По следам разрушителей мифов или Почему Android тормозит, а %мобильная ОС% нет?

:

Добрый день, Хабр!

Мой предыдущий перевод статьи про аппаратное ускорение в Android вызвал бурное обсуждение в комментариях, основным мотивом которого был вопрос «так почему же тормозит Android?». Аналогичная ситуация наблюдается по всему интернету, и потому я привожу ниже еще один очень интересный и свежий перевод (снова из Google+), где автор Andrew Munn (о нем ниже) анализирует настоящие причины тормозов Android. С удовольствием прочитал этот пост сам и горд возможностью первым поделится им с хабрасообществом.

Почему Android тормозит, в то время как iOS, Windows Phone 7, QNX и WebOS столь плавны в работе?

Этот пост призван ответить на этот вопрос.

Однако, прежде чем перейти к сути, несколько оговорок. Во-первых, я студент третьего курса специальности «software engineering». Я интернирован в команде Android, и Romain Guy который был ответственен за большую часть работы аппаратного ускорения в Honeycomb, рассмотрел некоторые участки и моего кода, но я не был в команде разрабатывающей сам framework, и я никогда не читал исходники кода отрисовки в Android. У меня нет какого-либо серьёзного авторитета на знание Android и я не могу гарантировать, что я говорю здесь, обязательно на 100% точно, но я сделал все возможное, чтобы аргументировать свои слова.

Во-вторых, я на стажировке в команде Windows Phone, начиная с января, так что вполне возможно, что эта должность могла бы подсознательно настроить меня против Android, но если вы спросите любого из моих друзей, это действительно трудно, попросить меня не болтать об Android. У меня больше Android футболок, чем дней в неделю, и я предпочел бы отдать мой Macbook, чем мой Nexus S. Googlplex это как второй дом. Во всяком случае, мои интересы, пожалуй, смещены в пользу Android.

Итак приступим к анализу предыдущей статьи о мифах (речь идет о полной версии поста Дианы Hackborn).

Диана начинает свой пост удивительным откровением:

«Глядя на рендеринг внутри окна, мы не обязательно должны использовать аппаратное ускорение для достижения полных 60FPS. Это во многом зависит от количества пикселей в дисплее и скорости вашего процессора. Например, у Nexus S нет проблем с 60 кадрами в секунду для всех нормальных вещей которые вы видите в Android UI, как например прокрутка списков на своем 800x480 экране.»

Да ну? Как такое может быть? Любой, кто использовал Nexus S знает, что он замедляется при всем, кроме разве что простого ListViews. И забудьте про любое подобие достойной производительности, если в фоновом режиме, что-то происходит, например установка приложения или обновления пользовательского интерфейса с внутреннего накопителя. С другой стороны, іOS работает на 100% гладко даже при установке приложений. Но мы знаем, Диана не врет о потенциальной производительности центрального процессора, так что же происходит?

Основная причина

Это не паузы из-за сборщика мусора. Это не потому, что Android работает через байт-код, а іOS работает на нативном коде. Это потому, что в iOS рендеринг всего интерфейса происходит в отдельном потоке пользовательского интерфейса в режиме приоритета реального времени. С другой стороны, Android следует традиционной для ПК модели, в которой основной рендеринг происходит с нормальным приоритетом.

Это не абстрактная или академическая разницы. Вы можете увидеть это самостоятельно. Хватайте ближайший iPad или iPhone и открывайте Safari. Начните загрузку сложной веб-страницы, такой как Facebook. На середине загрузки, приложите палец к экрану и подвигайте им вокруг. Вся отрисовка мгновенно останавливается. Сайт просто не будет загружаться, пока вы не уберете палец. Это потому, что поток пользовательского интерфейса перехватывает все события и рендеринг пользовательского интерфейса осуществляется в режиме реального времени.

Если вы повторите это упражнение на Android, вы заметите, что браузер будет пытаться как отрисовать страницу, так и отобразить HTML, т.е. сделать «на отлично» как одно так и другое. Для Android, это тот случай, когда эффективный двухъядерный процессор действительно помогает, поэтому Galaxy S II и славится своей плавностью.

На iOS, когда приложение устанавливается из App Store, а вы приложите палец к экрану, установка мгновенно поставится на паузу, пока рендеринг не будет завершен. Android старается сделать и то и то с одинаковым приоритетом, поэтому частота кадров страдает. Как только вы заметите как это происходит, вы увидите что это повсюду на телефоне Android. Почему прокрутка в приложении «Фильмы» медленная? Поскольку эскизы фильмов динамически добавляются к списку фильмов, когда вы прокручиваете вниз, а вот на iOS они спокойно добавляются только в момент остановки прокрутки.

Несколько людей взялись объяснить ошибки, допущенные мною в упрощенном описании процесса отрисовки в iOS. В частности:

1) Композитинг и пред-настройка анимации — все что включает в себя Core Animation и рендеринг сопутствующих слоев действительно происходит в фоновом потоке.

2) Отрисовка нового контента в слое Core Animation и настройка их анимации происходит в основном потоке. Это то же поток в котором происходит отрисовка пользовательского интерфейса.

3) В нативном коде, весь создаваемый разработчиком код будет происходить в основном потоке. Тем не менее, Apple предлагает очень простой API (Grand Central Dispatch и NSOperation), чтобы переместить эти вещи в управляемые системой фоновые потоки. В iOS 5 можно даже заявить что Core Data (объектно-реляционные базы данных) контекст не может быть использован непосредственно в основном потоке.

Что же мы замечаем? Изображение не отрисовывается пока вы не закончите прокрутку списка, рендеринг страницы в WebKit останавливается, когда система отслеживает прикосновение к экрану, это изначально встроенный механизм, который ставит на паузу весь мир, пока палец на экране.
(На самом деле это не совсем верно: главный поток помещается в специальный режим во время слежения за сенсором, и по умолчанию, определенные обратные вызовы задерживаются в этом режиме. Тем не менее, многие другие вещи, например, загрузка с диска или сетевая активность хранятся полностью в фоновом потоке, не останавливаясь, ничто из этого автоматически не приостанавливается в момент прокрутки. Разработчик должен указать явно задержки для этих вещей). Это преднамеренное поведение тщательно реализовано разработчиком каждого отдельного приложения.

Это не техническое различие, это культурные различия. Хорошие разработчики под iOS не выпускают программное обеспечение, пока не работает на что-то около 60 кадров в секунду при прокрутке и отслеживает прикосновения практически идеально, как впрочем это делают и хорошие разработчики под Android.

Другие причины

Основная причина по которой Android тормозит это структура потоков UI и их приоритетность, но это не единственная причина. Во-первых, аппаратное ускорение, несмотря на оговорки Дианы, все-таки помогает. Мой Nexus S прежде никогда не работал так плавно с момента обновления до ICS [прим.перевод: Мой тоже! :)]. Аппаратное ускорение дает огромную разницу в приложениях, таких как домашний экран и Android Market. Помощь оказанная GPU также увеличивает время автономной работы, потому что графические процессоры — это оборудование с фиксированными функциями, так что они работают с меньшим энергопотреблением.

Во-вторых, вопреки тому что я утверждал ранее, сбор мусора по-прежнему проблема, даже при работе по совместительству с GC в Dalvik. Например, если вы когда-либо использовали приложение фотогалерея в Honeycomb или ICS вы можете удивиться, почему частота кадров такая низкая. Оказывается, частота кадров ограничена числом 30 кадров в секунду, а прокрутка фотографий возможна и при 60 FPS в большинстве случаев, но иногда паузы сборщика мусора приводят к заметному «заиканию». Ограничение частоты кадров до 30 исправляет «заикание» и обеспечивает плавную анимацию все время.

В-третьих, есть проблемы с оборудованием, что также упоминается Дианой. Tegra 2, несмотря на грандиозные претензии от отдела маркетинга Nvidia, наносит ущерб низкой пропускной способности памяти и не имеет поддержки набора инструкций NEON (NEON инструкции в ARM это эквивалент SSE от компании Intel, которые позволяют быстрее рассчитывать матрицы на CPU). Honeycomb таблетки были бы лучше с различными GPU, даже если они были бы теоретически менее мощные в некоторых отношениях, нежели Tegra 2. Например, Samsung Hummingbird в Nexus S или Apple A4. Это говорит нам, что самый быстрый выпущенная Honeycomb планшет, Tab Galaxy 7.7, работает под управлением процессора Exynos с Galaxy S II.

В-четвертых, Android имеет способ перейти на более эффективный композитинг пользовательского интерфейса. в iOS, каждый вид пользовательского интерфейса отображается отдельно и хранится в памяти, так для многих анимаций требуется только GPU для просмотра рекомпозиции пользовательского интерфейса. Графические процессоры очень хороши в этом. К сожалению, на Android, иерархия пользовательского интерфейса уплощена до рендеринга, поэтому анимация требует перерисовки каждого сектора экрана в которой она происходит.

В-пятых, Dalvik VM не так развита, как десктопная JVM. Java печально известна ужасной производительностью GUI на десктопах. Тем не менее, многие вопросы, не переносятся на реализацию Dalvik. Swing был ужасен, потому что являлся кросс-платформенным слоем на вершине родной API. Интересно отметить, что Windows Phone 7 в основной пользовательский интерфейс построен на нативном коде, хотя первоначальный план был — базироваться полностью на Silverlight. В Microsoft в конце концов решили, что для придания интерфейсу необходимой производительности, код должен быть родным. Это легко увидеть разницу между родным и байт-кодом на Windows Phone 7, поскольку сторонние приложения написанных на Silverlight уступает в производительности (Nodo и Mango смягчили эту проблему и Silverlight интерфейсы, как правило, сейчас очень плавные).

К счастью, каждый из пяти вопросов, перечисленных выше, разрешим без радикальных изменений в Android. Аппаратное ускорение будет на всех телефонах под управлением Android ICS, Dalvik продолжает совершенствовать эффективность своего сборщик мусора, Tegra 2, наконец, устареет, есть обходные пути для существующих проблем композиции интерфейса, и Dalvik VM становится быстрее с каждым выпуском. Недавно я спросил Джейсона Кинкейда с TechCrunch, насколько плавной была работа Galaxy Nexus и он ответил:

«В целом я счел ICS по Galaxy Nexus достаточно плавным в работе. Есть случайные заикания — одно место, где я могу получить последовательно испуг на Galaxy Nexus, это когда я нажимаю кнопку многозадачности, где он часто будет приостанавливается ​​на четверть секунды. Тем не менее, я считаю, что iPhone 4S также подтормаживал больше, чем я ожидал, особенно, когда я переходил на доступ к общему поиску приложений (где вы проводите пальцем влево от главного экрана).»

Итак, поехали, проблема тормозов Android в основном решена, не так ли? Не так быстро.

Вперед в будущее

Android UI никогда не будет совершенно плавным из-за конструктивных ограничений, которые мы обсуждали в самом начале:

— Рендеринг интерфейса происходит на главном потоке приложения;
— Рендеринг интерфейса происходит с нормальным приоритетом;

Даже с Galaxy Nexus, или четырехъядерным процессором EeePad Transformer Prime, нет никакого способа, чтобы гарантировать гладкость и приемлемую частоту кадров, если эти два конструктивных ограничения остаются в силе. Это говорит, что мощности Galaxy Nexus хватит чтобы сравнится по плавности работы с первым iPhone трехлетней давности. Так почему же команда Android использовала именно такую структуру рендеринга?

Работа над Android началась еще до выхода iPhone, и на тот момент система Android была разработана, чтобы быть конкурентом Blackberry. В оригинальном прототип Android не было сенсорного экрана. Компромиссы Android имеют смысл устройств с аппаратной клавиатурой и трекболом. И когда вышел iPhone, команда Android бросилась к выпуску конкурента этому продукту, но, к сожалению, было уже слишком поздно, чтобы переписать весь пользовательский интерфейс системы.

Это же самая причина, почему Windows Mobile 6.5, Blackberry OS, Symbian имеют ужасную производительность сенсорного экрана. Как и Android, они не были предназначены для «приоретиризации» рендеринга пользовательского интерфейса. После выпуска iPhone, в RIM, Microsoft, и Nokia отказались от своих мобильных ОС и начали разработку с нуля. Android является единственной мобильной ОС, которая существовала до «эры iPhone».

Так почему же команда Android не изменила существующее положение дел? Я позволю Romain Guy объяснить:

"… Много работы, которую мы должны сделать сегодня, существует из-за определенного выбора, сделанного много лет назад…… С анимацией пользовательского интерфейса самая большая проблема. Мы работаем над другими решениями, чтобы попытаться улучшить её (возможность использования отдельный поток рендеринга, и т.д.). Простое решение, конечно, это создание нового графического инструментария но есть много минусов в этом подходе. "

Ромен не уточняет какие минусы и недостатки в этом решении, но это не сложно предположить:

— Все приложения должны быть переписаны для поддержки новой структуры;
— Android должен будет обеспечить режим поддержки для старых приложений;
— Работа на другие особенностями Android будет приостановлена, до то времени как новая система будет разработана;

Однако я считаю, что написание «с нуля» должно произойти, несмотря на эти минусы и недостатки. Как начинающий менеджер, я считаю, медлительность Android абсолютно неприемлемой. Следует сделать этот вопрос приоритетом №1 для команды Android.

Когда тема Android поднимается как технически подкованными, так и не-технически образованными друзьями, я слышу снова и снова, что Android тормозит и работает медленно. Реальность такова, что Android может открывать приложения и отображать веб-страницы так же быстро или даже быстрее, чем iOS, но восприятие — это всё. Исправление тормозящего UI это будет начало долгого пути, чтобы восстановить репутацию и образ Android.

Восприятие проблемы, тормоза — это нарушение философии компании Google. Google считает, что все должно быть быстрым. Вот ведущая философия Google Search, Gmail, и Chrome. Именно поэтому Google создал SPDY — для улучшения HTTP. Именно поэтому Google создает инструменты, помогающие оптимизировать ваш сайт. Именно поэтому Google запускает свой собственный CDN. Именно поэтому Google Maps отображается при помощи WebGL. Именно поэтому буферизации на Youtube что-то то что большинство из нас хорошо помнит, но видят все реже.

Но, пожалуй, одна наиболее важных причин отставания в интерфейсе Android неприемлемо исходит из области человеко-машинного взаимодействия (HCI). Современные сенсорные экраны предполагают соответствие «один к одному» между пальцем и анимацией на экране. Именно поэтому эффект перепрокрутки в iOS (эластичная резинка) это так здорово, весело, и интуитивно понятно. И именно поэтому сенсорные экраны авиакомпании Virgin America Flights так расстраивают: они невероятно тормозят и очень неточно срабатывают.

Тормоза пользовательского интерфейса прерывают связь человека и сенсорного экрана. Общение с устройством перестает быть естественным. Оно теряет магию. Пользователь исключается из взаимодействия с ними и должен безоговорочно признать, что они используют несовершенное компьютерное моделирование. Я часто «теряюсь» в іPad, но меня аж передергивает, когда Xoom заикается между экранами. 200 миллионов пользователей Android заслуживают лучшего.

И я знаю, они получат это в конечном счете. Команда Android является одной из самых преданных и талантливых команд разработчиков в мире. При таких звезд, как Диана Hackborn и Romain Guy Android находится в хороших руках.

Я надеюсь, что эта публикация сократит путаницу вокруг тормозов Android.
Немного удачи, и Android 5.0 принесет нам плавный Android, о котором мы все мечтали, с момента выхода HTC G1. В то же время, я буду в Редмонде работать над красивой и плавной мобильной ОС, и пытаться дать ей некоторое признание, которого она заслуживает.