卡顿检测与 Choreographer 原理

news2025/5/17 16:24:38

一、卡顿检测的原理

卡顿的本质是主线程（UI 线程）未能及时完成某帧的渲染任务（超过 16.6ms，以 60Hz 屏幕为例），导致丢帧（Frame Drop）。检测卡顿的核心思路是监控主线程任务的执行时间。

常见检测方法：

主线程监控（Looper Printer）

原理：利用 Looper 的 Printer 机制，在每条消息处理前后打印日志，统计消息执行时间。

代码示例：

Looper.getMainLooper().setMessageLogging(printer -> {
    if (printer.startsWith(">>>>> Dispatching")) {
        startTime = System.currentTimeMillis();
    } else if (printer.startsWith("<<<<< Finished")) {
        long cost = System.currentTimeMillis() - startTime;
        if (cost > 16) reportBlock(cost);
    }
});

Choreographer FrameCallback

原理：通过向 Choreographer 注册 FrameCallback，在每一帧开始绘制时触发回调，计算帧耗时。

代码示例：

Choreographer.getInstance().postFrameCallback(new FrameCallback() {
    @Override
    public void doFrame(long frameTimeNanos) {
        long current = System.currentTimeMillis();
        if (lastFrameTime > 0) {
            long cost = current - lastFrameTime;
            if (cost > 16) reportJank(cost);
        }
        lastFrameTime = current;
        Choreographer.getInstance().postFrameCallback(this); // 持续监控
    }
});

Systrace/Perfetto
- 原理：系统级工具，通过插桩代码和内核事件，分析每一帧的耗时及卡顿原因。
BlockCanary 等开源库
- 原理：基于主线程监控，结合堆栈采样，定位耗时方法。

二、Choreographer 的工作原理

Choreographer 是 Android 渲染系统的核心协调者，负责接收 VSync 信号并调度 UI 渲染流程。

1. 核心职责

接收来自 SurfaceFlinger 的 VSync 信号（垂直同步信号，通常 60Hz）。
按优先级调度以下任务：
- INPUT（输入事件）
- ANIMATION（属性动画）
- TRAVERSAL（View 的 measure/layout/draw）
- COMMIT（提交渲染结果）

2. 关键流程

VSync 信号到达
- 由硬件或软件模拟生成，通知应用开始新一帧的渲染。
任务调度（Choreographer）
- Choreographer 根据 VSync 信号，依次触发注册的 FrameCallback。
- 调用 doFrame() 方法，依次处理输入、动画、视图遍历等任务。
UI 渲染阶段
- Measure/Layout/Draw：View 系统遍历视图树，生成绘制命令。
- Sync & Upload：将 UI 数据同步到 RenderThread。
- Draw：RenderThread 通过 OpenGL/Vulkan 将数据提交给 GPU。
提交到 SurfaceFlinger
- 最终由 SurfaceFlinger 合成所有 Layer，输出到屏幕。

3. 代码流程

// Choreographer 核心逻辑
void doFrame(long frameTimeNanos, int frame) {
    // 1. 计算掉帧情况
    if (jitterNanos >= mFrameIntervalNanos) {
        Log.w(TAG, "Frame time jitter: " + jitterNanos);
    }

    // 2. 按顺序处理任务
    mFrameInfo.markInputHandlingStart();
    doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_INPUT, frameTimeNanos);

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

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

    doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_COMMIT, frameTimeNanos);
}

三、卡顿与 Choreographer 的关系

卡顿的根本原因
- 主线程在 doFrame() 中执行的任务（如 View 绘制、动画计算）耗时过长，导致未能在下一个 VSync 信号到来前完成渲染。
Choreographer 的监控能力
- 通过 postFrameCallback 可以精确测量两帧之间的时间差，判断是否发生丢帧。
- 系统内部会统计 jankyFrames（掉帧数），并通过 onJankyFrames 回调通知应用。