破譯Android性能優化中的16ms問題
當你不能向六歲的兒童講清楚一件事的時候，說明你還沒有真正理解這件事。
Android應用有一個明顯的趨勢---越來越多地使用動畫效果來提升用戶體驗。但任何事情都是有代價的，豐富復雜的動畫提升用戶體驗的同時，性能問題像隱形的惡魔一樣，逐漸地侵蝕著你的應用。動畫不流暢、界面卡頓開始困擾著你，逼著你進行性能優化。在這個優化過程中，最理想的標準就是繪制一幀的時間不要超過16ms。這是什么意思？讓我們一探究竟。
一、屏幕刷新頻率
我們知道，手機屏幕是由許多的像素點組成的，如下圖所示：
lcd_pixels.jpg
通過讓每一個像素點顯示不同的顏色，可以組合成各種各樣的圖像。這些像素點的顏色數據從哪里來？
答案是：在GPU控制的一塊緩沖區中，這塊緩沖區叫做Frame Buffer（也就是幀緩沖區）。你可以把它簡單理解成一個二維數組，數組中的每一個元素對應著手機屏幕上的一個像素點，元素的值代表著屏幕上對應的像素點要顯示的顏色。
Frame Buffer中的數據是不斷變化的，為了應對這種變化，手機屏幕的邏輯電路會定期用Frame Buffer中的數據刷新屏幕上的像素點。目前，主流的刷新頻率是60次/秒，折算出來就是16ms刷新一次。
二、Frame Buffer中的數據是怎么來的？
GPU除了Frame Buffer，用以交給手機屏幕進行繪制外，還有一個緩沖區，叫Back Buffer，這個Back Buffer 用以交給你的應用，讓你往里面填充數據。GPU會定期交換Back Buffer和Frame Buffer，也就是讓Back Buffer 變成Frame Buffer交給屏幕進行繪制，讓原先的Frame Buffer變成Back Buffer交給你的應用進行繪制。交換的頻率也是60次/秒，這就與屏幕硬件電路的刷新頻率保持了同步。如下圖所示：
switch-buffer.png
三、丟幀是怎么發生的？
上面說GPU會定期交換Back Buffer和Frame Buffer，但有一個例外情況，當你的應用 正在 往Back Buffer中填充數據時，系統會將Back Buffer鎖定。如果到了GPU交換兩個Buffer的時間點，你的應用還在往Back Buffer中填充數據，GPU會發現Back Buffer被鎖定了，它會放棄這次交換，后果就是手機屏幕仍然顯示原先的圖像。
最不幸的情況是，GPU剛剛放棄這次交換，你的應用就完成了對Back Buffer的數據填充。可憐的你必須等待下一個16ms時間，才能看到這次數據填充的效果。
在這種情況下，從Back Buffer鎖定開始，也就是你的應用開始往Back Buffer中填充數據，到填充后的數據展示到屏幕上，需要的時間是32ms。
我們知道，所謂的應用往Back Buffer中填充數據，其實就是更新你的應用的Activity的界面。我們假設更新前后的界面是這樣的：
ball-bump.png
很簡單，也就是讓紅色的小球向上移動了一段距離。但由于你的應用沒能在16ms內完成界面更新，導致你的用戶盯著第一個屏幕看了32ms，然后發現小球“ 跳 ”到了一個新的高度，而不是平滑地移動到了新的高度。
上面所說的情況稱作“丟幀”。
四、作為開發者，怎樣優化應用避免丟幀？
作為應用開發者，為了讓用戶有流暢的動畫體驗，我們優化的目標就是不要丟幀，也就是在動畫進行的過程中，我們要確保更新一幀的時間不要超過16ms。那么，怎樣做才能盡可能接近這個目標呢？有如下幾個tips：
- 減少視圖層次，盡量使用扁平化的視圖布局，如使用RelativeLayout代替多層嵌套的LinearLayout。
- 減少不必要的View的invalidate調用。
- 去除View中不必要的background，因為許多background并不會顯示在最終的屏幕上。比如ImageView， 假如它顯示的圖片填滿了它的空間，你就沒有必要給它設置一個背景色。
以上是三個操作性很強的建議。好奇的你可能會問，這樣做的理由是什么？
前面說過，系統將Back Buffer 交給你的應用填充數據，實際過程是將Back Buffer鎖定后，將一個指向它的引用交給你的應用，這個引用就是一個Canvas對象。你的應用獲取這個Canvas對象后，會按照視圖層次從上往下遍歷傳給每一個View，View在onDraw方法中接收到的canvas對象就是它，如下：
proteced void onDraw(Canvas canvas)
View用這個canvas對象完成自己的繪制。每個View都完成自己的繪制后，才算完成了一幀的繪制。
減少視圖層次，可以減少傳遞canvas對象時間。
同時，Android提供的所有控件以及你自定義的控件，在onDraw方法中都會調用 super.onDraw方法，而在這個方法中會執行繪制background的操作，如果這個background最終不會顯示，繪制它顯然是在浪費時間。
關于第二點，減少不必要的invalidate調用，一方面是為了減少重繪，同時，也是為了配合GPU，最大限度地利用好緩存，這里涉及到GPU的工作細節，不展開了。
明白了原理，該怎么做你心里就會有數，比如在onDraw方法中，減少創建對象，尤其是復雜的對象等，都是為了縮短繪制的時間。
最后，你還應當明白，這16ms不是全給你繪制界面的，還有layout、measure呢，Android的一些子系統也要占用這寶貴的16ms完成一些自己的任務，真正留給你繪制自己的界面的時間肯定是少于16ms，你能做的就是盡可能減少自己的繪制時間。
好了，這篇文章中，我沒有涉及GPU工作的細節，目的是在屏蔽底層技術實現的同時讓每一個層次的Android開發者都能從整體上理解把握所謂的16ms。
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