Android流畅度评估及卡顿优化

发布网友发布时间：2022-10-08 06:06

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热心网友时间：2023-11-05 12:20

Google定义：界面呈现是指从应用生成帧并将其显示在屏幕上的动作。要确保用户能够流畅地与应用互动，应用呈现每帧的时间不应超过16ms，以达到每秒60帧的呈现速度（为什么是60fps？）。
如果应用存在界面呈现缓慢的问题，系统会不得不跳过一些帧，这会导致用户感觉应用不流畅，我们将这种情况称为卡顿。

来源于： Google Android的为什么是60fps？

16ms意味着1000/60hz，相当于60fps。这是因为人眼与大脑之间的协作无法感知超过60fps的画面更新。12fps大概类似手动快速翻动书籍的帧率，这明显是可以感知到不够顺滑的。24fps使得人眼感知的是连续线性的运动，这其实是归功于运动模糊的效果。 24fps是电影胶圈通常使用的帧率，因为这个帧率已经足够支撑大部分电影画面需要表达的内容，同时能够最大的减少费用支出。但是低于30fps是无法顺畅表现绚丽的画面内容的，此时就需要用到60fps来达到想要的效果，超过60fps就没有必要了。如果我们的应用没有在16ms内完成屏幕刷新的全部逻辑操作，就会发生卡顿。

首先要了解Android显示1帧图像，所经历的完整过程。

如图所示，屏幕显示1帧图像需要经历5个步骤：

常见的丢帧情况：渲染期间可能出现的情况，渲染大于16ms和小于16ms的情况：

上图中应该绘制 4 帧数据 , 但是实际上只绘制了 3 帧 , 实际帧率少了一帧

判断APP是否出现卡顿，我们从通用应用和游戏两个纬度的代表公司标准来看，即Google的Android vitals性能指标和地球第一游戏大厂腾讯的PrefDog性能指标。

以Google Vitals的卡顿描述为准，即呈现速度缓慢和帧冻结两个维度判断：

PerfDog Jank计算方法：

帧率FPS高并不能反映流畅或不卡顿。比如：FPS为50帧，前200ms渲染一帧，后800ms渲染49帧，虽然帧率50，但依然觉得非常卡顿。同时帧率FPS低，并不代表卡顿，比如无卡顿时均匀FPS为15帧。所以平均帧率FPS与卡顿无任何直接关系)

当了解卡顿的标准以及渲染原理之后，可以得出结论，只有丢帧情况才能准确判断是否卡顿。

mpsys 是一种在设备上运行并转储需要关注的系统服务状态信息的 Android 工具。通过向 mpsys 传递 gfxinfo 命令，可以提供 logcat 格式的输出，其中包含与录制阶段发生的动画帧相关的性能信息。

借助 Android 6.0（API 级别 23），该命令可将在整个进程生命周期中收集的帧数据的聚合分析输出到 logcat。例如：

这些总体统计信息可以得到期间的FPS、Jank比例、各类渲染异常数量统计。

命令 adb shell mpsys gfxinfo <PACKAGE_NAME> framestats 可提供最近120个帧中，渲染各阶段带有纳秒时间戳的帧时间信息。

关键参数说明：

通过gfxinfo输出的帧信息，通过定时reset和打印帧信息，可以得到FPS(帧数/打印间隔时间)、丢帧比例（(janky_frames / total_frames_rendered)*100 %）、是否有帧冻结(帧耗时>700ms)。
根据第2部分的通用应用卡顿标准，可以通过丢帧比例和帧冻结数量，准确判断当前场景是否卡顿。并且通过定时截图，还可以根据截图定位卡顿的具体场景。

如上图所示，利用gfxinfo开发的检查卡顿的小工具，图中参数和卡顿说明如下：

根据上面对gfxinfo的帧信息解析，可以准确计算出每一帧的耗时。从而可以开发出满足腾讯PerfDog中关于普通卡顿和严重卡顿的判断。

依赖定时截图，即可准确定位卡顿场景。如下图所示（此处以PerfDog截图示例）：

通过第3部分的卡顿评估方法，我们可以定位到卡顿场景，但是如何定位到具体卡顿原因呢。

首先了解卡顿问题定位工具，然后再了解常见的卡顿原因，即可通过复现卡顿场景的同时，用工具去定位具体卡顿问题。

重点就是，充分利用gfxinfo输出的帧信息，对卡顿问题进行分类。

了解了高效定位卡顿的方法和卡顿问题定位工具，再熟悉一下常见的卡顿原因，可以更熟练的定位和优化卡顿。

SurfaceFlinger 负责 Surface 的合成，一旦 SurfaceFlinger 主线程调用超时，就会产生掉帧。
SurfaceFlinger 主线程耗时会也会导致 hwc service 和 crtc 不能及时完成，也会阻塞应用的 binder 调用，如 dequeueBuffer、queueBuffer 等。

后台进程活动太多，会导致系统非常繁忙，cpu \ io \ memory 等资源都会被占用，这时候很容易出现卡顿问题，这也是系统这边经常会碰到的问题。
mpsys cpuinfo 可以查看一段时间内 cpu 的使用情况：

当线程为 Runnable 状态的时候，调度器如果迟迟不能对齐进行调度，那么就会产生长时间的 Runnable 线程状态，导致错过 Vsync 而产生流畅性问题。

system_server 的 AMS 锁和 WMS 锁 , 在系统异常的情况下 , 会变得非常严重 , 如下图所示 , 许多系统的关键任务都被阻塞 , 等待锁的释放 , 这时候如果有 App 发来的 Binder 请求带锁 , 那么也会进入等待状态 , 这时候 App 就会产生性能问题 ; 如果此时做 Window 动画 , 那么 system_server 的这些锁也会导致窗口动画卡顿。

Android P 修改了 Layer 的计算方法 , 把这部分放到了 SurfaceFlinger 主线程去执行, 如果后台 Layer 过多，就会导致 SurfaceFlinger 在执行 rebuildLayerStacks 的时候耗时 , 导致 SurfaceFlinger 主线程执行时间过长。

主线程执行 Input \ Animation \ Measure \ Layout \ Draw \ decodeBitmap 等操作超时都会导致卡顿。

Activity resume 的时候, 与 AMS 通信要持有 AMS 锁, 这时候如果碰到后台比较繁忙的时候, 等锁操作就会比较耗时, 导致部分场景因为这个卡顿, 比如多任务手势操作。

应用里面涉及到 WebView 的时候, 如果页面比较复杂, WebView 的性能就会比较差, 从而造成卡顿。

如果屏幕帧率和系统的 fps 不相符 , 那么有可能会导致画面不是那么顺畅. 比如使用 90 Hz 的屏幕搭配 60 fps 的动画。

由上面的分析可知对象分配、垃圾回收(GC)、线程调度以及Binder调用是Android系统中常见的卡顿原因，因此卡顿优化主要以下几种方法，更多的要结合具体的应用来进行：

在计算机和通信领域，帧是一个包括“帧同步串行”的数字数据传输单元或数字数据包。
在视频领域，电影、电视、数字视频等可视为随时间连续变换的许多张画面，其中帧是指每一张画面。