Android 性能优化系列一

Rendering

Android系统每隔16ms发出VSYNC信号，触发对UI进行渲染，如果每次渲染都成功，这样就能够达到流畅的画面所需要的60fps，为了能够实现60fps，这意味着程序的大多数操作都必须在16ms内完成。如果某个操作花费时间是24ms，系统在得到VSYNC信号的时候就无法进行正常渲染，这样就发生了丢帧现象。那么用户在32ms内看到的会是同一帧画面。

有很多原因可以导致丢帧，也许是因为layout太过复杂，无法在16ms内完成渲染，有可能是因为你的UI上有层叠太多的绘制单元，还有可能是因为动画执行的次数过多。这些都会导致CPU或者GPU负载过重。

Overdraw

Overdraw(过度绘制)描述的是屏幕上的某个像素在同一帧的时间内被绘制了多次。在多层次的UI结构里面，如果不可见的UI也在做绘制的操作，这就会导致某些像素区域被绘制了多次。这就浪费大量的CPU以及GPU资源。

通过手机设置里面的开发者选项，打开 Show GPU Overdraw(调试GPU过度绘制) 的选项，可以观察UI上的Overdraw情况。

Overdraw有时候是因为你的UI布局存在大量重叠的部分，还有的时候是因为非必须的重叠背景。例如某个Activity有一个背景，然后里面的Layout又有自己的背景，同时子View又分别有自己的背景。

优化步骤:

• 移除Window默认的Background
• 移除XML布局文件中非必需的Background
• 按需显示占位背景图片

VSYNC

• Refresh Rate：代表了屏幕在一秒内刷新屏幕的次数，这取决于硬件的固定参数，例如60Hz。
• Frame Rate：代表了GPU在一秒内绘制操作的帧数，例如30fps，60fps。

通常来说，帧率超过刷新频率只是一种理想的状况，在超过60fps的情况下，GPU所产生的帧数据会因为等待VSYNC的刷新信息而被Hold住，这样能够保持每次刷新都有实际的新的数据可以显示。但是我们遇到更多的情况是帧率小于刷新频率。在这种情况下，某些帧显示的画面内容就会与上一帧的画面相同。

Profile GPU Rendering

打开手机里面的开发者选项，选择Profile GPU Rendering(GPU呈现模式分析)，选中On screen as bars的选项。

我们可以在手机画面上看到丰富的GPU绘制图形信息，分别关于StatusBar，NavBar，激活的程序Activity区域的GPU Rending信息。随着界面的刷新，界面上会滚动显示垂直的柱状图来表示每帧画面所需要渲染的时间，柱状图越高表示花费的渲染时间越长。

• 蓝色代表测量绘制Display List的时间
• 红色代表OpenGL渲染Display List所需要的时间
• 黄色代表CPU等待GPU处理的时间。

Why 60fps?

我们通常都会提到60fps与16ms，可是知道为何会是以程序是否达到60fps来作为App性能的衡量标准吗？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，当然超过60fps是没有必要的。

开发app的性能目标就是保持60fps，这意味着每一帧你只有16ms=1000/60的时间来处理所有的任务。

GPU 绘制

activity的画面是如何绘制到屏幕上的？那些复杂的XML布局文件又是如何能够被识别并绘制出来的？
CPU负责把UI组件计算成Polygons，Texture纹理，然后交给GPU进行栅格化渲染。

每次从CPU转移到GPU是一件很麻烦的事情，所幸的是OpenGL ES可以把那些需要渲染的纹理Hold在GPU Memory里面，在下次需要渲染的时候直接进行操作。所以如果你更新了GPU所hold住的纹理内容，那么之前保存的状态就丢失了。

在Android里面那些由主题所提供的资源，例如Bitmaps，Drawables都是一起打包到统一的Texture纹理当中，然后再传递到GPU里面，这意味着每次你需要使用这些资源的时候，都是直接从纹理里面进行获取渲染的。

为了能够使得App流畅，我们需要在每一帧16ms以内处理完所有的CPU与GPU计算，绘制，渲染等等操作。

layout, invalidate

任何时候View中的绘制内容发生变化时，都会重新执行创建DisplayList，渲染DisplayList，更新到屏幕上等一系列操作。这个流程的表现性能取决于你的View的复杂程度，View的状态变化以及渲染管道的执行性能。举个例子，假设某个Button的大小需要增大到目前的两倍，在增大Button大小之前，需要通过父View重新计算并摆放其他子View的位置。修改View的大小会触发整个HierarcyView的重新计算大小的操作。如果是修改View的位置则会触发HierarchView重新计算其他View的位置。如果布局很复杂，这就会很容易导致严重的性能问题。我们需要尽量减少Overdraw。

我们可以通过前面介绍的Monitor GPU Rendering来查看渲染的表现性能如何，另外也可以通过开发者选项里面的Show GPU view updates来查看视图更新的操作，最后我们还可以通过HierarchyViewer这个工具来查看布局，使得布局尽量扁平化，移除非必需的UI组件，这些操作能够减少Measure，Layout的计算时间。

Cliprect, QuickReject

针对高度自定义的UI组件则显得有些力不从心。

有一个窍门是我们可以通过执行几个APIs方法来显著提升绘制操作的性能。前面有提到过，非可见的UI组件进行绘制更新会导致Overdraw。例如Nav Drawer从前置可见的Activity滑出之后，如果还继续绘制那些在Nav Drawer里面不可见的UI组件，这就导致了Overdraw。为了解决这个问题，Android系统会通过避免绘制那些完全不可见的组件来尽量减少Overdraw。那些Nav Drawer里面不可见的View就不会被执行浪费资源。

对于那些过于复杂的自定义的View(重写了onDraw方法)，Android系统无法检测具体在onDraw里面会执行什么操作，系统无法监控并自动优化，也就无法避免Overdraw了。但是我们可以通过canvas.clipRect()来帮助系统识别那些可见的区域。这个方法可以指定一块矩形区域，只有在这个区域内才会被绘制，其他的区域会被忽视。这个API可以很好的帮助那些有多组重叠组件的自定义View来控制显示的区域。同时clipRect方法还可以帮助节约CPU与GPU资源，在clipRect区域之外的绘制指令都不会被执行，那些部分内容在矩形区域内的组件，仍然会得到绘制。

除了clipRect方法之外，我们还可以使用canvas.quickreject()来判断是否没和某个矩形相交，从而跳过那些非矩形区域内的绘制操作。做了那些优化之后，我们可以通过上面介绍的Show GPU Overdraw来查看效果。

Memory Churn and performance (内存管理)

虽然Android有自动管理内存的机制，但是对内存的不恰当使用仍然容易引起严重的性能问题。在同一帧里面创建过多的对象是件需要特别引起注意的事情。

Android系统里面有一个Generational Heap Memory的模型，系统会根据内存中不同的内存数据类型分别执行不同的GC操作。例如，最近刚分配的对象会放在Young Generation区域，这个区域的对象通常都是会快速被创建并且很快被销毁回收的，同时这个区域的GC操作速度也是比Old Generation区域的GC操作速度更快的。

执行GC操作的时候，所有线程的任何操作都会需要暂停，等待GC操作完成之后，其他操作才能够继续运行。
通常来说，单个的GC并不会占用太多时间，但是大量不停的GC操作则会显著占用帧间隔时间(16ms)。如果在帧间隔时间里面做了过多的GC操作，那么自然其他类似计算，渲染等操作的可用时间就变得少了。

导致GC频繁执行有两个原因：

• Memory Churn内存抖动，内存抖动是因为大量的对象被创建又在短时间内马上被释放。
• 瞬间产生大量的对象会严重占用Young Generation的内存区域，当达到阀值，剩余空间不够的时候，也会触发GC。即使每次分配的对象占用了很少的内存，但是他们叠加在一起会增加Heap的压力，从而触发更多其他类型的GC。这个操作有可能会影响到帧率，并使得用户感知到性能问题。

如果你在Memory Monitor里面查看到短时间发生了多次内存的涨跌，这意味着很有可能发生了内存抖动。

Garbage Collection in Android

原始JVM中的GC机制在Android中得到了很大程度上的优化。Android里面是一个三级Generation的内存模型，最近分配的对象会存放在Young Generation区域，当这个对象在这个区域停留的时间达到一定程度，它会被移动到Old Generation，最后到Permanent Generation区域。

每一个级别的内存区域都有固定的大小，此后不断有新的对象被分配到此区域，当这些对象总的大小快达到这一级别内存区域的阀值时，会触发GC的操作，以便腾出空间来存放其他新的对象。

GC所占用的时间和它是哪一个Generation也有关系，Young Generation的每次GC操作时间是最短的，Old Generation其次，Permanent Generation最长。执行时间的长短也和当前Generation中的对象数量有关，遍历查找20000个对象比起遍历50个对象自然是要慢很多的。

Memory Leaks

为了寻找内存的性能问题，Android Studio提供了工具来帮助开发者。

• Memory Monitor：查看整个app所占用的内存，以及发生GC的时刻，短时间内发生大量的GC操作是一个危险的信号。
• Allocation Tracker：使用此工具来追踪内存的分配，前面有提到过。
• Heap Tool：查看当前内存快照，便于对比分析哪些对象有可能是泄漏了的，请参考前面的Case。

Battery Performance (电量优化)

有下面一些措施能够显著减少电量的消耗：

• 应该尽量减少唤醒屏幕的次数与持续的时间，使用WakeLock来处理唤醒的问题，能够正确执行唤醒操作并根据设定及时关闭操作进入睡眠状态。
• 某些非必须马上执行的操作，例如上传歌曲，图片处理等，可以等到设备处于充电状态或者电量充足的时候才进行。
• 触发网络请求的操作，每次都会保持无线信号持续一段时间，我们可以把零散的网络请求打包进行一次操作，避免过多的无线信号引起的电量消耗。关于网络请求引起无线信号的电量消耗，还可以参考这里http://hukai.me/android-training-course-in-chinese/connectivity/efficient-downloads/efficient-network-access.html
• 我们可以通过手机设置选项找到对应App的电量消耗统计数据。我们还可以通过Battery Historian Tool来查看详细的电量消耗。

如果发现我们的App有电量消耗过多的问题，我们可以使用JobScheduler API来对一些任务进行定时处理，例如我们可以把那些任务重的操作等到手机处于充电状态，或者是连接到WiFi的时候来处理。 关于JobScheduler的更多知识可以参考http://hukai.me/android-training-course-in-chinese/background-jobs/scheduling/index.html