动画基础：定时器分辨率解析

# 动画基础：定时器分辨率解析 ## 1. 定时器选择与动画帧率 在动画开发中，选择合适的定时器对实现流畅动画至关重要。`javax.swing.Timer` 和 `java.util.Timer` 是常用的定时器。一般来说，对于 Swing 应用程序，`javax.swing.Timer` 是更好的选择，原因如下： - 无需额外的 `TimerTask` 对象，简化了定时器编程。 - 能在事件调度线程（EDT）接收定时事件，简化了与 GUI 相关的操作。 ### 1.1 分辨率与帧率的关系 定时器事件之间的时间间隔被称为分辨率，它决定了动画的帧率。例如，若动画的分辨率为 30 毫秒，那么动画的帧率约为 33 fps（1000 毫秒 / 30 毫秒 / 帧 = 33.3 fps）。 通常，要让用户感觉动画流畅，帧率应达到 20 至 30 fps 或更高。在这个速度或更高速度下，人眼会将动画视为连续的平滑运动。不过，不同类型的动画所需的帧率也有所不同： - 电影通常以 24 fps 的帧率播放。 - 视频游戏的帧率通常与计算机显示器的刷新率一致，范围从 60 次/秒到 70、75、85 次/秒甚至更高。 - 一些淡入淡出动画在较低的帧率下也能呈现出平滑的效果。 ### 1.2 影响帧率的因素 有两个重要因素可能会影响我们实现期望的帧率： - **性能**：如果系统无法在每一帧完成所有动画任务，那么每帧的处理时间就会变长，导致帧率降低。 - **定时器分辨率**：在某些情况下，我们可能需要非常高的帧率，这就要求定时器具有非常低的分辨率。但不同的定时器可能无法满足这一要求。 ### 1.3 性能问题的解决方案 针对性能问题，我们可以采取以下措施： - **优化性能**：使用适当的技术来优化动画任务的性能。 - **减少每帧的工作量**：例如将非 GUI 处理任务分配到不同的线程中，或者降低某些操作的频率。 - **降低期望**：接受较低的帧率，只要动画看起来流畅即可。 ## 2. 不同定时器的分辨率分析 ### 2.1 `System.currentTimeMillis()` 和 `System.nanoTime()` 的分辨率 在 Windows 系统中，`System.currentTimeMillis()` 基于低分辨率的计时机制，返回的时间值仅精确到 16 毫秒的边界。例如，当测量一个实际耗时 5 毫秒的活动时，可能会得到如下结果： | 实际经过时间 | `currentTimeMillis` 经过时间 | | --- | --- | | 0 | 0 | | 5 | 0 | | 10 | 0 | | 15 | 0 | | 20 | 16 | | 25 | 16 | | 30 | 16 | | 35 | 32 | 而 `System.nanoTime()` 在同一系统上的精度约为 2 至 3 毫秒。 以下是一个测量 `System.currentTimeMillis()` 和 `System.nanoTime()` 时间的示例代码： ```java void measureTimeFunctions(int increment, int max) { long startTime = System.currentTimeMillis(); long startNanos = System.nanoTime(); long elapsedTimeActual = 0; long elapsedTimeMeasured = 0; long elapsedNanosMeasured = 0; System.out.printf("sleep currentTimeMillis nanoTime\n"); while (elapsedTimeActual < max) { try { Thread.sleep(increment); } catch (Exception e) {} long currentTime = System.currentTimeMillis(); long currentNanos = System.nanoTime(); elapsedTimeActual += increment; elapsedTimeMeasured = currentTime - startTime; elapsedNanosMeasured = (currentNanos - startNanos) / 1000000; System.out.printf(" %3d %4d %4d\n", elapsedTimeActual, elapsedTimeMeasured, elapsedNanosMeasured); } } ``` 当 `increment` 设置为 5，`max` 设置为 50 时，运行结果如下： | sleep | currentTimeMillis | nanoTime | | --- | --- | --- | | 5 | 16 | 8 | | 10 | 16 | 15 | | 15 | 31 | 21 | | 20 | 31 | 27 | | 25 | 31 | 33 | | 30 | 47 | 38 | | 35 | 47 | 44 | | 40 | 63 | 50 | | 45 | 63 | 56 | | 50 | 63 | 62 | 从结果可以看出，`currentTimeMillis()` 的值以 15 至 16 毫秒的增量递增，而 `nanoTime()` 更接近理论上的 `sleep()` 时间，但随着总睡眠时间的增加，与 `sleep()` 时间的差距也会逐渐增大。 ### 2.2 `Thread.sleep()` 的分辨率 为了准确测量 `Thread.sleep()` 的分辨率，我们可以多次短时间睡眠，然后将理论睡眠时间（每次睡眠时间乘以睡眠次数）与实际测量的睡眠时间进行比较。 以下是测量 `Thread.sleep()` 分辨率的代码： ```java private void measureSleep() { System.out.printf(" " + "measured\n"); System.out.printf("sleep time iterations total time" + " per-sleep\n"); for (int sleepTime = 0; sleepTime <= 20; ++sleepTime) { int iterations = (sleepTime == 0) ? 10000 : (1000 / sleepTime); long startTime = System.nanoTime(); for (int i = 0; i < iterations; ++i) { try { Thread.sleep(sleepTime); } catch (Exception e) { } } long endTime = System.nanoTime(); long totalTime = (endTime - startTime) / 1000000; float calculatedSleepTime = totalTime / (float)iterations; System.out.printf(" %2d %5d %4d" + " %5.2f\n", sleepTime, iterations, totalT ```