Framework UI机制之Choreographer编舞者

Choreographer（编舞者）

Choreographer（编舞者）是 Android 系统中的一个重要组件，用于协调和管理界面的动画和渲染操作的时机。它负责在界面上正确地处理和同步动画、布局和绘制操作，以保证流畅的用户体验。

Choreographer主要作用

动画调度：Choreographer 调度和管理应用程序中的动画效果。它确保动画按照预定的帧率和时间表进行播放，并平滑地过渡到下一个动画阶段。
布局请求：当视图需要进行布局操作时，Choreographer 发出布局请求并协调布局操作的执行。它确保将布局请求与其他动画和绘制操作同步，避免冲突和界面不一致。
绘制同步：Choreographer 负责将绘制操作与显示器的刷新同步。它通过监听系统的 VSYNC（垂直同步）信号，确定绘制操作的时机，以避免图形撕裂和卡顿现象。
输入事件处理：Choreographer 管理和分发用户输入事件，确保它们在正确的时间点被处理，并与动画和渲染操作同步。这有助于提供更流畅和响应敏捷的用户交互体验。

VSYNC信号的本质意义

它的工作原理基于 VSYNC（垂直同步）信号，而 VSYNC 信号的本质意义在于保证界面的流畅性和稳定性。

VSYNC 是一个硬件信号，它与显示器的刷新频率相对应，通常为每秒60次（60Hz）。每当屏幕进行一次垂直刷新时，VSYNC 信号被发出，作为显示器和图形引擎之间的时间同步标准。

编舞者（Choreographer）的任务是根据 VSYNC 信号的触发来调度和同步界面的动画和渲染操作。它使用了以下几种机制来实现流畅的界面渲染：

垂直同步（VSYNC）：Choreographer 监听系统发送的 VSYNC 信号。每当收到 VSYNC 信号时，Choreographer 知道屏幕即将进行一次刷新。这样，它可以根据 VSYNC 信号的时间点来安排动画和渲染操作的触发和执行。
时间戳（Timestamping）：Choreographer 在收到 VSYNC 信号时，会获取一个时间戳，以记录每次 VSYNC 信号的时间点。这个时间戳可以用于计算动画和渲染操作的时机和持续时间，从而在合适的时机进行调度和执行。
界面刷新（Frame Refresh）：Choreographer 使用 VSYNC 信号和时间戳来决定界面的刷新时机。它根据预定的逻辑和优先级，调度动画、布局和绘制操作，以确保它们在下一次 VSYNC 信号到来之前完成。这样可以避免界面的撕裂或卡顿现象，提供流畅的用户体验。

Surfaceflinger对信号的返回本质

SurfaceFlinger 是 Android 系统中负责图形渲染的服务组件，它在图形层级中起着关键作用。SurfaceFlinger 的返回信号本质上是用于同步图形渲染和显示的。

当 Choreographer 调度完成动画和渲染操作后，它会将渲染结果提交给 SurfaceFlinger，然后等待 SurfaceFlinger 的返回信号。这个返回信号通常称为图形层导航栏（HWC-VSYNC）信号。

SurfaceFlinger 接收到图形层导航栏信号时，会开始将渲染结果合成并显示在屏幕上。合成过程包括将各个应用程序的窗口内容合并为一个帧缓冲区，然后将帧缓冲区的内容传输到显示器的视频输出。

返回信号的主要目的是在图形渲染和显示之间进行同步，以避免图像撕裂、卡顿或不同步的情况发生。通过等待图形层导航栏信号的返回，Choreographer 可以确保渲染操作在正确的时间点提交给 SurfaceFlinger，从而与屏幕刷新同步。

在整个流程中，Choreographer 和 SurfaceFlinger 的协同工作保证了视图的动画、布局和绘制操作的准确显示。通过正确处理图形层导航栏信号的返回，Android 系统能够提供流畅的界面渲染和动画效果，提升用户体验

Choreographer如何做到帧率控制与绘制同步？

它通过以下方式实现这两个目标：

垂直同步（VSYNC）信号：Choreographer 通过监听系统的 VSYNC 信号来进行帧率控制和绘制同步。VSYNC 信号是一个硬件信号，表示显示器每次垂直刷新的时机。Choreographer 通过与 VSYNC 信号的同步来确定每一帧绘制的时机。
时间戳（Timestamp）：当 Choreographer 收到 VSYNC 信号时，它会获取一个时间戳（Timestamp）。时间戳记录了 VSYNC 信号的发生时间点，以及绘制操作的时机。利用时间戳，Choreographer 可以计算出两次 VSYNC 信号之间的时间间隔，从而控制绘制的频率。
Choreographer 的调度机制：Choreographer 使用时间戳和预定的帧率逻辑，调度和控制各个动画和绘制操作的触发和执行时机。它确保这些操作在下次 VSYNC 信号到来之前完成，以避免帧的丢失或绘制的延迟。
双缓冲（Double Buffering）机制：Choreographer 使用双缓冲机制来提高绘制效率和避免界面撕裂。双缓冲意味着绘制操作先在一个离屏缓冲区（Off-screen Buffer）中进行，然后在合适的时机将绘制结果复制到屏幕上。这样可以保持界面的稳定性和一致性。

帧率控制与绘制同步示例

当编写 Android 应用程序时，可以利用 Choreographer 来实现帧率控制和绘制同步。下面是一个简单的实战示例，展示如何使用 Choreographer 来控制动画的帧率和绘制同步：

public class MyAnimationView extends View {
    private static final long FRAME_INTERVAL = 16; // 目标帧率为每秒60帧，所以每帧时间为16毫秒

    private Choreographer mChoreographer;
    private long mLastFrameTime;

    public MyAnimationView(Context context) {
        super(context);
        mChoreographer = Choreographer.getInstance();
    }

    @Override
    protected void onDraw(Canvas canvas) {
        // 绘制你的动画内容

        // 请求下一帧绘制
        mChoreographer.postFrameCallback(frameCallback);
    }

    private Choreographer.FrameCallback frameCallback = new Choreographer.FrameCallback() {
        @Override
        public void doFrame(long frameTimeNanos) {
            // 计算距离上次帧的时间间隔
            long currentTime = TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(frameTimeNanos);
            long elapsedTime = currentTime - mLastFrameTime;
            mLastFrameTime = currentTime;

            // 控制帧率
            if (elapsedTime >= FRAME_INTERVAL) {
                // 进行绘制操作
                invalidate();
            } else {
                // 继续等待下一帧
                mChoreographer.postFrameCallback(this);
            }
        }
    };
}

在上述示例中，MyAnimationView 是一个自定义的 View，用于绘制动画。在 onDraw() 方法中，我们绘制了动画的内容。然后，我们通过 Choreographer.postFrameCallback() 请求下一帧的绘制。

在 frameCallback 中，我们使用 Choreographer 的 FrameCallback 接口来处理每一帧的回调。首先，我们计算距离上一帧的时间间隔 elapsedTime。然后，我们根据目标帧率和实际时间间隔决定是否进行绘制操作。

如果经过了足够的时间（大于等于每帧时间16毫秒），我们进行绘制操作，并调用 invalidate() 方法通知 View 进行重绘。否则，我们继续等待下一帧，通过 mChoreographer.postFrameCallback(this) 请求再次调用 frameCallback，直到满足绘制的时间间隔。

通过这种方式，我们可以控制动画的帧率，并与 VSYNC 信号同步绘制，从而实现流畅的动画效果和绘制同步。

本文主要讲解在framework UI绘制中的 Choreographer编舞者，主要讲了 Choreographer实现帧率控制与绘制同步。有关更多的UI机制学习或者framework进阶，可以参考《framework全家桶》点击可以查看详细类目。

文末

UI（用户界面）机制是指框架（Framework）中用于构建用户界面的一系列规则、组件、工具和模式。这些机制提供了一种结构化和可扩展的方法，使开发人员能够设计、构建和管理用户界面的各个方面。

在一个框架中，UI机制通常包括以下几个方面：

组件层次结构：UI机制定义了组件（Component）之间的层次结构关系。它规定了如何将小组件组合成更复杂的组件，以构建整个用户界面。组件层次结构确定了每个组件的父子关系、布局和交互方式。
布局和定位：UI机制提供了布局和定位的方式，用于确定组件在用户界面中的位置和大小。布局机制可以使用不同的算法和容器，例如线性布局、网格布局或绝对定位。通过使用布局和定位，开发人员可以灵活地设计界面的外观和布局。
视图管理：UI机制提供了视图管理的方法，用于管理显示在用户界面上的视图。它可以包括视图的创建、销毁、显示、隐藏和更新等操作。视图管理机制确保用户界面的状态与应用程序数据的状态保持同步。
事件处理：UI机制允许开发人员定义和处理用户界面上的事件，例如点击、滚动、拖拽等用户交互行为。通过事件处理机制，开发人员可以响应用户的操作，并执行相应的业务逻辑或界面更新操作。
样式和主题：UI机制支持样式和主题的定义和应用。通过样式和主题机制，开发人员可以定义和管理界面元素的外观、颜色、字体、动画和其他视觉属性。这使开发人员能够以统一的方式定义和应用界面的外观样式，提供一致的用户体验。