深度技术分析“为什么ios比android流畅”

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Andorid更新了一个版本又一个版本，硬件从单核到双核到四核，系统流畅度总算基本能和iOS持平了。不过人们不禁会问，为什么都是基于Linux，两个系统会差别如此大？

为什么iPhone 4用单核处理器就能实现的流畅度，Android要高端双核才能保证？Android开发小组工程师Dianne Hackborn算是半官方回答了其中的一个缘由。
Dianne Hackborn表示，从界面UI本身的渲染而言，首先，Android从第一个版本就有使用图形硬件加速，例如通知栏拖拉，对话框的显示和切换等等。只不过在3.0之前的版本都不是采用完整的图形硬件加速。由于Android不是一个统一平台，各终端存在硬件差异，系统会自动调节动画的帧数。一个典型的例子就是，Nexus S可以实现到60fps的渲染，所以会足够流畅。但使用同样分辨率的里程碑，由于硬件(GPU)性能问题，它就无法提供足够的帧数来保证流畅了。这样，它的界面渲染帧数要低于60帧，我们使用起来就会偶尔感觉到“卡”。
而且，即使为UI开启硬件加速，OpenGL技术带来的内存开销会十分大，比如PowerVR的图形芯片，此时要消耗掉8MB内存，而UI程序本身都只要2MB内存，这太划不来了。所以，为了保证不同机型顺利运作，很多时候Android会采用CPU绘图运算代替硬件加速——注意，CPU还要干别的事情，让CPU来绘图只会拖慢速度。
在Android 4.0之前的版本，硬件加速是作为一个可选择的参数而存在（考虑到部分APP不支持）。但从4.0开始，这个选项将会被默认启用，开发小组已针对进行优化，即使不支持硬件加速程序运行也不会出现问题。
Dianne Hackborn最后表示，硬件加速不是提升流畅度的唯一手段。事实上Android开发小组已经使用很多技术例如改进渲染技术来提升流畅度，典型的例子就是Android 3.0的浏览器相比2.2有巨大进步。而随着4.0铺开，更多用户可以感受到这点。
Dianne Hackborn没有评价iOS是如何达到流畅的。不过大家注意，从iPhone 3GS开始，每一代iPhone的图形芯片（GPU）都相当强大（iPhone 3GS、iPhone 4、iPhone 4S的图形处理芯片均为同代手机最高水平），而且苹果iOS是封闭系统，我们猜测，苹果在这一方面并没有碰到Android那么多烦心事儿。
苹果A5处理器集成的PowerVR SGX543MP2图形处理器性能相当强大，几乎秒杀了Android阵营各类对手
而另一位软件工程师和前Google实习生Andrew Munn解释说是因为Android系统UI的框架设计的问题。
在iOS中UI渲染过程具有绝对的优先等级，当用户接触到iPhone的触摸屏后，iOS中所有的进程都将停止，系统会将所有资源用于渲染UI过程。而在Android系统中UI渲染过程的优先级别却没有那么高，也就是说当你触摸Android手机屏幕的时候，系统后台的程序并没有停止，仍然在继续运行之中，比如下载和查收短信，这样系统UI获得的资源就不够，这就是Android系统不流畅的原因。
由于这个原因，新发布的Galaxy Nexus，甚至配备四核处理器的话说EeePad Transformer Prime平板电脑都无法保证顺滑的操作体验，这些设备只能与3年前的iPhone顺滑程度相比，那么Android团队为什么不从根本解决这个问题呢?
实际上，Android的开发工作在第一代iPhone发布之前就已经开始了，原始Android原型体被设计成为使用键盘手机的设备，也就是黑莓手机的竞争对手。UI渲染优先级别在有键盘的手机上并没有那么重要。但是在iPhone发布之后，Android小组为了快速推出能与iPhone竞争的产品，迅速将Android改成触摸屏手机系统，但那时重写UI框架已经不可能了。因为如果这样Android应用市场中的所有程序将变得不可用，这种关系将一直处于恶性循环之中。难怪乔布斯在传记中表示Android是偷来的产品，哪怕苹果倾家荡产也要将其消灭。
自苹果收购了乔布斯的NeXT之后，花了六年把它打磨成了Mac OS X;又在2005年左右花了两年半时间，基于它制造了iOS。从各种意义上来说，iOS是一个传统技术的操作系统。它有一个基于微内核Mach的 Darwin内核，有一个叫做Cocoa Touch的运行时，用的是Objective-C这个C语言的超集。而Android在Linux内核之上，集成了一个Java虚拟机Dalvik，整个应用层跑在虚拟机之上，而开发语言用的是Java。
事实上双方的选择都是很有道理的。苹果有Mac OS X十年基础，当然会选择自己最精通的技术，把iOS打造成一个传统系统，也可以无缝链接Mac OS X的开发者资源。而谷歌没有任何操作系统经验，为了要争取最大的开发者资源，他们选择了世界上最大的Java社区。虽然起点相同，但走出的第一步方向就已经截然相反。
究其根底，只在于Java只有自动内存回收，而Objective-C自动与手动内存回收均可(注意iOS只有手动内存回收)。这小小的区别导致，谷歌只能做一个Java虚拟机，而苹果可以继续他们在Mac OS X上的经验。而这个行为导致了两者在系统流畅性上的最大区别。Java由于只有自动内存回收，系统会在任意时间停掉所有进程开始回收内存，这个过程是人类可以感受到的数百毫秒。而iOS由于可以手动管理内存，可以在用户操作的间歇由程序员进行回收，用户不会在频繁使用过程中感受到停顿。在日常使用中这个停顿其实是可以忍的，但是在游戏过程中这个停顿是不可以忍的，比如想像一下一只愤怒的小鸟在空中停顿了零点几秒再继续飞行。
谷歌事实上意识到了这个问题，于是它在Android 2.3版本中大修了这个问题并将之作为一个特性大书特书。且抛开2.3的普及性不谈，单说这个大修的行为，也并没有修好这个问题。于是谷歌抛出了第二个在开发上的修补：引入C/C++ NDK。可以说到了这一步， Android整个内核往上的应用层才有了与iOS抗衡的实力，可惜时间已经过去了近四年，iOS积累了十五年，Android刚刚起步。
而在内核之下呢?基于微内核Mach的Darwin 对比当今服务器主流Linux又如何?当年Linux创始人曾经与某位牛人吵过一场著名的架，正是关于微内核与内核对比，Linus一直到现在都认为微内核只是纸上谈兵而在现实中解决不了实际问题。在这场吵架之后的岁月，坚持内核的主流系统只剩下Linux一家，而微内核系统已经延展到了基于SVR4的IBM AIX/HP-UX，GNU/Hurd，Mac OS X，Blackberry QNX，Windows(是的，你没有看错)。Time will tell，这句话从来都没有错。Android三方ROM所困扰的驱动问题，正是Linux内核的最大局限，植根于骨子的病是治不好的。

下面是第三位谷歌内部工程师的关于Android图形系统的一些观点。
1. Android 一直在使用硬件加速。实际上从1.0版本之后，所有的窗口元素的合成与显示都是通过硬件完成的。
2.这意味着许多你所看见的动画都是被加速过的：按钮的显示、通知栏下拉的阴影、不同Activity之间的切换动画、弹出窗口以及提示框的显示和隐藏等等等等。
3.Android以前使用软件方式(与硬件加速相对应)来控制各个窗口元素的渲染，例如下图的UI，其中包括四个窗口组件：状态条、壁纸、桌面上的的启动器、以及菜单。如果其中一个元素更改了自身的内容，例如高亮一个菜单条目，对于3.0之前的版本，系统使用软件方式来绘制新的内容，然而并非所有的元素都需要被重新绘制，同时各个窗口元素的拼接也是通过硬件方式完成的。类似的，任何窗口的移动：例如菜单的上下运动是完全通过硬件方式渲染的。
4. 现在我们来关注窗口元素的内部渲染，实际上为了达到每秒60帧的FPS,你并不一定需要硬件加速。帧速取决于要显示的像素的数量以及CPU的速度。比如说，二儿子完全可以以60FPS的速度在它800*480分辨率的屏幕上完成任何普通的原生UI动画，例如列表的滚动等，完全没有问题。而最初的Droid系列却很难达到这样的速度。
5.在Android3.0中可以实现窗口的”完全”的硬件加速绘制。而在Android 4.0中也没有引入更多的功能。从3.0开始，如果在你的应用中设置了一个标志允许硬件加速，那么此时所有的窗口的绘制都会交给GPU来完成。在Android 4.0中最主要的改变就是：在面向Android4.0或更高版本的应用中，硬件加速是被默认开启的，再也不需要在配置文件中设置 android:handwareAccelerated=”true”.(而我们不允许之前的应用默认打开硬件加速，是因为光靠硬件加速，无法很好的完成某些特殊的绘制操作；同时在应用需要其中一部分UI更新的时候，会影响其的一些表现。对于目前现有的很多应用，强制开启硬件加速，会明显的中断应用的运行)
6.硬件加速并不如大家所认为的那样完美。例如在基于PVR驱动的设备上(比如二儿子跟三儿子)，光是在进程中开启OpenGL就得占用8M的RAM。对比一般进程的2M的开销实在是巨大。RAM是有限的，一大部分被拿去绘制，那么其他正在运行的进程就会因为缺少内存而出问题，比如降低应用间切换的速度。
7.由于OpenGL的额外开销，我们最好不要过多的使用其进行绘制。比如我们现在在做的一些工作，就是为了让Android 4.0能在不使用硬件加速的情况下流畅的在二儿子上使用：这样我们就不需要在系统进程中浪费8MB的内存用，也不需要在手机进程中浪费额外的8M内存，或者是在系统UI进程中的8MB内存等等等等。相信我，你不会注意到用OpenGL来绘制一些类似状态栏或是华丽的动画是完全没有好处的。
8.硬件加速并非流畅UI的“解药”。我们为了UI的流畅尝试了很多不同的方法，比如说在1.6中引入的对前台/后台进程的调度策略，在2.3中的对输入系统的重写，”严厉模式”的使用，并发的垃圾回收机制，载入器等等。如果你想达到60fps的帧速，你只有20毫秒的时间来处理每帧的内容。这时间实在不长，光是在UI进程中读取存储卡的操作产生的延时就会大于这个时限，尤其是在写操作的时候。
9.举些最近发现的一些影响UI流畅度的例子：我们注意到在二儿子上，使用4.0时列表的滚动就不如使用2.3时流畅。而导致这个现象的原因则是计时器的轻微漂移：有些时候应用正在接收触摸事件并在屏幕上绘制，而在上一个动作还没完成的的时候，就接受到下一个事件并开始绘制，导致它丢失了当前这帧。尽管发生这种现象的时候，帧速能达到稳定的60FPS.(当然，这个问题已经修正)
10.当人们比较Android跟IOS上浏览器的滚动流畅度的时候，他们所看见的差别并非开没开启硬件加速所导致。最初的时候，Android使用了一种完全不同的渲染策略，并做了一些折中：网页被转换成一个”显示列表“，持续的在屏幕上进行绘制，而非使用块(Tiles)的形式。它有一个优点：就是在滚动或是缩放的时候不会发生有的块还没被渲染出来的现象(译者注：早期的IOS上这种现象非常明显，快速滚动到底部时要等一会网页才会一块一块的绘制出来)。而这个方法的不给力之处就在于页面复杂的时候，帧速就明显低了。例如Android3.0，浏览器中现在开始使用块的方式进行渲染，于是它可以在滚动或是放大的时候保持一个稳定的帧速，自然也会出现新的块没有被立即渲染出来的情况。而每个块都是以软件方式绘制的，我相信在IOS中也是这样的。(在3.0之前的版本中，没有开启硬件加速，基于块的策略也可以使用。而且如我之前提到的，二儿子可以很容易的达到60FPS)
11.硬件加速不能如大家所想奇迹般的让绘制的问题统统消失。GPU的性能就是一个很重要的限制。最近一个很有趣的例子：基于英伟达的Tegra2的平板可以很容易的以60FPS的速度访问2.5次1280*800分辨率的屏幕中的任何一个像素。现在考虑到在Android 3.0中切换到所有应用列表的情形：你需要绘制背景(1x 所有的像素)、接着是快捷方式和桌面小工具(假设内容不多，花费0.5x)，接着是所有应用的黑色背景(1x)，接着是所有应用的ICON(0.5x)。显然，我们已经超过了原先的预算了，而此时我们还没完成各个独立窗口元素的拼接并做最后的显示。想要取得60FPS的动画，Android 3.0以及后续版本使用了一系列的小技巧。其中主要的一个就是：它将所有的窗口元素平铺在一个层中，而不是挨个拷贝到CPU的缓存中。但即使是这样，我们已然超出预算，幸好我们使用另一个技巧：因为Android中的背景是一个独立的窗口元素，我们可以将它设置的比屏幕更大来放置整幅位图，现在，用户开始滑动，背景跟着运动，此时并不需要任何特殊的绘制，仅仅是移动窗口即可，而由于这个窗口是在一个平铺层上，我们甚至不需要用GPU来将这个窗口元素组织到屏幕中输出。
12.随着屏幕分辨率的不断升高，能否达到60FPS跟GPU的速度尤其是内存总线带宽息息相关。事实上，如果你想要提升硬件的效力，特别注意要提升内存总线的带宽。很多时候CPU(特别是带有完美的NEON指令集的CPU)会比内存总线块的多。
有些人认为盖世兔已经有了一个非常流畅的UI并指出他们已经超越三儿子并做了很多改进。事实上，大家忽略了很多设备的差异，盖世兔的屏幕是480*800而三儿子是720*1280。如果二儿子在它480*800的屏幕上都能达到60FPS，拥有更NB的CPU的盖世兔必须得同样流畅嘛。而两者之间最大的差别就是三儿子需要同时绘制2.4倍于盖世兔的像素。这相当于在单核上提升到2.4倍的速度。(需要指出在UI渲染的时候，多核是没有意义的，因为渲染必须要在一个进程中完成，无法并行)
这就是为什么硬件加速非常重要：随着像素的提升，GPU通常能更好的处理图像的运算。事实上，这是我们在Android中引入硬件加速的最大动力。在720*1280的屏幕上，现有的ARM CPU达到60FPS很吃力，但是通过GPU渲染就不同了。同样，在与盖世兔的比较中，同时打开没有硬件加速的应用，在三儿子中无法达到盖世兔同样的60FPS，是因为它得渲染2.4倍于盖世兔的像素。
在最后，还得提及GPU的另外一个优势：许多绘制的效果变得更加容易。比如你要以软件形式绘制一个位图，你除了设置一个位移，不能做任何事。仅仅是缩小就得花上相当多的时间进行渲染。而在GPU中，此类转换则相当容易。这就是为神马新的默认主题Holo使用硬件加速绘制背景。而在没有开启硬件加速的应用中，此类背景会自动去掉~

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