硬件加速淺談

做者

你們好，我叫大聖；java

本人於2018年5月加入37手遊安卓團隊，曾經就任於愛拍等互聯網公司；android

目前是37手遊安卓團隊的國內負責人，主要負責相關業務開發和一些平常業務統籌等。web

背景

最近在處理一個遊戲內嵌社區頁面卡頓問題的過程當中，發如今Manifest的Activity中有將硬件加速關閉的配置，若是將其開啓，那麼頁面卡頓的問題就解決了。對這一塊的知識還不是很瞭解，也不知道直接打開硬件加速對遊戲是否有影響。因而乎在網上查了一波別人的文章，作了一個簡單的總結。canvas

CPU與GPU

在瞭解什麼是硬件加速以前，先了解一下什麼是CPU和GPU。 CPU（Centr(l Processing Unit，中央處理器）是計算機設備核⼼器件，⽤於執⾏程序代碼，軟件開發者對此都很熟悉；GPU（Gr(phics Processing Unit，圖形處理器）主要⽤於處理圖形運算，一般所說「顯卡」的核⼼部件就是GPU。緩存

黃色的Control爲控制器，用於協調控制整個CPU的運行，包括取出指令、控制其餘模塊的運行等；
綠色的ALU（Arithmetic Logic Unit）是算術邏輯單元，用於進行數學、邏輯運算；
橙色的Cache和DRAM分別爲緩存和RAM，用於存儲信息。

從上面的結構圖能夠看出，CPU的控制器較爲複雜，擅長各類複雜的邏輯運算；GPU的控制器比較簡單，但包含了大量ALU，擅長大量的數學運算。微信

硬件加速的主要原理，就是經過底層軟件代碼，將CPU不擅長的圖形計算轉換成GPU專用指令，由GPU完成。markdown

顯卡和GPU不是同一個概念，顯卡指的是包含GPU的一個完整的卡，GPU是單指顯卡的核心芯片，是一顆芯片；
據說比特幣挖礦的機器都是採用GPU運算的，是否是和上面的原理同樣，挖礦是大量的數學計算，GPU更加擅長呢？app

Android中的硬件加速

接下來看看Android中如何使用硬件加速的。ide

如何開啓硬件加速

從 Android 3.0（API 級別 11）開始，Android 2D 渲染管道⽀持硬件加速，也就是說，在 View 的畫布上執⾏的全部繪製操做都會使⽤ GPU。啓⽤硬件加速須要更多資源，所以應⽤會佔⽤更多內存。oop

若是您的⽬標 API 級別爲 14 及更⾼級別，則硬件加速默認處於啓⽤狀態，但也能夠明確啓⽤該功能。若是您的應⽤僅使⽤標準視圖和 Dr(w(ble，則全局啓⽤硬件加速不會形成任何不良繪製效果。

您能夠在如下級別控制硬件加速：

應⽤
Activity
窗⼝
視圖

應⽤級別

在 Android 清單⽂件中，將如下屬性添加到標記中，爲整個應⽤啓⽤硬件加速：

<application android:hardwareAccelerated="true" ...>
複製代碼

Activity 級別

若是全局啓用硬件加速後，您的應用沒法正常運行，則您也能夠針對各個 Activity 控制硬件加速。要在 Activity 級別啓用或停用硬件加速，您可使用元素的 android:hardwareAccelerated 屬性。如下示例展現瞭如何爲整個應用啓用硬件加速，但爲一個 Activity 停用硬件加速：

<application android:hardwareAccelerated="true">
	<activity ... />
	<activity android:hardwareAccelerated="false" />
</application>
複製代碼

窗口級別

若是您須要實現更精細的控制，可使用如下代碼爲給定窗口啓用硬件加速：

getWindow().setFlags(
	WindowManager.LayoutParams.FLAG_HARDWARE_ACCELERATED,
    WindowManager.LayoutParams.FLAG_HARDWARE_ACCELERATED);
複製代碼

視圖級別

您可使用如下代碼在運行時爲單個視圖停用硬件加速：

myView.setLayerType(View.LAYER_TYPE_SOFTWARE, null);
複製代碼

繪製流程上面的優化

在說完以上CPU和GPU的特性，以及Android如何控制硬件加速以後，來看看在界面View在刷新和繪製過程當中，具體是哪些關鍵點來作了硬件加速的控制。

硬件加速狀況下Canvas生成的是DisplayListCanvas對象

在View的繪製過程當中會沿着draw(canvas,parent,drawingTime) --> draw(canvas) --> onDraw --> dispachDraw 這條遞歸路徑往下走，在draw(canvas,parent,drawingTime)中，若是是硬件加速狀況下，會走updateDisplayListIfDirty()。

if (drawingWithRenderNode) {
    renderNode = updateDisplayListIfDirty();
    if (!renderNode.isValid()) {
        // ...
        renderNode = null;
        drawingWithRenderNode = false;
    }
}
複製代碼

在updateDisplayListIfDirty()方法中，生成了DisplayListCanvas對象，而後調用draw(canvas)方法，此時Canvas已經不是普通的Canvas了，而是DisplayListCanvas。

final DisplayListCanvas canvas = renderNode.start(width, height);
canvas.setHighContrastText(mAttachInfo.mHighContrastText);

try {
        //...
            if (debugDraw()) {
                debugDrawFocus(canvas);
            }
        } else {
            draw(canvas);
        }
    }
} finally {
    renderNode.end(canvas);
    setDisplayListProperties(renderNode);
}
複製代碼

在調用DisplayListCanvas的drawXXX方法過程當中，並無執行真正的繪製，而是用構建DisplayList，並保存在RenderNode中，經過renderNode.end(canvas)進行該操做。

/** * Ends the recording for this display list. A display list cannot be * replayed if recording is not finished. Calling this method marks * the display list valid and {@link #isValid()} will return true. * * @see #start(int, int) * @see #isValid() */
public void end(DisplayListCanvas canvas) {
    long displayList = canvas.finishRecording();
    nSetDisplayList(mNativeRenderNode, displayList);
    canvas.recycle();
}
複製代碼

JNI層將DisplayListCanvas的操做轉化成DisplayList

一個RenderNode包含若干個DisplayList，一般一個RenderNode對應一個View，包含View自身及其子View的全部DisplayList。

在ViewRootImpl中，若是是支持硬件加速，會執行mAttachInfo.mThreadedRenderer.draw(mView, mAttachInfo, this)方法。

// ViewRootImpl.java
if (mAttachInfo.mThreadedRenderer != null && mAttachInfo.mThreadedRenderer.isEnabled()) {
    mAttachInfo.mThreadedRenderer.draw(mView, mAttachInfo, this);
} else {
    //...
}
複製代碼

ThreadedRenderer的draw過程，會調用到updateRootDisplayList，而後調用updateViewTreeDisplayList，此過程會更新整個View樹的DisplayList，最終執行ThreadedRenderer.nSyncAndDrawFrame來啓動線程對DisplayList進行最終的繪製操做

// ThreadedRenderer.java
void draw(View view, AttachInfo attachInfo, DrawCallbacks callbacks) {
    ...
    updateRootDisplayList(view, callbacks);
    ...
    int syncResult = nSyncAndDrawFrame(mNativeProxy, frameInfo, frameInfo.length);

}
複製代碼

因爲繪製流程的不一樣，硬件加速在界面內容發生重繪的時候繪製流程能夠獲得優化，避免了一些重複操做，從而大幅提高繪製效率。在updateDisplayListIfDirty方法從名字能夠看出，更新Displaylist是發生在髒區域。

在硬件加速關閉時，繪製內容會被 CPU 轉換成實際的像素，而後直接渲染到屏幕。具體來講，這個「實際的像素」，它是由 Bitmap 來承載的。在界面中的某個 View 因爲內容發生改變而調用 invalidate() 方法時，若是沒有開啓硬件加速，那麼爲了正確計算 Bitmap 的像素，這個 View 的父 View、父 View 的父 View 乃至一直向上直到最頂級 View，以及全部和它相交的兄弟 View，都須要被調用 invalidate()來重繪。一個 View 的改變使得大半個界面甚至整個界面都重繪一遍，這個工做量是很是大的。

而在硬件加速開啓時，前面說過，繪製的內容會被轉換成 GPU 的操做保存下來（承載的形式稱爲 display list，對應的類也叫作 DisplayList），再轉交給 GPU。因爲全部的繪製內容都沒有變成最終的像素，因此它們之間是相互獨立的，那麼在界面內容發生改變的時候，只要把發生了改變的 View 調用 invalidate() 方法以更新它所對應的 GPU 操做就好，至於它的父 View 和兄弟 View，只須要保持原樣。那麼這個工做量就很小了。

在默認狀況下，View的clipChildren的屬性爲true，即每一個View繪製區域不能超出其父View的範圍。若是設置一個頁面根佈局的clipChildren屬性爲false，則子View能夠超出父View的繪製區域。

上圖中右邊的ViewGroup的clipChildren屬性即爲false，其子View的繪製超出了自身範圍。

當一個View觸發invalidate，且沒有播放動畫、沒有觸發layout的狀況下：

對於全不透明的View，其自身會設置標誌位PFLAG_DIRTY，其父View會設置標誌位PFLAG_DIRTY_OPAQUE。在draw(canvas)方法中，只有這個View自身重繪。

上圖中的TextView背景全不透明，此時調用TextView的invalidate，自由其自身重繪製。
對於可能有透明區域的View，其自身和父View都會設置標誌位PFLAG_DIRTY。
- clipChildren爲true時，髒區會被轉換成ViewRoot中的Rect，刷新時層層向下判斷，當View與髒區有重疊則重繪。若是一個View超出父View範圍且與髒區重疊，但其父View不與髒區重疊，這個子View不會重繪。
  
  上圖中若是TextView背景透明，那麼髒區域會從TextView投影至ViewRoot上面的Rect，也就是綠色區域，此時在這個投影之上的View都會被觸發繪製（即TextView、左邊ViewGroup、ViewRoot）
- clipChildren爲false時，ViewGroup.invalidateChildInParent()中會把髒區擴大到自身整個區域，因而與這個區域重疊的全部View都會重繪。
  
  上圖中右邊ViewGroup的clipChildren爲false，那麼髒區域即爲右邊ViewGroup的整個投影的區域，與此重疊的View都會被從新繪製。

實際問題解決

背景中提到的遊戲內嵌web頁面卡頓的問題，在開啓硬件加速後卡頓的問題解決了。可是因爲對遊戲引擎不瞭解，因此不清楚開啓硬件加速是否會影響到遊戲的運行，好比遊戲界面繪製會不會錯亂，耗電量會不會增長等等問題。其實從上面第三小節提到的，Android不只僅能夠對整個應用開啓硬件加速還支持對單個Activity進行設置，那麼這個問題其實就很好解決了，直接將顯示Web的頁面寫成一個Activity單獨開啓硬件急速便可，這樣徹底不會影響到遊戲。

總結

在硬件加速過程當中，充分利用CPU和GPU各自的特性，將邏輯部分交個CPU處理，將大量的數學計算交個GPU處理，在硬件層面對整個過程效率提高。界面刷新過程當中，CPU只會更新須要重繪的DisplayList，進一步提升繪製效率。

上文的介紹只是在一些關鍵的代碼上面作了講解，未深刻介紹細節；對於DisplayListCanvas如何生成DisplsyList的過程，屬於JNI層的操做，文檔並未涉及。對於RenderNode是如何組織DiaplayList，以及View樹的各個RenderNode是如何組織的都未闡明，文章充分借鑑了一些大神文章的內容，文末有參考連接，須要深刻了解能夠自行查閱。

結束語

過程當中有問題或者須要交流的同窗，能夠添加微信號AndroidAssistant37，而後進羣進行問題和技術的交流等。

參考連接