Janky frames 是如何計算出來的

mcxtzhang發表於2018-02-01

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背景

最近在做一些效能監控的工作，其中線下監控fps這一項，經過調研，最終採用dumpsys gfxinfo的方式。

在6.0+的手機中執行如下命令，

adb shell dumpsys gfxinfo 包名 
複製程式碼

可以得到一些log：

Applications Graphics Acceleration Info:
Uptime: 3820706382 Realtime: 3903615964

** Graphics info for pid 427 [包名] **

Stats since: 3820661771494092ns
Total frames rendered: 201
//重點關注物件
Janky frames: 76 (37.81%)
50th percentile: 6ms
90th percentile: 19ms
95th percentile: 61ms
99th percentile: 300ms
Number Missed Vsync: 14
Number High input latency: 0
Number Slow UI thread: 17
Number Slow bitmap uploads: 5
Number Slow issue draw commands: 60
........
//重點關注物件
	ActivityName/android.view.ViewRootImpl@d4c0f16 (visibility=0)
//每個Activity的每一幀的原始資料，包含每個階段的時間戳
---PROFILEDATA---
Flags,IntendedVsync,Vsync,OldestInputEvent,NewestInputEvent,HandleInputStart,AnimationStart,PerformTraversalsStart,DrawStart,SyncQueued,SyncStart,IssueDrawCommandsStart,SwapBuffers,FrameCompleted,
0,3820697872348436,3820697872348436,9223372036854775807,0,3820697872662836,3820697872693045,3820697872814399,3820697872932628,3820697873194607,3820697873228461,3820697873328982,3820697873869086,3820697876514920,
0,3820697889204506,3820697889204506,9223372036854775807,0,3820697889517524,3820697889547211,3820697889672211,3820697889801899,3820697890120649,3820697890156586,3820697890267524,3820697890787836,3820697892957628,
0,3820697906060465,3820697906060465,9223372036854775807,0,3820697906622211,3820697906650857,3820697906761795,3820697906888357,3820697907180024,3820697907215961,3820697907325857,3820697907809190,3820697909209190,
0,3820697922916378,3820697922916378,9223372036854775807,0,3820697923237315,3820697923265440,3820697923397732,3820697923533149,3820697923806586,3820697923837315,3820697923936795,3820697924388878,3820697927055024,
0,3820697939772285,3820697939772285,9223372036854775807,0,3820697940389920,3820697940418565,3820697940532628,3820697940652420,3820697940915961,3820697940948774,3820697941046690,3820697941496170,3820697943844086,
0,3820697956628358,3820697956628358,9223372036854775807,0,3820697956922732,3820697956952940,3820697957073774,3820697957197732,3820697957457107,3820697957490961,3820697957583149,3820697958036795,3820697959429503,
............
複製程式碼

其中有一項名為：Janky frames的資料引起了我們的興趣。

Janky frames該如何理解呢？參考官方文件1 的說明，似乎就是掉幀的數量。

可如果按照掉幀的數量來理解，這份log顯示的掉幀率高達37.81%，一個app如果近40%的幀都被skip，使用者不可能毫無感知。

但在我們測試時，沒有感覺到明顯的卡頓。（且根據原始資料，用另外一套計算方式，算出的幀率fps值也與掉幀率的百分比矛盾）

但這Janky frames畢竟是官方adb命令給出的值，具有一定的權威性，於是我們開始自我懷疑，

  • 是我們的眼睛沒有看出卡頓?
  • 是我們計算幀率fps的方式出現了問題？
  • ...

由於官方在log中並未給出實際fps的值，於是為了探究問題出在哪裡，也為了參考官方的計算標準，即如何判定一幀出現了janky,我便把黑手伸向了無辜的原始碼，畢竟原始碼之下，了無祕密。

遂，現在的目標是：

  • 找到adb shell dumpsys gfxinfo的原始碼
  • 找到原始碼裡關於Janky frame的計算方法

找到gfxinfo原始碼

經過搜尋，在Android dumpsys工具分析文中中得知，當我們執行adb shell dumpsys後，根據後面不同的引數，例如meminfo 、gfxinfo，實際上是通過ServiceManager->checkService(services[i])方法，從ServiceManager中取出對應服務的Binder物件，並最終通過service->dump(STDOUT_FILENO, args)呼叫對應服務Binder物件的dump()方法執行具體命令。

這些系統服務的註冊，是在AMS(ActivityManagerService.java)裡的setSystemProcess()裡完成的，

    public void setSystemProcess() {
        try {
            //在ServiceManager中註冊服務
            //"activity";
            ServiceManager.addService(Context.ACTIVITY_SERVICE, this, true);
            ServiceManager.addService(ProcessStats.SERVICE_NAME, mProcessStats);
            ServiceManager.addService("meminfo", new MemBinder(this));
            ServiceManager.addService("gfxinfo", new GraphicsBinder(this));
            ServiceManager.addService("dbinfo", new DbBinder(this));
            ...
        } catch (PackageManager.NameNotFoundException e) {
            throw new RuntimeException(
                    "Unable to find android system package", e);
        }
    }
複製程式碼

可以看到，我們熟悉的 "activity"、"meminfo"以及本文的主角"gfxinfo"都在其中註冊。

java層原始碼

順藤摸瓜，我們看看GraphicsBinder這個類以及它的dump()方法:

    static class GraphicsBinder extends Binder {
        ActivityManagerService mActivityManagerService;
        GraphicsBinder(ActivityManagerService activityManagerService) {
            mActivityManagerService = activityManagerService;
        }

        @Override
        protected void dump(FileDescriptor fd, PrintWriter pw, String[] args) {
            if (!DumpUtils.checkDumpAndUsageStatsPermission(mActivityManagerService.mContext,
                    "gfxinfo", pw)) return;
            //呼叫ams的dumpGraphicsHardwareUsage()方法
            mActivityManagerService.dumpGraphicsHardwareUsage(fd, pw, args);
        }
    }
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dump()方法很簡單，僅僅驗證許可權後呼叫ams的dumpGraphicsHardwareUsage()方法,繼續跟進：

    final void dumpGraphicsHardwareUsage(FileDescriptor fd,
            PrintWriter pw, String[] args) {
        //根據args引數，引數裡包含程式名 或者程式id，得到指定程式。 如果args引數裡不包含程式名，則得到所有程式
        ArrayList<ProcessRecord> procs = collectProcesses(pw, 0, false, args);
        //沒有符合條件的程式時的輸出
        if (procs == null) {
            pw.println("No process found for: " + args[0]);
            return;
        }
        //執行命令時的時間
        long uptime = SystemClock.uptimeMillis();
        long realtime = SystemClock.elapsedRealtime();
        pw.println("Applications Graphics Acceleration Info:");
        pw.println("Uptime: " + uptime + " Realtime: " + realtime);
        //迴圈程式列表
        for (int i = procs.size() - 1 ; i >= 0 ; i--) {
            ProcessRecord r = procs.get(i);
            if (r.thread != null) {
                pw.println("\n** Graphics info for pid " + r.pid + " [" + r.processName + "] **");
                pw.flush();
                try {
                    TransferPipe tp = new TransferPipe();
                    try {
                        //重點，執行每個程式的ApplicationThread的dumpGfxInfo()方法
                        r.thread.dumpGfxInfo(tp.getWriteFd(), args);
                        tp.go(fd);
                    } finally {
                        tp.kill();
                    }
                } catch (IOException e) {
                    pw.println("Failure while dumping the app: " + r);
                    pw.flush();
                } catch (RemoteException e) {
                    pw.println("Got a RemoteException while dumping the app " + r);
                    pw.flush();
                }
            }
        }
    }
複製程式碼

可以看到，我們關心的核心輸出(Janky frames部分)以程式區分，並在ApplicationThread.dumpGfxInfo()方法中輸出。 ApplicationThread在ActivityThread.java中，繼續跟進：

        @Override
        public void dumpGfxInfo(ParcelFileDescriptor pfd, String[] args) {
            //jni  ，janky frames輸出就在其中
            dumpGraphicsInfo(pfd.getFileDescriptor());
            // java方法，輸出 Profile data in ms: 後面的部分
            WindowManagerGlobal.getInstance().dumpGfxInfo(pfd.getFileDescriptor(), args);
            IoUtils.closeQuietly(pfd);
        }
        
    // ------------------ Regular JNI ------------------------
    private native void dumpGraphicsInfo(FileDescriptor fd);
複製程式碼

檢視WindowManagerGlobal.dumpGfxInfo()方法：

    public void dumpGfxInfo(FileDescriptor fd, String[] args) {
        FileOutputStream fout = new FileOutputStream(fd);
        PrintWriter pw = new FastPrintWriter(fout);
        try {
            synchronized (mLock) {
                final int count = mViews.size();

                pw.println("Profile data in ms:");

                for (int i = 0; i < count; i++) {
                    ViewRootImpl root = mRoots.get(i);
                    String name = getWindowName(root);
                    pw.printf("\n\t%s (visibility=%d)", name, root.getHostVisibility());

                    ThreadedRenderer renderer =
                            root.getView().mAttachInfo.mThreadedRenderer;
                    if (renderer != null) {
                        renderer.dumpGfxInfo(pw, fd, args);
                    }
                }

                pw.println("\nView hierarchy:\n");

                int viewsCount = 0;
                int displayListsSize = 0;
                int[] info = new int[2];

                for (int i = 0; i < count; i++) {
                    ViewRootImpl root = mRoots.get(i);
                    root.dumpGfxInfo(info);

                    String name = getWindowName(root);
                    pw.printf("  %s\n  %d views, %.2f kB of display lists",
                            name, info[0], info[1] / 1024.0f);
                    pw.printf("\n\n");

                    viewsCount += info[0];
                    displayListsSize += info[1];
                }

                pw.printf("\nTotal ViewRootImpl: %d\n", count);
                pw.printf("Total Views:        %d\n", viewsCount);
                pw.printf("Total DisplayList:  %.2f kB\n\n", displayListsSize / 1024.0f);
            }
        } finally {
            pw.flush();
        }
    }
複製程式碼

可知，其中輸出的是"Profile data in ms:"後面部分的log，所以，我們關心的部分就在JNI裡了。

C層原始碼

看到JNI我是抗拒的，本科時學的那些C、C++早已記不太清，一想到要看C層的原始碼，就覺得頭大。原本想溜，但是轉念一想，我只需要關注它對於"Janky frame"的計算方式，無外乎那些數學運算。只要重點關注函式呼叫處，搜尋關鍵字，說不定可以找到答案。於是，繼續跟進。

由於涉及C層的原始碼在AndroidStudio中檢視不了，下面的分析使用檢視framework原始碼網站進行。我全域性搜尋了關鍵字dumpGraphicsInfo,找到函式定義處：

Janky frames 是如何計算出來的
進入android_view_DisplayListCanvas.cpp檢視()：

Janky frames 是如何計算出來的
搜尋dumpGraphicsMemory：

Janky frames 是如何計算出來的
進入RenderProxy.cpp後，
Janky frames 是如何計算出來的
由於對c++不是很懂，這一塊的程式碼不是很懂，但是從全域性搜尋只有三處呼叫，而且從jankTracker的字樣上可以看出（這一步有一些連蒙帶猜）,這裡應該是正確的方向，繼續跟進： 在JankTracker.h檔案中：
Janky frames 是如何計算出來的
於是我們進入JankTracker.cpp中檢視dumpData（）方法的具體實現：

Janky frames 是如何計算出來的
看到這裡我是既興奮又痛苦。興奮的是我找到了最終log對應的輸出之處，痛苦的是，這裡僅僅是將ProfileData->jankFrameCount欄位輸出，看來革命之路還長，還要找到賦值的地方。

jankFrameCount 賦值之處

全域性搜尋->jankFrameCount呼叫之處，：

Janky frames 是如何計算出來的
發現僅在JankTracker.cpp中使用到,在addFrame（）函式中會遞增:

Janky frames 是如何計算出來的
可以看出，如果一幀的時間如果小於mFrameInterval，則return,那麼jankFrameCount不會遞增，即 每一幀的時間大於等於mFrameInterval，就是Janky frame

看來我們離答案已經很接近了，那麼mFrameInterval是多少呢？ 搜尋mFrameInterval是在setFrameInterval()中賦值的：

Janky frames 是如何計算出來的
setFrameInterval()在JankTracker初始化時呼叫:
Janky frames 是如何計算出來的
根據官方文件1以及官方視訊why60fps,重新整理頻率fps是60。所以可得frameIntervalNanos約等於16.67ms.

結論

至此我們可以得出結論，官方衡量Janky frames的標準：一幀的時間超過16.67ms。

想法

注：以下想法目前還沒有原始碼撐腰，並不一定正確，如有錯誤以及知情大佬，煩請指正，謝謝

有上述結論可以看出 Janky frames確實代表了這一幀的完整繪製時間太久，出現了問題，

那麼回到我們文首的問題，某些頁面的Janky frames高達近37.81%，為何我們沒有感到卡頓？以及為何算出來的fps並沒有低於37.2= 60*（1-0.38）?

關於這個問題，經過討論，有以下暫時的想法：

  • Android 5.0以後，加入了RenderThread，用於分擔UI Thread的部分繪製工作。即一幀的完整繪製時間 是由UIThread和RenderThread上的耗時相加得到的。
  • UI Thread在處理完input animation以及部分draw的工作後，將剩餘繪製工作交於RenderThread，UI Thread此時可以繼續處理下一個VSYNC到來時的工作。
  • RenderThread 以及三緩衝機制

Janky frames 是如何計算出來的

可以看出B先導致了一次視覺上的jank，C理論上也是jank的（相加時間超過了16.67ms），但是由於此時螢幕上顯示的是B，C雖然delay了一幀，但是由於C之前的B已經delay了一幀，所以C看起來仍然是緊跟著B顯示在螢幕上，而且A順利的在16.67ms完成了任務，緊跟著C繼續繪製了，則使用者在視覺上只少看到了一幀。

所以我們的想法是：

在Android5.0+,Janky frames 並不代表使用者視覺上的，顯示在螢幕上的丟幀率，但是它可以代表有問題的幀率，

即這些幀有問題，但最終由於三緩衝機制的背鍋，部分幀沒有最終影響到使用者，

所以實際上的fps值會高於 60*（1-掉幀率）.

這個問題後面也會繼續跟進，做到理據服。

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