();
            final long jitterNanos = startNanos - frameTimeNanos;
            if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
                final long skippedFrames = jitterNanos / mFrameIntervalNanos;
                if (skippedFrames >= SKIPPED_FRAME_WARNING_LIMIT) {
                    Log.i(TAG, "Skipped " + skippedFrames + " frames!  "
                            + "The application may be doing too much work on its main thread.");
                }
                final long lastFrameOffset = jitterNanos % mFrameIntervalNanos;
                if (DEBUG_JANK) {
                    Log.d(TAG, "Missed vsync by " + (jitterNanos * 0.000001f) + " ms "
                            + "which is more than the frame interval of "
                            + (mFrameIntervalNanos * 0.000001f) + " ms!  "
                            + "Skipping " + skippedFrames + " frames and setting frame "
                            + "time to " + (lastFrameOffset * 0.000001f) + " ms in the past.");
                }
                frameTimeNanos = startNanos - lastFrameOffset;
            }

            if (frameTimeNanos < mLastFrameTimeNanos) {
                if (DEBUG_JANK) {
                    Log.d(TAG, "Frame time appears to be going backwards.  May be due to a "
                            + "previously skipped frame.  Waiting for next vsync.");
                }
                scheduleVsyncLocked();
                return;
            }

            if (mFPSDivisor > 1) {
                long timeSinceVsync = frameTimeNanos - mLastFrameTimeNanos;
                if (timeSinceVsync < (mFrameIntervalNanos * mFPSDivisor) && timeSinceVsync > 0) {
                    scheduleVsyncLocked();
                    return;
                }
            }

            mFrameInfo.setVsync(intendedFrameTimeNanos, frameTimeNanos);
            mFrameScheduled = false;
            mLastFrameTimeNanos = frameTimeNanos;
        }

        try {
            Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "Choreographer#doFrame");
            AnimationUtils.lockAnimationClock(frameTimeNanos / TimeUtils.NANOS_PER_MS);

            mFrameInfo.markInputHandlingStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);

            mFrameInfo.markAnimationsStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_ANIMATION, frameTimeNanos);
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INSETS_ANIMATION, frameTimeNanos);

            mFrameInfo.markPerformTraversalsStart();
            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos);

            doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
        } finally {
            AnimationUtils.unlockAnimationClock();
            Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
        }
    }

在doFrame方法中，主要做了以下的事：

1、计算掉帧逻辑

Choreographer.doFrame 的掉帧检测比较简单，Vsync 信号到来的时候会标记一个 start_time ，执行 doFrame 的时候标记一个 end_time ，这两个时间差就是 Vsync处理时延，也就是掉帧。
这种方法计算的掉帧，是前一帧的掉帧情况，而不是这一帧的掉帧情况，这个计算方法是有缺陷的，会导致有的掉帧没有被计算到

2、记录帧绘制信息

Choreographer 中 FrameInfo 来负责记录帧的绘制信息，doFrame 执行的时候，会把每一个关键节点的绘制时间记录下来，我们使用 dumpsys gfxinfo 就可以看到。

3、执行 CALLBACK_INPUT、CALLBACK_ANIMATION、CALLBACK_TRAVERSAL、CALLBACK_COMMIT

最后执行的是c.run(frameTimeNanos);

public void run(long frameTimeNanos) {
            if (token == FRAME_CALLBACK_TOKEN) {
                ((FrameCallback)action).doFrame(frameTimeNanos);
            } else {
                ((Runnable)action).run();
            }
        }

最后调用的是run（）；

现在我们再来看scheduleTraversals()

void scheduleTraversals() {
        if (!mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = true;
            mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
            mChoreographer.postCallback(
                    Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
            
        }
    }

((Runnable)action).run()其实执行的是mTraversalRunnable。

mTraversalRunnable()
final class TraversalRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            doTraversal();
        }
    }
    
    void doTraversal() {
        if (mTraversalScheduled) {
            mTraversalScheduled = false;
            mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
            performTraversals();//1
        }
    }

从1可以知道，熟悉view的绘制流程的就知道在performTraversals()中会去执行Measure(),Layout(),Draw()，就这样就形成了一个闭环。

vsync.png
小结

1、Choreographer 是线程单例的，而且必须要和一个 Looper 绑定，因为其内部有一个 Handler 需要和 Looper 绑定，一般是 App 主线程的 Looper 绑定。

2、DisplayEventReceiver 是一个 abstract class，其 JNI 的代码部分会创建一个IDisplayEventConnection 的 Vsync 监听者对象。这样，来自 AppEventThread 的 VSYNC 中断信号就可以传递给 Choreographer 对象了。当 Vsync 信号到来时，DisplayEventReceiver 的 onVsync 函数将被调用。

3、DisplayEventReceiver 还有一个 scheduleVsync 函数。当应用需要绘制UI时，将首先申请一次 Vsync 中断，然后再在中断处理的 onVsync 函数去进行绘制。

4、Choreographer 定义了一个 FrameCallback interface，每当 Vsync 到来时，其 doFrame 函数将被调用。这个接口对 Android Animation 的实现起了很大的帮助作用。以前都是自己控制时间，现在终于有了固定的时间中断。

5、Choreographer 的主要功能是，当收到 Vsync 信号时，去调用使用者通过 postCallback 设置的回调函数。目前一共定义了四种类型的回调，它们分别是：

CALLBACK_INPUT : 处理输入事件处理有关
CALLBACK_ANIMATION ： 处理 Animation 的处理有关
CALLBACK_TRAVERSAL : 处理和 UI 等控件绘制有关
CALLBACK_COMMIT ： 处理 Commit 相关回调

6、CALLBACK_INPUT 、CALLBACK_ANIMATION 会修改 view 的属性，所以要先于 CALLBACK_TRAVERSAL 执行

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