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前言

談到Android的UI繪制，大家可能會(huì)想到onMeasure、onLayout、onDraw三大流程。但我們的View到底是如何一步一步顯示到屏幕上的？onDraw之后到View顯示到屏幕上，具體又做了哪些工作?
帶著這些問(wèn)題，我們今天就深入學(xué)習(xí)一下Android渲染的流程吧，本文主包括以下內(nèi)容：

Android渲染的整體架構(gòu)是怎樣的?
Android渲染的生產(chǎn)者包括哪些？Skia與OpenGl的區(qū)別是什么？
什么是硬件加速？硬件繪制與軟件繪制的區(qū)別
Android渲染緩沖區(qū)是什么？什么是黃油計(jì)劃?
Android渲染的消費(fèi)者是什么? 什么是SurfaceFlinger?

`Android`渲染整體架構(gòu)

我們先來(lái)看一下Android渲染的整體架構(gòu)，具體可分為以下幾個(gè)部分

image stream produceers: ?渲染數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者，如App的draw方法會(huì)把繪制指令通過(guò)canvas傳遞給framework層的RenderThread線程。
native Framework: RenderThread線程通過(guò)surface.dequeue得到緩沖區(qū)graphic bufer，然后在上面通過(guò)OpenGL來(lái)完成真正的渲染命令。在把緩沖區(qū)交還給BufferQueue隊(duì)列中。
image stream consumers: surfaceFlinger從隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)和HAL完成layer的合成工作，最終交給HAL展示。
HAL: ?硬件抽象層。把圖形數(shù)據(jù)展示到設(shè)備屏幕

可以看出，這其實(shí)是個(gè)很典型的生產(chǎn)者消費(fèi)者模式

圖像生產(chǎn)者：也就是我們的APP，再深入點(diǎn)就是canvas->surface。
圖像消費(fèi)者：SurfaceFlinger
圖像緩沖區(qū)：BufferQueue，一般是3緩沖區(qū)

下面我們就從生產(chǎn)者，消費(fèi)者，緩沖區(qū)三個(gè)部分來(lái)詳細(xì)了解下Android渲染的過(guò)程

圖像生產(chǎn)者

從上面的架構(gòu)圖可知，圖像的生產(chǎn)者主要有MediaPlayer，CameraPreview，NDK(Skia)，OpenGl ES。
其中MediaPlayer和Camera Preview是通過(guò)直接讀取圖像源來(lái)生成圖像數(shù)據(jù)，NDK（Skia），OpenGL ES是通過(guò)自身的繪制能力生產(chǎn)的圖像數(shù)據(jù)

`OpenGL`、`Vulkan`、`Skia`的區(qū)別

OpenGL：是一種跨平臺(tái)的3D圖形繪制規(guī)范接口。OpenGL EL則是專門(mén)針對(duì)嵌入式設(shè)備，如手機(jī)做了優(yōu)化。
Skia：skia是圖像渲染庫(kù)，2D圖形繪制自己就能完成。3D效果（依賴硬件）由OpenGL、Vulkan、Metal支持。它不僅支持2D、3D，同時(shí)支持CPU軟件繪制和GPU硬件加速。Android、flutter都是使用它來(lái)完成繪制。
Vulkan: Android引入了Vulkan支持。VulKan是用來(lái)替換OpenGL的。它不僅支持3D，也支持2D，同時(shí)更加輕量級(jí)

硬件加速

關(guān)于硬件加速，相信大家也經(jīng)常聽(tīng)到，尤其是有些API不支持硬件加速，因此需要我們手動(dòng)關(guān)閉，那么硬件加速到底是什么呢?

`CPU` 與 `GPU`的區(qū)別

除了屏幕，UI 渲染還要依賴另外兩個(gè)核心的硬件：CPU 和 GPU。

CPU（Central Processing Unit，中央處理器），是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，是信息處理、程序運(yùn)行的最終執(zhí)行單元；
GPU（Graphics Processin Unit，圖形處理器），是一種專門(mén)用于圖像運(yùn)算的處理器，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通常被稱為 "顯卡"的核心部件就是 GPU。

UI 組件在繪制到屏幕之前，都需要經(jīng)過(guò) Rasterization（柵格化）操作，而柵格化又是一個(gè)非常耗時(shí)的操作。

Rasterization 柵格化是繪制那些 Button、Shape、Path、String、Bitmap 等顯示組件最基礎(chǔ)的操作。柵格化將這些 UI 組件拆分到顯示器的不同像素上進(jìn)行顯示。這是一個(gè)非常耗時(shí)的操作，GPU 的引入就是為了加快柵格化。

硬件繪制與軟件繪制

從圖中可以看到，軟件繪制使用 Skia 庫(kù)，它是一款能在低端設(shè)備，如手機(jī)呈現(xiàn)高質(zhì)量的 2D 跨平臺(tái)圖形框架，類似 Chrome、Flutter 內(nèi)部使用的都是 Skia 庫(kù)。
硬件繪制的思想就是通過(guò)底層軟件代碼，將 CPU 不擅長(zhǎng)的圖形計(jì)算轉(zhuǎn)換成 GPU 專用指令，由 GPU 完成繪制任務(wù)。

所以說(shuō)硬件加速的本質(zhì)就是使用GPU代替CPU完成Graphic Buffer繪制工作，以實(shí)現(xiàn)更好的性能，Android從4.0開(kāi)始默認(rèn)開(kāi)啟了硬件加速，但還有一些API不支持硬件加速，因此需要手動(dòng)關(guān)閉硬件加速。
需要注意的是，軟件繪制使用的Skia庫(kù)，但這不代表Skia不支持硬件加速，從Android 8開(kāi)始，我們可以選擇使用Skia進(jìn)行硬件加速，Android 9開(kāi)始就默認(rèn)使用Skia來(lái)進(jìn)行硬件加速。Skia的硬件加速主要是通過(guò) copybit 模塊調(diào)用OpenGL或者SKia來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖像緩沖區(qū)

Android中的圖像生產(chǎn)者OpenGL，Skia，Vulkan將繪制的數(shù)據(jù)存放在圖像緩沖區(qū)中，Android中的圖像消費(fèi)SurfaceFlinger從圖像緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)取出，進(jìn)行加工及合成
那么圖像緩沖區(qū)我們又需要注意哪些內(nèi)容呢?

黃油計(jì)劃

優(yōu)化是無(wú)止境的，Google 在 2012 年的 I/O 大會(huì)上宣布了 Project Butter 黃油計(jì)劃，并且在 Android 4.1 中正式開(kāi)啟了這個(gè)機(jī)制。

`VSYNC`信號(hào)

VSYNC（Vertical Synchronization）是理解 Project Butter 的核心。對(duì)于 Android 4.0，CPU 可能會(huì)因?yàn)樵诿ζ渌氖虑?，?dǎo)致沒(méi)來(lái)得及處理 UI 繪制。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)在收到VSync信號(hào)后，將馬上開(kāi)始下一幀的渲染。即一旦收到VSync通知（16ms觸發(fā)一次），CPU和GPU 才立刻開(kāi)始計(jì)算然后把數(shù)據(jù)寫(xiě)入buffer。如下圖

CPU/GPU根據(jù)VSYNC信號(hào)同步處理數(shù)據(jù)，可以讓CPU/GPU有完整的16ms時(shí)間來(lái)處理數(shù)據(jù)，減少了jank。
一句話總結(jié)，VSync同步使得CPU/GPU充分利用了16.6ms時(shí)間，減少jank。

三緩沖機(jī)制

在Android 4.0之前，Android采用雙緩沖機(jī)制，讓繪制和顯示器擁有各自的buffer：GPU 始終將完成的一幀圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入到 Back Buffer，而顯示器使用 Frame Buffer，當(dāng)屏幕刷新時(shí)，Frame Buffer 并不會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)Back buffer準(zhǔn)備就緒后，它們才進(jìn)行交換。

但是如果界面比較復(fù)雜，CPU/GPU的處理時(shí)間較長(zhǎng) 超過(guò)了16.6ms呢，雙緩沖機(jī)制會(huì)帶來(lái)什么問(wèn)題？如下圖：

在第二個(gè)時(shí)間段內(nèi)，但卻因 GPU 還在處理 B 幀，緩存沒(méi)能交換，導(dǎo)致 A 幀被重復(fù)顯示。
而B完成后，又因?yàn)槿狈?code style="font-size: 14px;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;background-color: rgba(27, 31, 35, 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(239, 112, 96);">VSync信號(hào)，它只能等待下一個(gè)signal的來(lái)臨。于是在這一過(guò)程中，有一大段時(shí)間是被浪費(fèi)的。
當(dāng)下一個(gè)VSync出現(xiàn)時(shí)，CPU/GPU馬上執(zhí)行操作（A幀），且緩存交換，相應(yīng)的顯示屏對(duì)應(yīng)的就是B。這時(shí)看起來(lái)就是正常的。只不過(guò)由于執(zhí)行時(shí)間仍然超過(guò)16ms，導(dǎo)致下一次應(yīng)該執(zhí)行的緩沖區(qū)交換又被推遲了——如此循環(huán)反復(fù)，便出現(xiàn)了越來(lái)越多的“Jank”。

三緩沖就是在雙緩沖機(jī)制基礎(chǔ)上增加了一個(gè)Graphic Buffer緩沖區(qū)，這樣可以最大限度的利用空閑時(shí)間，帶來(lái)的壞處是多使用的一個(gè)Graphic Buffer所占用的內(nèi)存。

三緩沖機(jī)制有效利用了等待vysnc的時(shí)間，可以幫助我們減少了jank

`RenderThread`

經(jīng)過(guò) Android 4.1 的 Project Butter 黃油計(jì)劃之后，Android 的渲染性能有了很大的改善。不過(guò)你有沒(méi)有注意到這樣一個(gè)問(wèn)題，雖然利用了 GPU 的圖形高性能運(yùn)算，但是從計(jì)算 DisplayList，到通過(guò) GPU 繪制到 Frame Buffer，整個(gè)計(jì)算和繪制都在 UI 主線程中完成。

UI 線程任務(wù)過(guò)于繁重。如果整個(gè)渲染過(guò)程比較耗時(shí)，可能造成無(wú)法響應(yīng)用戶的操作，進(jìn)而出現(xiàn)卡頓的情況。GPU 對(duì)圖形的繪制渲染能力更勝一籌，如果使用 GPU 并在不同線程繪制渲染圖形，那么整個(gè)流程會(huì)更加順暢。

正因如此，在 Android 5.0 引入兩個(gè)比較大的改變。一個(gè)是引入了 RenderNode 的概念，它對(duì) DisplayList 及一些 View 顯示屬性都做了進(jìn)一步封裝。另一個(gè)是引入了 RenderThread，所有的 GL 命令執(zhí)行都放到這個(gè)線程上，渲染線程在 RenderNode 中存有渲染幀的所有信息，可以做一些屬性動(dòng)畫(huà)，這樣即便主線程有耗時(shí)操作的時(shí)候也可以保證動(dòng)畫(huà)流程。

圖像消費(fèi)者

SurfaceFlinger是Android系統(tǒng)中最重要的一個(gè)圖像消費(fèi)者，Activity繪制的界面圖像，都會(huì)傳遞到SurfaceFlinger來(lái)，SurfaceFlinger的作用主要是接收GraphicBuffer，然后交給HWComposer或者OpenGL做合成，合成完成后，SurfaceFlinger會(huì)把最終的數(shù)據(jù)提交給FrameBuffer。

SurfaceFlinger是圖像數(shù)據(jù)的消費(fèi)者。在應(yīng)用程序請(qǐng)求創(chuàng)建surface的時(shí)候，SurfaceFlinger會(huì)創(chuàng)建一個(gè)Layer。Layer是SurfaceFlinger操作合成的基本單元。所以，一個(gè)surface對(duì)應(yīng)一個(gè)Layer。
當(dāng)應(yīng)用程序把繪制好的GraphicBuffer數(shù)據(jù)放入BufferQueue后，接下來(lái)的工作就是SurfaceFlinger來(lái)完成了。

系統(tǒng)會(huì)有多個(gè)應(yīng)用程序，一個(gè)程序有多個(gè)BufferQueue隊(duì)列。SurfaceFlinger就是用來(lái)決定何時(shí)以及怎么去管理和顯示這些隊(duì)列的。
SurfaceFlinger請(qǐng)求HAL硬件層，來(lái)決定這些Buffer是硬件來(lái)合成還是自己通過(guò)OpenGL來(lái)合成。
最終把合成后的buffer數(shù)據(jù)，展示在屏幕上。

總結(jié)

總得來(lái)說(shuō)，Android圖像渲染機(jī)制是一個(gè)生產(chǎn)者消費(fèi)者的模型，如下圖所示：

onMeasure、onLayout計(jì)算出view的大小和擺放的位置，這都是UI線程要做的事情，在draw方法中進(jìn)行繪制，但此時(shí)是沒(méi)有真正去繪制。而是把繪制的指令封裝為displayList,進(jìn)一步封裝為RenderNode，在同步給RenderThread。
RenderThread通過(guò)dequeue拿到graphic buffer（surfaceFlinger的緩沖區(qū)），根據(jù)繪制指令直接操作OpenGL的繪制接口，最終通過(guò)GPU設(shè)備把繪制指令渲染到了離屏緩沖區(qū)graphic buffer。
完成渲染后，把緩沖區(qū)交還給SurfaceFlinger的BufferQueue。SurfaceFlinger會(huì)通過(guò)硬件設(shè)備進(jìn)行layer的合成，最終展示到屏幕。