例说 Constraint Layout（三）—— 性能测评

原创 opalli 腾讯光影研究室

0 引言

去年写完《例说 Constraint Layout（一）—— 概论》后过去一年多了，怎么《例说》的（二）、（三）就“难产”了？究其根本的原因，一是尝试实测 Constraint Layout（CL）性能时，用 DDMS（Dalvik Debug Monitor Service）查看后发现性能没有明显提升；二则官方也说，如果项目中原有的布局没有性能问题的话，不必切换成 CL，又正好面临安装包过大的问题，就没有引入 CL；三是测试一次性能特别麻烦，忙起来就拖到新版的 AS 甚至不集成 DDMS 了（用命令行去 Platform 下也打不开了）。幸好这时候遇到了《Understanding the performance benefits of ConstraintLayout》^[1]这篇文章（作者为 Google 工作，也是可伸缩布局 FlexboxLayout 的作者），本文参照了其测试方式，全面地对 CL 的性能进行了评测。本文结论浓缩成一句话的话，就是：在各种页面设计下，提升有多有少，但 CL 的性能确实是最佳的！正文详细讨论了测试方法并分析了不同情况的测量结果，有时间的读者且听我细细道来，没有的记住上一句总结即可:)

1 概述

1.1 评判 Layout 性能好坏的标准

先简单介绍一下本文用于评判 Layout 性能好坏的依据。在 Android 中，加载布局并最终将其绘制到屏幕上的过程主要包括 3 步：

测量（Measure）
布局（Layout）
绘制（Draw）

这三个步骤都是从布局的根节点开始，自顶向下遍历视图树完成的。

就像《例说 Constraint Layout（一）》中提到的，RelativeLayout（RL）需要至少调用两次子 View 的onMeasure()方法才能完全确定布局中所有 View 的尺寸和位置，使用了 android:layout_weight 属性的 LinearLayout、使用了android:stretchColumns/android:shrinkColumns的 TableLayout，也都需要遍历两次子 View 的onMeasure()方法。随着布局层级的叠加，Measure 的耗时也呈指数型地增加。可以预期到更加扁平化的 CL 布局，其最主要的性能提升在于 Measure 阶段的速度提高，本文的测量也主要专注于测量 onMeasure 阶段的耗时。

又因为 CL 的灵活性，比起传统布局它可以省略中间不必要的一些 View 或 ViewGroup，所以其 Layout 和 Draw 速度也会有一定小幅提升^[2]。结合考虑到测量的方便性，本文将 Layout 的耗时也纳入了考量。

1.2 采用的性能比较方法

下面简单介绍一下本文用到的性能测量方式。我最开始尝试使用的是 DDMS，使用其统计得到布局耗费的 onMeasure & onLayout 时间，后来也尝试过使用 AS 新功能：Android Profiler 的 CPU Profiler 来测量，这两种方式测得的效果都不太理想，无法看出 CL 比其它布局更快速。推测下来由三个原因造成：

像 Android Profiler 这种测量工具，本来就极其消耗计算机的资源，相信小伙伴们使用的时候也发现了，打开工具后AS 界面会明显出现卡顿。所以其测量本身会对测量结果有影响，CL 同其他布局间性能上几毫秒的微妙差异，相比起使用 Android Profiler 对测量环境的人明显可感知到的影响，完全可以忽略不计；
万年非酋作者天赋技能触发，虽然根据理论选择了理应性能比较差的布局同 CL 比较，但是最后证明这种情况下 CL 的性能提升最少（平均仅比十分之一略多，下文会具体分析），看到的细微差别也就容易被我当成误差忽略了；
打开一个 Activity，统计其 Measure 和 Layout 的时间实在不是一个好方法，即使可以测量十次求平均，但这种方式统计繁琐，单词测量数据量小，效率太低了。

OnFrameMetricsAvailableListener

所以我最终放弃了前述的两种方式，而参照《Understanding the performance benefits of ConstraintLayout》^[1]中的测量方法，使用 Android API Level 24 引入的OnFrameMetricsAvailableListener接口来比较各布局 Measure 和 Layout 的耗时之和。在代码中使用OnFrameMetricsAvailableListener的代码如下：

private val frameMetricsHandler = Handler()
private val frameMetricsAvailableListener = Window.OnFrameMetricsAvailableListener {
    _, frameMetrics, _ ->    val frameMetricsCopy = FrameMetrics(frameMetrics)    // Layout measure duration in Nano seconds
    val layoutMeasureDurationNs = frameMetricsCopy.getMetric(FrameMetrics.LAYOUT_MEASURE_DURATION)
    Log.d(TAG, "layout_Measure(ns): " + layoutMeasureDurationNs)
}
……
override fun onResume() {    
    super.onResume()
    window.addOnFrameMetricsAvailableListener(frameMetricsAvailableListener, frameMetricsHandler)
}
override fun onPause() {    
    super.onPause()
    window.removeOnFrameMetricsAvailableListener(frameMetricsAvailableListener)
}

我们的关注点在于测量/布局的性能，因此使用了FrameMetrics.LAYOUT_MEASURE_DURATION，FrameMetrics的其他可测量时长详见官方文档^[4]。

加入了前述代码后，在获取到时间信息之后，就会触发frameMetricsAvailableListener()回调。

为了使结果更精确，每一个布局的一次测量都是绘制 100 次取平均的结果。即每 100 ms，切换一下根节点的 MeasureSpec（match_parent 和固定值间切换，以确保整个布局被重新测量和布局），切换 100 次后，计算平均耗时。代码如下：

private fun measureAndLayoutWrapLength(round: Int?, container: ViewGroup, w: Int, h: Int) {    val widthMeasureSpec = View.MeasureSpec.makeMeasureSpec(w, View.MeasureSpec.AT_MOST)    val heightMeasureSpec = View.MeasureSpec.makeMeasureSpec(h, View.MeasureSpec.AT_MOST)
    container.measure(widthMeasureSpec, heightMeasureSpec)
    container.layout(0, 0, container.measuredWidth, container.measuredHeight)
}
private fun measureAndLayoutExactLength(round: Int?, container: ViewGroup, w: Int, h: Int) {    val widthMeasureSpec = View.MeasureSpec.makeMeasureSpec(w, View.MeasureSpec.EXACTLY)    val heightMeasureSpec = View.MeasureSpec.makeMeasureSpec(h, View.MeasureSpec.EXACTLY)
    container.measure(widthMeasureSpec, heightMeasureSpec)
    container.layout(0, 0, container.measuredWidth, container.measuredHeight)
}

环境

除了最后部分比较 CL 不同版本用到了 ConstraintLayout 1.1.3 版本，其余测量均使用 CL 1.0.2 版本；
测试机用的是小米 5；
不同的 UI 界面可能不是同一天测量的，但是同一个 UI 界面用于比较的、分别用 CL 和传统布局实现的界面必然是一起测量的，以确保机器处于相同状态；
重点重申：每一个结果都是间隔 100 ms 、测一百次的结果的平均。

2 实测

2.1 官方 Demo 页面

先来看看官方 Demo 中的页面，其 CL 和传统布局耗时的对比。布局真实的展示效果见 Fig. 1，左边为传统布局，右边为约束布局。为了和《Understanding the performance benefits of ConstraintLayout》^[1]文中的结果对比，即使文中的 CL 和传统 RL 的展示效果略有不同，也没有改写布局文件使两者保持一致。而后文对比的我自己创建的布局，会尽我所能使其展示效果保持相同。

Fig. 1 性能测试用 Demo 中的传统 Layout 和 CL

上面两个布局 100 次 Measure + Layout 平均耗时对比如下：

Fig.2 Demo 中 CL 和传统 Layout 耗时对比

第一次安装完跑下来发觉 CL 性能的提升只有 21% 左右，只有《Understanding the performance benefits of ConstraintLayout》^[1]文中结果 40% 的一半，因为效果不够好，又连续多测了几次，并尝试采用不同的根节点的 MeasureSpec 固定值时的尺寸（全屏和 1080*1920）。可以看到之后几次测量，传统布局和约束布局的时间都有提升，且约束布局的提升特别明显，其性能比传统布局提高了 65% 以上。所以，即使采用了 100 次取平均，手机当时的状态对测量结果还是有很大影响的，后文也尝试在不同天进行测试，结果也确实不同，我们可以做的就是用于比较的两个布局的数据，必须在同一段短时间内测量（本文所有比较数据都在一分钟以内测量完成）。Demo 的例子中，虽然手机状态有所变化，但可以肯定的是，CL 要比传统布局更快。

另，此节中页面根节点的 MeasureSpec 固定值时的尺寸不同，对结果并没有影响；而 2.4 节中，此值对结果则有一定影响。

2.2 磁贴风 LL（weight）和 CL

既然验证了《Understanding the performance benefits of ConstraintLayout》^[1]一文的结果，我们回过头来看看我最开始使用 DDMS 和 Android Profiler 的 CPU Profiler 来比较，并没有得到明显性能差异的页面。这个页面是仿造 Windows 磁贴风写的，手机上显示效果如下，左边是 LL，右边是 CL：

Fig. 3 性能测试用磁贴风的传统 LL (weight) 和 CL

当初选择这个样式其实是经过思考的，根据 Android 源代码，使用了android:layout_weight属性的线性布局的子节点必须遍历两遍 Measure，理应性能比较差，且层级越深，性能越差。Fig. 4 左边展示了 LL 布局前半部分的层级结构，可以看到仅仅是前半部分，层级就很复杂了，每一层都是通过使用了android:layout_weight属性的 LL 实现的，多层嵌套，最多可以达到 7 层，即其叶节点会跑 2^6 次 OnMeasure 方法。

而 CL 则是扁平的单层结构（见 Fig. 4 右半边），使用了 Guideline 方式来实现磁贴风效果，同 LL 相比大体结构一致，仅细微处（黑边粗细）略有不同。

Fig. 4 磁贴风的传统 LL (weight) 和 CL 的层级结构

然而和预期的不太一样，CL 的性能提升并没有想象的多，平均只有 10% 左右，见下图 Fig. 5。如此小的差距，使用对手机环境影响比较大的 DDMS 或 CPU Profiler 确实会无法对性能提高和误差加以区分辨别。

Fig. 5 磁贴风 CL 和 LL (weight) 耗时对比

2.3 传统 LL (weight) 和不同写法 CL

为什么比起使用了android:layout_weight属性的、性能理应比较差的 LinearLayout（LL）， CL 并没有明显的性能优势呢？不禁怀疑是不是约束布局的 Guideline 属性其实也属于比较耗时的属性，所以决定要比较一下：使用了不同 CL 属性实现的相同显示效果的 UI 界面的性能（Fig. 6），左边是使用了android:layout_weight属性的传统线性布局，右边从上之下分别是使用了：layout_constraintXXXXXX_bias、layout_constraintXXXXXX_chainStyle、layout_constraintGuide_XXXXXX属性写成的效果完全一致的约束布局（由于页面的下半部分无内容，裁剪掉以节约展示空间）。

Fig. 6 性能测试用传统 LL (weight) 和不同写法 CL

Fig. 7 是测量结果，可以看到应用不同 CL 属性，其性能差别并不大：比起 LL，提升都在 40% 左右，使用 Guideline 方式甚至性能会更优秀一点。在这个比较简单的布局中，CL 的性能提升就比较明显，比 2.2 中的磁贴风要明显很多，猜测当布局明显变复杂，每一个元素的上下左右边都同其它元素相关时，CL 的性能会有一定程度的下降。

Fig. 7 ActionBar 中不同 CL 写法和 LL (weight) 耗时对比

2.4 网格风 CL 和 RL

除了混合布局（2.1 节）、线性布局（2.2 节、2.3 节），当然也想将约束布局同我们最常用、也是灵活性很高的相对布局比较一下。下图 Fig. 8 就是分别使用 RL（左）和 CL（右）实现的一个价目表页面，两者的显示效果已经完全对齐。

Fig. 8 性能测试用网格风 RL 和 CL

Fig. 9 分别比较了在不同的日子测量、根节点的 MeasureSpec 固定值使用全屏和 1080*1920 的性能，可以看到结果不尽相同，所以说两者对布局的性能确实是有影响的，但是总体说来还是那句话：CL 还是比 RL 性能要有所提升。

Fig. 9 网格风 CL 和 RL 耗时对比

2.5 不同版本 ConstraintLayout 依赖库

由于在我写《例说 Constraint Layout》系列文章以来，Google 仍然在不断优化更新 ConstraintLayout 依赖库，最后也希望简单测试一下最新版本的 CL 是否在速度方面有进一步提高，所以升级到了 1.1.3 版本的 CL 库，比较了 Chains 写法的 CL 和 Weight 写法的 LL 的性能。界面样式见 Fig. 6，测量结果见 Fig. 10。

Fig. 10 CL 1.1.3 版本 CL (chains) 和 LL (weight) 耗时对比

结果略有点出人意料：

首先，头两次测量下来，CL 的性能并不比 LL 好。（图表中只记录了第二次，第一次的数据因为我以为是自己搞错了，没有记录下来。）可见手机的运行状态对布局性能的影响还是挺大的；
排除开始的异常数据，1.1.3 版本的 CL 平均性能提升（~24%）比起 1.0.2 版本的（39%）要低（不过和 2.3 节比较，不同 CL 版本对应的 LL 的绝对时长也不相同，此处只能比较相对提升了，一定程度上会受机器当时状态影响）。

当然，上述的测量只是试水性质的，针对一个非常简单的单方向的布局的，也许在其它的界面设计下，新版的 CL 会有更优异的表现，完整的结论需要更多详细的测量才能得出。

小结

先来归纳几个点：

布局性能的测量受测试机器当时的状态、布局的设计两个因素的影响比较大，但仍旧可以很肯定地说，约束布局 CL 的性能要比传统布局（混合、相对、线性等）有提升；
CL 的性能同用到的不同属性关系不大，一般说来会比传统布局提升 10% ~ 45%，常见在 30% 左右；
对于特别复杂、或某些特殊的界面，CL 的性能提升可能不那么显著，10% 左右；
不同的 ConstraintLayout 依赖版本，并不保证版本越新性能越好，至少在某个简单的界面下，1.1.3 的版本性能并不比 1.0.2 的优秀。

所以大家对安装包大小没有特别限制的话，写新的布局可以多尝试尝试约束布局 CL，毕竟在大部分情况下它都是性能最好的那一款，灵活性也足够。当然，原有的许多没有性能问题的界面，也没有必要强求改变。

参考资料

[1] Takeshi Hagikura. Understanding the performance benefits of ConstraintLayout，Aug. 2017

[2] Takeshi Hagikura. Exploring New Android Layouts，Apr. 2017

[3] Window.OnFrameMetricsAvailableListener（）

[4] FrameMetrics

作者简介：opalli，天天P图 Android 工程师

文章后记：
天天P图是由腾讯公司开发的业内领先的图像处理，相机美拍的APP。欢迎扫码或搜索关注我们的微信公众号：“天天P图攻城狮”，那上面将陆续公开分享我们的技术实践，期待一起交流学习！
加入我们：
天天P图技术团队长期招聘：(1) 图像处理算法工程师，(2) Android / iOS 开发工程师，期待对我们感兴趣或者有推荐的技术牛人加入我们（base 上海）！联系方式：ttpic_dev@tencent.com

继续滑动看下一个