怎么在Android中實(shí)現(xiàn)硬件加速

這篇文章給大家介紹怎么在Android中實(shí)現(xiàn)硬件加速，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對(duì)大家能有所幫助。

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了解硬件加速對(duì)App開發(fā)的意義

對(duì)于App開發(fā)者，簡(jiǎn)單了解硬件加速原理及上層API實(shí)現(xiàn)，開發(fā)時(shí)就可以充分利用硬件加速提高頁面的性能。以Android舉例，實(shí)現(xiàn)一個(gè)圓角矩形按鈕通常有兩種方案：使用PNG圖片；使用代碼（XML/Java）實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單對(duì)比兩種方案如下。

方案	原理	特點(diǎn)
使用PNG圖片（BitmapDrawable）	解碼PNG圖片生成Bitmap，傳到底層，由GPU渲染	圖片解碼消耗CPU運(yùn)算資源，Bitmap占用內(nèi)存大，繪制慢
使用XML或Java代碼實(shí)現(xiàn)（ShapeDrawable）	直接將Shape信息傳到底層，由GPU渲染	消耗CPU資源少，占用內(nèi)存小，繪制快

頁面渲染背景知識(shí)

• 頁面渲染時(shí)，被繪制的元素最終要轉(zhuǎn)換成矩陣像素點(diǎn)（即多維數(shù)組形式，類似安卓中的Bitmap），才能被顯示器顯示。

• 頁面由各種基本元素組成，例如圓形、圓角矩形、線段、文字、矢量圖（常用貝塞爾曲線組成）、Bitmap等。

• 元素繪制時(shí)尤其是動(dòng)畫繪制過程中，經(jīng)常涉及插值、縮放、旋轉(zhuǎn)、透明度變化、動(dòng)畫過渡、毛玻璃模糊，甚至包括3D變換、物理運(yùn)動(dòng)（例如游戲中常見的拋物線運(yùn)動(dòng)）、多媒體文件解碼（主要在桌面機(jī)中有應(yīng)用，移動(dòng)設(shè)備一般不用GPU做解碼）等運(yùn)算。

• 繪制過程經(jīng)常需要進(jìn)行邏輯較簡(jiǎn)單、但數(shù)據(jù)量龐大的浮點(diǎn)運(yùn)算。

CPU與GPU結(jié)構(gòu)對(duì)比

CPU（Central Processing Unit，中央處理器）是計(jì)算機(jī)設(shè)備核心器件，用于執(zhí)行程序代碼，軟件開發(fā)者對(duì)此都很熟悉；GPU（Graphics Processing Unit，圖形處理器）主要用于處理圖形運(yùn)算，通常所說“顯卡”的核心部件就是GPU。

下面是CPU和GPU的結(jié)構(gòu)對(duì)比圖。其中：

• 黃色的Control為控制器，用于協(xié)調(diào)控制整個(gè)CPU的運(yùn)行，包括取出指令、控制其他模塊的運(yùn)行等；

• 綠色的ALU（Arithmetic Logic Unit）是算術(shù)邏輯單元，用于進(jìn)行數(shù)學(xué)、邏輯運(yùn)算；

• 橙色的Cache和DRAM分別為緩存和RAM，用于存儲(chǔ)信息。

從結(jié)構(gòu)圖可以看出，CPU的控制器較為復(fù)雜，而ALU數(shù)量較少。因此CPU擅長(zhǎng)各種復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，但不擅長(zhǎng)數(shù)學(xué)尤其是浮點(diǎn)運(yùn)算。

• 以8086為例，一百多條匯編指令大部分都是邏輯指令，數(shù)學(xué)計(jì)算相關(guān)的主要是16位加減乘除和移位運(yùn)算。一次整型和邏輯運(yùn)算一般需要1~3個(gè)機(jī)器周期，而浮點(diǎn)運(yùn)算要轉(zhuǎn)換成整數(shù)計(jì)算，一次運(yùn)算可能消耗上百個(gè)機(jī)器周期。

• 更簡(jiǎn)單的CPU甚至只有加法指令，減法用補(bǔ)碼加法實(shí)現(xiàn)，乘法用累加實(shí)現(xiàn)，除法用減法循環(huán)實(shí)現(xiàn)。

• 現(xiàn)代CPU一般都帶有硬件浮點(diǎn)運(yùn)算器（FPU），但主要適用于數(shù)據(jù)量不大的情況。

CPU是串行結(jié)構(gòu)。以計(jì)算100個(gè)數(shù)字為例，對(duì)于CPU的一個(gè)核，每次只能計(jì)算兩個(gè)數(shù)的和，結(jié)果逐步累加。

和CPU不同的是，GPU就是為實(shí)現(xiàn)大量數(shù)學(xué)運(yùn)算設(shè)計(jì)的。從結(jié)構(gòu)圖中可以看到，GPU的控制器比較簡(jiǎn)單，但包含了大量ALU。GPU中的ALU使用了并行設(shè)計(jì)，且具有較多浮點(diǎn)運(yùn)算單元。

硬件加速的主要原理，就是通過底層軟件代碼，將CPU不擅長(zhǎng)的圖形計(jì)算轉(zhuǎn)換成GPU專用指令，由GPU完成。

擴(kuò)展：很多計(jì)算機(jī)中的GPU有自己獨(dú)立的顯存；沒有獨(dú)立顯存則使用共享內(nèi)存的形式，從內(nèi)存中劃分一塊區(qū)域作為顯存。顯存可以保存GPU指令等信息。

并行結(jié)構(gòu)舉例：級(jí)聯(lián)加法器

為了方便理解，這里先從底層電路結(jié)構(gòu)的角度舉一個(gè)例子。如下圖為一個(gè)加法器，對(duì)應(yīng)實(shí)際的數(shù)字電路結(jié)構(gòu)。

A、B為輸入，C為輸出，且A、B、C均為總線，以32位CPU為例，則每根總線實(shí)際由32根導(dǎo)線組成，每根導(dǎo)線用不同的電壓表示一個(gè)二進(jìn)制的0或1。

Clock為時(shí)鐘信號(hào)線，每個(gè)固定的時(shí)鐘周期可向其輸入一個(gè)特定的電壓信號(hào)，每當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來時(shí)，A和B的和就會(huì)輸出到C。

現(xiàn)在我們要計(jì)算8個(gè)整數(shù)的和。

對(duì)于CPU這種串行結(jié)構(gòu)，代碼編寫很簡(jiǎn)單，用for循環(huán)把所有數(shù)字逐個(gè)相加即可。串行結(jié)構(gòu)只有一個(gè)加法器，需要7次求和運(yùn)算；每次計(jì)算完部分和，還要將其再轉(zhuǎn)移到加法器的輸入端，做下一次計(jì)算。整個(gè)過程至少要消耗十幾個(gè)機(jī)器周期。

而對(duì)于并行結(jié)構(gòu)，一種常見的設(shè)計(jì)是級(jí)聯(lián)加法器，如下圖，其中所有的clock連在一起。當(dāng)需要相加的8個(gè)數(shù)據(jù)在輸入端A1~B4準(zhǔn)備好后，經(jīng)過三個(gè)時(shí)鐘周期，求和操作就完成了。如果數(shù)據(jù)量更大、級(jí)聯(lián)的層級(jí)更大，則并行結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)更明顯。

由于電路的限制，不容易通過提高時(shí)鐘頻率、減小時(shí)鐘周期的方式提高運(yùn)算速度。并行結(jié)構(gòu)通過增加電路規(guī)模、并行處理，來實(shí)現(xiàn)更快的運(yùn)算。但并行結(jié)構(gòu)不容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯，因?yàn)橥瑫r(shí)考慮多個(gè)支路的輸出結(jié)果，并協(xié)調(diào)同步處理的過程很復(fù)雜（有點(diǎn)像多線程編程）。

GPU并行計(jì)算舉例

假設(shè)我們有如下圖像處理任務(wù)，給每個(gè)像素值加1。GPU并行計(jì)算的方式簡(jiǎn)單粗暴，在資源允許的情況下，可以為每個(gè)像素開一個(gè)GPU線程，由其進(jìn)行加1操作。數(shù)學(xué)運(yùn)算量越大，這種并行方式性能優(yōu)勢(shì)越明顯。

Android中的硬件加速

在Android中，大多數(shù)應(yīng)用的界面都是利用常規(guī)的View來構(gòu)建的（除了游戲、視頻、圖像等應(yīng)用可能直接使用OpenGL ES）。下面根據(jù)Android 6.0原生系統(tǒng)的Java層代碼，對(duì)View的軟件和硬件加速渲染做一些分析和對(duì)比。

DisplayList

DisplayList是一個(gè)基本繪制元素，包含元素原始屬性（位置、尺寸、角度、透明度等），對(duì)應(yīng)Canvas的drawXxx()方法（如下圖）。

信息傳遞流程：Canvas(Java API) —> OpenGL(C/C++ Lib) —> 驅(qū)動(dòng)程序 —> GPU。

在Android 4.1及以上版本，DisplayList支持屬性，如果View的一些屬性發(fā)生變化（比如Scale、Alpha、Translate），只需把屬性更新給GPU，不需要生成新的DisplayList。

RenderNode

一個(gè)RenderNode包含若干個(gè)DisplayList，通常一個(gè)RenderNode對(duì)應(yīng)一個(gè)View，包含View自身及其子View的所有DisplayList。

Android繪制流程（Android 6.0）

下面是安卓View完整的繪制流程圖，主要通過閱讀源碼和調(diào)試得出，虛線箭頭表示遞歸調(diào)用。

從ViewRootImpl.performTraversals到PhoneWindow.DecroView.drawChild是每次遍歷View樹的固定流程，首先根據(jù)標(biāo)志位判斷是否需要重新布局并執(zhí)行布局；然后進(jìn)行Canvas的創(chuàng)建等操作開始繪制。

• 如果硬件加速不支持或者被關(guān)閉，則使用軟件繪制，生成的Canvas即Canvas.class的對(duì)象；

• 如果支持硬件加速，則生成的是DisplayListCanvas.class的對(duì)象；

• 兩者的isHardwareAccelerated()方法返回的值分別為false、true，View根據(jù)這個(gè)值判斷是否使用硬件加速。

View中的draw(canvas,parent,drawingTime) - draw(canvas) - onDraw - dispachDraw - drawChild這條遞歸路徑（下文簡(jiǎn)稱Draw路徑），調(diào)用了Canvas.drawXxx()方法，在軟件渲染時(shí)用于實(shí)際繪制；在硬件加速時(shí)，用于構(gòu)建DisplayList。

View中的updateDisplayListIfDirty - dispatchGetDisplayList - recreateChildDisplayList這條遞歸路徑（下文簡(jiǎn)稱DisplayList路徑），僅在硬件加速時(shí)會(huì)經(jīng)過，用于在遍歷View樹繪制的過程中更新DisplayList屬性，并快速跳過不需要重建DisplayList的View。

Android 6.0中，和DisplayList相關(guān)的API目前仍被標(biāo)記為“@hide”不可訪問，表示還不成熟，后續(xù)版本可能開放。

硬件加速情況下，draw流程執(zhí)行結(jié)束后DisplayList構(gòu)建完成，然后通過ThreadedRenderer.nSyncAndDrawFrame()利用GPU繪制DisplayList到屏幕上。

純軟件繪制 VS 硬件加速（Android 6.0）

下面根據(jù)具體的幾種場(chǎng)景，具體分析一下硬件加速前后的流程與加速效果。

渲染場(chǎng)景	純軟件繪制	硬件加速	加速效果分析
頁面初始化	繪制所有View	創(chuàng)建所有DisplayList	GPU分擔(dān)了復(fù)雜計(jì)算任務(wù)
在一個(gè)復(fù)雜頁面調(diào)用背景透明TextView的setText()，且調(diào)用后其尺寸位置不變	重繪臟區(qū)所有View	TextView及每一級(jí)父View重建DisplayList	重疊的兄弟節(jié)點(diǎn)不需CPU重繪，GPU會(huì)自行處理
TextView逐幀播放Alpha / Translation / Scale動(dòng)畫	每幀都要重繪臟區(qū)所有View	除第一幀同場(chǎng)景2，之后每幀只更新TextView對(duì)應(yīng)RenderNode的屬性	刷新一幀性能極大提高，動(dòng)畫流暢度提高
修改TextView透明度	重繪臟區(qū)所有View	直接調(diào)用RenderNode.setAlpha()更新	加速前需全頁面遍歷，并重繪很多View；加速后只觸發(fā)DecorView.updateDisplayListIfDirty，不再往下遍歷，CPU執(zhí)行時(shí)間可忽略不計(jì)

場(chǎng)景1中，無論是否加速，遍歷View樹并都會(huì)走Draw路徑。硬件加速后Draw路徑不做實(shí)際繪制工作，只是構(gòu)建DisplayList，復(fù)雜的繪制計(jì)算任務(wù)被GPU分擔(dān)，已經(jīng)有了較大的加速效果。

場(chǎng)景2中，TextView設(shè)置前后尺寸位置不變，不會(huì)觸發(fā)重新Layout。

• 軟件繪制時(shí)，TextView所在區(qū)域即為臟區(qū)。由于TextView有透明區(qū)域，遍歷View樹的過程中，和臟區(qū)重疊的多數(shù)View都要重繪，包括與之重疊的兄弟節(jié)點(diǎn)和他們的父節(jié)點(diǎn)（詳見后面的介紹），不需要繪制的View在draw(canvas,parent,drawingTime)方法中判斷直接返回。

• 硬件加速后，也需要遍歷View樹，但只有TextView及其每一層父節(jié)點(diǎn)需要重建DisplayList，走的是Draw路徑，其他View直接走了DisplayList路徑，剩下的工作都交給GPU處理。頁面越復(fù)雜，兩者性能差距越明顯。

場(chǎng)景3中，軟件繪制每一幀都要做大量繪制工作，很容易導(dǎo)致動(dòng)畫卡頓。硬件加速后，動(dòng)畫過程直接走DisplayList路徑更新DisplayList的屬性，動(dòng)畫流暢度能得到極大提高。

場(chǎng)景4中，兩者的性能差距更明顯。簡(jiǎn)單修改透明度，軟件繪制仍然要做很多工作；硬件加速后一般直接更新RenderNode的屬性，不需要觸發(fā)invalidate，也不會(huì)遍歷View樹（除了少數(shù)View可能要對(duì)Alpha做特殊響應(yīng)并在onSetAlpha()返回true，代碼如下）。

public class View {
 // ...
 public void setAlpha(@FloatRange(from=0.0, to=1.0) float alpha) {
  ensureTransformationInfo();
  if (mTransformationInfo.mAlpha != alpha) {
   mTransformationInfo.mAlpha = alpha;
   if (onSetAlpha((int) (alpha * 255))) {
    // ...
    invalidate(true);
   } else {
    // ...
    mRenderNode.setAlpha(getFinalAlpha());
    // ...
   }
  }
 }
 
 protected boolean onSetAlpha(int alpha) {
  return false;
 }
 // ...
}

軟件繪制刷新邏輯簡(jiǎn)介

實(shí)際閱讀源碼并實(shí)驗(yàn)，得出通常情況下的軟件繪制刷新邏輯：

• 默認(rèn)情況下，View的clipChildren屬性為true，即每個(gè)View繪制區(qū)域不能超出其父View的范圍。如果設(shè)置一個(gè)頁面根布局的clipChildren屬性為false，則子View可以超出父View的繪制區(qū)域。

• 當(dāng)一個(gè)View觸發(fā)invalidate，且沒有播放動(dòng)畫、沒有觸發(fā)layout的情況下：

• clipChildren為true時(shí)，臟區(qū)會(huì)被轉(zhuǎn)換成ViewRoot中的Rect，刷新時(shí)層層向下判斷，當(dāng)View與臟區(qū)有重疊則重繪。如果一個(gè)View超出父View范圍且與臟區(qū)重疊，但其父View不與臟區(qū)重疊，這個(gè)子View不會(huì)重繪。

• clipChildren為false時(shí)，ViewGroup.invalidateChildInParent()中會(huì)把臟區(qū)擴(kuò)大到自身整個(gè)區(qū)域，于是與這個(gè)區(qū)域重疊的所有View都會(huì)重繪。

• 對(duì)于全不透明的View，其自身會(huì)設(shè)置標(biāo)志位PFLAG_DIRTY，其父View會(huì)設(shè)置標(biāo)志位PFLAG_DIRTY_OPAQUE。在draw(canvas)方法中，只有這個(gè)View自身重繪。

• 對(duì)于可能有透明區(qū)域的View，其自身和父View都會(huì)設(shè)置標(biāo)志位PFLAG_DIRTY。

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