导语：
在测试流畅度的过程中，必不可免的要与 FPS，Jank 等指标接触，但为了加深理解，今天来简单扒一扒安卓的渲染原理；
PerfDog 使用 Jank 作为来代表游戏流畅度的指标，详情可以看
APP&游戏需要关注 Jank 卡顿吗？

一.CPU 与 GPU 结构

现在大部分移动端都会配有 CPU（中央处理器）和 GPU（图形处理器），有的现在还有一块 NPU 用于处理智能运算。来简单看一下他们的结构；

绿色的是计算单元 (ALU)，
橙红色的是存储单元，
橙黄色的是控制单元。
CPU 需要很强的通用性来处理各种不同的数据类型，同时又要进行复杂的数学和逻辑运算，所以使得 CPU 的内部结构异常复杂；
CPU 被 Cache 占据了大量空间，还有很多复杂的控制逻辑和诸多优化电路，其实计算能力只是 CPU 很小的一部分，在早期的时候，CPU 除了做逻辑计算外，还负责内存管理、图形显示等操作因此在实际运算的时候性能会大打折扣，而且还不能显示复杂的图形，完全不能满足现在 3D 游戏的要求；所以 GPU 应运而生。
GPU 面对的则是类型高度统一的、相互无依赖的大规模数据和不需要被打断的纯净的计算环境，所以结构也大不相同。
GPU 采用了数量众多的计算单元和超长的流水线，但只有非常简单的控制逻辑并省去了 Cache，GPU 将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，主要负责图形显示部分的工作。

二.Android 系统绘图机制

现在的安卓终端通常在一个典型显示系统中首先由 CPU 发出图像绘制指令要让 GPU去画一个样式，但 CPU 不能直接和 GPU 通信，也要遵守相应的规则，就和现在我们干什么事都要走个流程一样的嘛，不能乱套；所以CPU 要先向 OpenGL ES 发送一些指令，表达要画一个样式，Opengl ES 是一组接口 API，** 通过这些 API 可以操作驱动，让 GPU 达到各种各样的操作；GPU 接收到这些命令，开始栅格化处理，把样式显示到屏幕中；

现在我们把应用加到显示流程里面来

在 Android 应用层通过 LayoutInflater 把布局 XML 文件映射成对象加载到内存中，此时这个 UI 对象含有大小，位置啦等等信息。然后 CPU 从内存中取出这个 UI 对象，再经过运算处理成多维的矢量图形，然后交给 GPU 去栅格化成位图，显示到屏幕上；
简单介绍一下矢量图和位图
矢量图：由一个函数来描述，这个函数描述了此图如何生成
位图：由像素点矩阵来描述

Android 系统每隔16ms就重新绘制一次 Activity，所以要求应用必须在 16ms 内完成屏幕刷新的全部逻辑操作，这样才能达到每秒 60 帧（60FPS），然而这个每秒帧数的参数由手机硬件所决定，现在大多数手机屏幕刷新率是 60 赫兹（是每秒中的周期性变动重复次数的计量），如果超过了 16ms 就会出现所谓的丢帧（1000ms/60=16.66ms）

三.一帧图像完整渲染过程

在 Android 应用程序窗口里面包含了很多视图（View）元素，这些元素是以树形结构来组织，最终构成所谓视图树的结构；
在绘制一个 Android 应用程序窗口的 UI 之前，要确定它里面的各个子 View 元素在父元素里面的大小以及位置。确定各个子 View 元素在父 View 元素里面的大小以及位置的过程又称为测量过程和布局过程。Android 应用程序窗口的 UI 渲染过程可以分为
Measure（测量）、Layout（布局）和 Draw（绘制）
三个阶段（由 ViewRootImpl 类的 performTraversals() 方法发起）

测量——递归（深度优先）确定所有视图的大小（高、宽）
布局——递归（深度优先）确定所有视图的位置
绘制——在画布 canvas 上绘制应用程序窗口所有的视图

经过多次绘制后，这一帧内要显示的所有 view 都已经被绘制完毕，注意绘制 View 层次结构这些操作是在图形缓冲区中绘制完成的；
此时就要把这个图形缓冲区被交给 SurfaceFlinger 服务

SurfaceFlinger 服务概述：

SurfaceFlinger 服务和其他系统服务一样是在 Android 系统的 System 进程里被启动并运行在其中的，主要负责统一管理设备中 Android 系统的帧缓冲区（Frame Buffer，简单理解为屏幕所显示出来的所有图形效果都是由它统一管理的），在SurfaceFlinger 服务启动的过程中会自动创建两个线程：其中一个线程用于监控控制台事件，另外一个线程则用于渲染系统的 UI；
Android 应用程序为了能够将自己的 UI 绘制在系统的帧缓冲区上，就需要将 UI 数据传递 SurfaceFlinger 服务并告知自己具体的 UI 数据（例如要绘制 UI 的区域、位置等信息），
Android 应用程序与 SurfaceFlinger 服务是运行在不同的进程中，所以相互间通过 Binder 机制进行通信，
大致可以分为 3 步：
1.首先是创建一个到 SurfaceFlinger 服务的连接，
2 通过这个连接来创建一个 Surface，
3.请求 SurfaceFlinger 服务渲染该 Surface（在 Android 应用的每个窗口对应一个画布（Canvas），也可以理解为 Android 应用程序的一个窗口）
在 APP 层我们对于这部分的无法进行任何的优化，这是 ROOM 做的工作。

简单来说就是当 Android 应用层在图形缓冲区中绘制好 View 层次结构后，应用层通过 Binder 机制与 SurfaceFlinger 通信并借助一块匿名共享内存会把这个图形缓冲区会被交给 SurfaceFlinger 服务。因为单纯的匿名共享内存在传递多个窗口数据时缺乏有效的管理，所以匿名共享内存就被抽象为一个更上流的数据结构 SharedClient，在每个 SharedClient 中，最多有 31 个 SharedBufferStack，每个 SharedBufferStack 都对应一个 Surface 即一个窗口。

帧缓存有个地址，是在内存里。我们通过不停的向 frame buffer 中写入数据， 显示控制器就自动的从 frame buffer 中取数据并显示出来。全部的图形都共享内存中同一个帧缓存。

四.VSync 机制

为了减少卡顿，Android 4.1(JB) 中已经开始引入 VSync（垂直同步）机制
简单来说就是 CPU/GPU 会接收 vsync 信号，Android 系统每隔 16ms 发出 Vsync 信号，触发对 UI 进行渲染（即每 16ms 显示一帧）
在 16ms 内需要完成两项任务：将 UI 对象转换为一系列多边形和纹理（栅格化）和 CPU 传递处理数据到 GPU。
但即使引入垂直同步机制也不是非常完美，如果某些原因导致 CPU 和 GPU 渲染某一帧画面的时间超过 16ms 时，Vsync 垂直同步机制会让硬件显示器等待，直到 GPU 完成栅格化操作，这就直接导致这一帧画面多停留了 16ms 甚至更长时间，让用户看起来画面停顿。