NativeActivity 기반 앱의 화면 주사율 관리

Android NDK를 활용한 그래픽 애플리케이션 개발 시 화면 갱신 주기를 정밀하게 제어하는 것은 성능 최적화의 핵심입니다. 특히 게임 엔진이나 미디어 플레이어처럼 일정한 프레임 간격이 중요한 경우, setFrameRate API를 활용한 명시적인 주사율 설정이 필요합니다.

구현 단계

1단계: 프로젝트 설정

AndroidManifest.xml에서 하드웨어 가속과 네이티브 라이브러리를 선언합니다:

<manifest>
    <application android:hasCode="false">
        <activity android:name="android.app.NativeActivity"
                  android:exported="true">
            <meta-data android:name="android.app.lib_name" 
                       android:value="game_engine" />
            <intent-filter>
                <action android:name="android.intent.action.MAIN" />
                <category android:name="android.intent.category.LAUNCHER" />
            </intent-filter>
        </activity>
    </application>
</manifest>

2단계: 프레임레이트 설정 API 활용

Android 11(API 30)부터 제공되는 ANativeWindow_setFrameRate를 사용하여 디스플레이와의 동기화를 설정합니다:

#include <android/native_window.h>
#include <android/native_activity.h>
#include <android/log.h>

#define LOGI(...) ((void)__android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, "DisplaySync", __VA_ARGS__))

typedef enum {
    REFRESH_RATE_DEFAULT = 0,
    REFRESH_RATE_60HZ = 60,
    REFRESH_RATE_90HZ = 90,
    REFRESH_RATE_120HZ = 120
} DisplayRefreshRate;

bool configureDisplaySync(ANativeActivity* nativeActivity, DisplayRefreshRate desiredRate) {
    if (!nativeActivity) {
        LOGI("Invalid activity handle");
        return false;
    }
    
    ANativeWindow* displaySurface = ANativeActivity_getWindow(nativeActivity);
    if (!displaySurface) {
        LOGI("Surface acquisition failed");
        return false;
    }
    
    // ANATIVEWINDOW_FRAME_RATE_COMPATIBILITY_DEFAULT: 
    // 시스템이 자동으로 최적의 모드를 선택
    int compatibility = ANATIVEWINDOW_FRAME_RATE_COMPATIBILITY_DEFAULT;
    int changeBehavior = ANATIVEWINDOW_CHANGE_FRAME_RATE_ALWAYS;
    
    int result = ANativeWindow_setFrameRate(displaySurface, 
                                            (float)desiredRate,
                                            compatibility,
                                            changeBehavior);
    
    if (result == 0) {
        LOGI("Display synchronized to %d Hz", desiredRate);
        return true;
    }
    
    LOGI("Frame rate configuration failed: %d", result);
    return false;
}

3단계: 고정 간격 렌더링 루프

CPU 기반 스핀 대기가 아닌 하이브리드 방식으로 정밀한 프레임 타이밍을 구현합니다:

#include <chrono>
#include <thread>
#include <atomic>

struct FramePacer {
    std::atomic<bool> running{true};
    std::chrono::nanoseconds targetInterval;
    std::chrono::steady_clock::time_point previousTimestamp;
};

void executeRenderPipeline(ANativeActivity* activity, int fpsTarget) {
    FramePacer pacer;
    pacer.targetInterval = std::chrono::nanoseconds(1000000000LL / fpsTarget);
    pacer.previousTimestamp = std::chrono::steady_clock::now();
    
    // 초기 디스플레이 설정
    configureDisplaySync(activity, static_cast<DisplayRefreshRate>(fpsTarget));
    
    while (pacer.running.load()) {
        auto currentFrameStart = std::chrono::steady_clock::now();
        
        // === 렌더링 작업 수행 ===
        processInputEvents();
        updateSimulationState();
        submitDrawCommands();
        // =======================
        
        // 다음 프레임 시작까지 남은 시간 계산
        auto elapsedWork = currentFrameStart - pacer.previousTimestamp;
        auto sleepDuration = pacer.targetInterval - elapsedWork;
        
        if (sleepDuration > std::chrono::milliseconds(2)) {
            // 짧은 수면 + 스핀 대기로 정밀도 확보
            std::this_thread::sleep_for(sleepDuration - std::chrono::milliseconds(1));
        }
        
        // 바쁜 대기로 마이크로초 단위 정밀도 보정
        while (std::chrono::steady_clock::now() - pacer.previousTimestamp < pacer.targetInterval) {
            std::this_thread::yield();
        }
        
        pacer.previousTimestamp = currentFrameStart;
    }
}

4단계: 진입점 및 생명주기 통합

#include <android/native_app_glue/android_native_app_glue.h>

void handleAppLifecycle(struct android_app* application, int32_t command) {
    static ANativeActivity* cachedActivity = nullptr;
    
    switch (command) {
        case APP_CMD_INIT_WINDOW:
            cachedActivity = application->activity;
            // 표면 준비 완료, 렌더링 시작 가능
            break;
            
        case APP_CMD_TERM_WINDOW:
            // 표면 파괴, 렌더링 중지
            break;
            
        case APP_CMD_GAINED_FOCUS:
            if (cachedActivity) {
                configureDisplaySync(cachedActivity, REFRESH_RATE_120HZ);
            }
            break;
            
        case APP_CMD_LOST_FOCUS:
            // 백그라운드 전환 시 30Hz로 절전 모드
            if (cachedActivity) {
                configureDisplaySync(cachedActivity, REFRESH_RATE_DEFAULT);
            }
            break;
    }
}

void android_main(struct android_app* state) {
    state->onAppCmd = handleAppLifecycle;
    
    // 메시지 폴링과 렌더링 병행
    int pollResult;
    int pollEvents;
    struct android_poll_source* pollSource;
    
    while (true) {
        pollResult = ALooper_pollOnce(0, nullptr, &pollEvents, 
                                      (void**)&pollSource);
        
        if (pollResult == ALOOPER_POLL_CALLBACK && pollSource) {
            pollSource->process(state, pollSource);
        }
        
        if (state->destroyRequested) {
            break;
        }
        
        // 실제 렌더링은 별도 스레드에서 수행하거나
        // 여기서 조건부 실행
        if (state->window) {
            executeRenderPipeline(state->activity, 60);
        }
    }
}

고려사항

• 가변 주사율 디스플레이: 120Hz/90Hz 패널에서 ANativeWindow_getRefreshRate로 실제 지원 주사율을 확인
• 배터리 최적화: ANATIVEWINDOW_CHANGE_FRAME_RATE_ONLY_IF_SEAMLESS로 전환 시 깜빡임 방지
• SurfaceFlinger 백프레스: ASurfaceTransaction API로 추가 동기화 가능