Janky frames 是如何计算出来的

Posted 2023-02-05 张旭童

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背景

最近在做一些性能监控的工作，其中线下监控fps这一项，经过调研，最终采用dumpsys gfxinfo的方式。

在6.0+的手机中执行如下命令，

adb shell dumpsys gfxinfo 包名 

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
//重点关注对象
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
........
//重点关注对象
    ActivityName/android.view.ViewRootImpl@d4c0f16 (visibility=0)
//每个Activity的每一帧的原始数据，包含每个阶段的时间戳
---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,
............

其中有一项名为：Janky frames的数据引起了我们的兴趣。

Janky frames该如何理解呢？参考[官方文档1 ]的说明，似乎就是掉帧的数量。

可如果按照掉帧的数量来理解，这份log显示的掉帧率高达37.81%，一个app如果近40%的帧都被skip，用户不可能毫无感知。

但在我们测试时，没有感觉到明显的卡顿。（且根据原始数据，用另外一套计算方式，算出的帧率fps值也与掉帧率的百分比矛盾）

但这Janky frames毕竟是官方adb命令给出的值，具有一定的权威性，于是我们开始自我怀疑，
* 是我们的眼睛没有看出卡顿?
* 是我们计算帧率fps的方式出现了问题？
* …

由于官方在log中并未给出实际fps的值，于是为了探究问题出在哪里，也为了参考官方的计算标准，即如何判定一帧出现了janky,我便把黑手伸向了无辜的源码，毕竟源码之下，了无秘密。

遂，现在的目标是：
* 找到adb shell dumpsys gfxinfo的源码
* 找到源码里关于Janky frame的计算方法

找到gfxinfo源码

经过搜索，在Android dumpsys工具分析文中中得知，当我们执行adb shell dumpsys后，根据后面不同的参数，例如meminfo 、gfxinfo，实际上是通过ServiceManager->checkService(services[i])方法，从ServiceManager中取出对应服务的Binder对象，并最终通过service->dump(STDOUT_FILENO, args)调用对应服务Binder对象的dump()方法执行具体命令。

这些系统服务的注册，是在AMS(ActivityManagerService.java)里的setSystemProcess()里完成的，

    public void setSystemProcess() 
        try 
            //在ServiceManager中注册服务
            //"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);
        
    

可以看到，我们熟悉的 “activity”、”meminfo”以及本文的主角”gfxinfo”都在其中注册。

java层源码

顺藤摸瓜，我们看看GraphicsBinder这个类以及它的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;
            //调用ams的dumpGraphicsHardwareUsage()方法
            mActivityManagerService.dumpGraphicsHardwareUsage(fd, pw, args);
        
    

dump()方法很简单，仅仅验证权限后调用ams的dumpGraphicsHardwareUsage()方法,继续跟进：

    final void dumpGraphicsHardwareUsage(FileDescriptor fd,
            PrintWriter pw, String[] args) 
        //根据args参数，参数里包含进程名 或者进程id，得到指定进程。 如果args参数里不包含进程名，则得到所有进程
        ArrayList<ProcessRecord> procs = collectProcesses(pw, 0, false, args);
        //没有符合条件的进程时的输出
        if (procs == null) 
            pw.println("No process found for: " + args[0]);
            return;
        
        //执行命令时的时间
        long uptime = SystemClock.uptimeMillis();
        long realtime = SystemClock.elapsedRealtime();
        pw.println("Applications Graphics Acceleration Info:");
        pw.println("Uptime: " + uptime + " Realtime: " + realtime);
        //循环进程列表
        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 
                        //重点，执行每个进程的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();
                
            
        
    

可以看到，我们关心的核心输出(Janky frames部分)以进程区分，并在ApplicationThread.dumpGfxInfo()方法中输出。
ApplicationThread在ActivityThread.java中，继续跟进：

        @Override
        public void dumpGfxInfo(ParcelFileDescriptor pfd, String[] args) 
            //jni  ，janky frames输出就在其中
            dumpGraphicsInfo(pfd.getFileDescriptor());
            // java方法，输出 Profile data in ms: 后面的部分
            WindowManagerGlobal.getInstance().dumpGfxInfo(pfd.getFileDescriptor(), args);
            IoUtils.closeQuietly(pfd);
        

    // ------------------ Regular JNI ------------------------
    private native void dumpGraphicsInfo(FileDescriptor fd);

查看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();
        
    

可知，其中输出的是”Profile data in ms:”后面部分的log，所以，我们关心的部分就在JNI里了。

C层源码

看到JNI我是抗拒的，本科时学的那些C、C++早已记不太清，一想到要看C层的源码，就觉得头大。原本想溜，但是转念一想，我只需要关注它对于”Janky frame”的计算方式，无外乎那些数学运算。只要重点关注函数调用处，搜索关键字，说不定可以找到答案。于是，继续跟进。

由于涉及C层的源码在AndroidStudio中查看不了，下面的分析使用查看framework源码网站进行。我全局搜索了关键字dumpGraphicsInfo,找到函数定义处：

进入android_view_DisplayListCanvas.cpp查看()：

搜索dumpGraphicsMemory：

进入RenderProxy.cpp后，

由于对c++不是很懂，这一块的代码不是很懂，但是从全局搜索只有三处调用，而且从jankTracker的字样上可以看出（这一步有一些连蒙带猜）,这里应该是正确的方向，继续跟进：
在JankTracker.h文件中：

于是我们进入JankTracker.cpp中查看dumpData（）方法的具体实现：

看到这里我是既兴奋又痛苦。兴奋的是我找到了最终log对应的输出之处，痛苦的是，这里仅仅是将ProfileData->jankFrameCount字段输出，看来革命之路还长，还要找到赋值的地方。

jankFrameCount 赋值之处

全局搜索->jankFrameCount调用之处，：

发现仅在JankTracker.cpp中使用到,在addFrame（）函数中会递增:

可以看出，如果一帧的时间如果小于mFrameInterval，则return,那么jankFrameCount不会递增，即 每一帧的时间大于等于mFrameInterval，就是Janky frame

看来我们离答案已经很接近了，那么mFrameInterval是多少呢？
搜索mFrameInterval是在setFrameInterval()中赋值的：

setFrameInterval()在JankTracker初始化时调用:

根据官方文档1以及官方视频why60fps,刷新频率fps是60。所以可得frameIntervalNanos约等于16.67ms.

结论

至此我们可以得出结论，官方衡量Janky frames的标准：一帧的时间超过16.67ms。

想法

注：以下想法目前还没有源码撑腰，并不一定正确，如有错误以及知情大佬，烦请指正，谢谢

有上述结论可以看出 Janky frames确实代表了这一帧的完整绘制时间太久，出现了问题，

那么回到我们文首的问题，某些页面的Janky frames高达近37.81%，为何我们没有感到卡顿？以及为何算出来的fps并没有低于37.2= 60*（1-0.38）?

关于这个问题，经过讨论，有以下暂时的想法：

• Android 5.0以后，加入了RenderThread，用于分担UI Thread的部分绘制工作。即一帧的完整绘制时间 是由UIThread和RenderThread上的耗时相加得到的。
• UI Thread在处理完input animation以及部分draw的工作后，将剩余绘制工作交于RenderThread，UI Thread此时可以继续处理下一个VSYNC到来时的工作。
• RenderThread 以及三缓冲机制

可以看出B先导致了一次视觉上的jank，C理论上也是jank的（相加时间超过了16.67ms），但是由于此时屏幕上显示的是B，C虽然delay了一帧，但是由于C之前的B已经delay了一帧，所以C看起来仍然是紧跟着B显示在屏幕上，而且A顺利的在16.67ms完成了任务，紧跟着C继续绘制了，则用户在视觉上只少看到了一帧。

所以我们的想法是：

在Android5.0+,Janky frames 并不代表用户视觉上的，显示在屏幕上的丢帧率，但是它可以代表有问题的帧率，

即这些帧有问题，但最终由于三缓冲机制的背锅，部分帧没有最终影响到用户，

所以实际上的fps值会高于 60*（1-掉帧率）.

这个问题后面也会继续跟进，做到理据服。