理解Android硬件加速原理(小白文)
前言
硬件加速，直觀上說就是依賴 GPU 實現(xiàn)圖形繪制加速，同軟硬件加速的區(qū)別主要是圖形的繪制究竟是 GPU 來處理還是 CPU，如果是GPU，就認為是硬件加速繪制，反之，軟件繪制。在 Android 中也是如此，不過相對于普通的軟件繪制，硬件加速還做了其他方面優(yōu)化，不僅僅限定在繪制方面，繪制之前，在如何構(gòu)建繪制區(qū)域上，硬件加速也做出了很大優(yōu)化，因此硬件加速特性可以從下面兩部分來分析：
1、前期策略：如何構(gòu)建需要繪制的區(qū)域
2、后期繪制：單獨渲染線程，依賴 GPU 進行繪制
無論是軟件繪制還是硬件加速，繪制內(nèi)存的分配都是類似的，都是需要請求 SurfaceFlinger 服務(wù)分配一塊內(nèi)存，只不過硬件加速有可能從FrameBuffer 硬件緩沖區(qū)直接分配內(nèi)存（SurfaceFlinger 一直這么干的），兩者的繪制都是在APP端，繪制完成之后同樣需要通知SurfaceFlinger 進行合成，在這個流程上沒有任何區(qū)別，真正的區(qū)別在于在 APP 端如何完成UI數(shù)據(jù)繪制，本文就直觀的了解下兩者的區(qū)別，會涉及部分源碼，但不求甚解。
軟硬件加速的分歧點
大概從 Android 4.+開始，默認情況下都是支持跟開啟了硬件加速的，也存在手機支持硬件加速，但是部分API不支持硬件加速的情況，如果使用了這些API，就需要主關(guān)閉硬件加速，或者在 View 層，或者在Activity 層，比如 Canvas 的 clipPath等。但是，View 的繪制是軟件加速實現(xiàn)的還是硬件加速實現(xiàn)的，一般在開發(fā)的時候并不可見，那圖形繪制的時候，軟硬件的分歧點究竟在哪呢？舉個例子，有個 View 需要重繪，一般會調(diào)用 View 的 invalidate，觸發(fā)重繪，跟著這條線走，去查一下分歧點。
從上面的調(diào)用流程可以看出，視圖重繪最后會進入ViewRootImpl的draw，這里有個判斷點是軟硬件加速的分歧點,簡化后如下
ViewRootImpl.java
private void draw(boolean fullRedrawNeeded) {
...
if (!dirty.isEmpty() || mIsAnimating || accessibilityFocusDirty) {
<!--關(guān)鍵點1 是否開啟硬件加速-->
if (mAttachInfo.mHardwareRenderer != null && mAttachInfo.mHardwareRenderer.isEnabled()) {
...
dirty.setEmpty();
mBlockResizeBuffer = false;
<!--關(guān)鍵點2 硬件加速繪制-->
mAttachInfo.mHardwareRenderer.draw(mView, mAttachInfo, this);
} else {
...
<!--關(guān)鍵點3 軟件繪制-->
if (!drawSoftware(surface, mAttachInfo, xOffset, yOffset, scalingRequired, dirty)) {
return;
}
...
關(guān)鍵點1是啟用硬件加速的條件，必須支持硬件并且開啟了硬件加速才可以，滿足，就利用 HardwareRenderer.draw，否則 drawSoftware（軟件繪制）。簡答看一下這個條件，默認情況下，該條件是成立的，因為4.+之后的手機一般都支持硬件加速，而且在添加窗口的時候，ViewRootImpl 會 enableHardwareAcceleration 開啟硬件加速，new HardwareRenderer，并初始化硬件加速環(huán)境。
private void enableHardwareAcceleration(WindowManager.LayoutParams attrs) {
<!--根據(jù)配置，獲取硬件加速的開關(guān)-->
// Try to enable hardware acceleration if requested
final boolean hardwareAccelerated =
(attrs.flags & WindowManager.LayoutParams.FLAG_HARDWARE_ACCELERATED) != 0;
if (hardwareAccelerated) {
...
<!--新建硬件加速圖形渲染器-->
mAttachInfo.mHardwareRenderer = HardwareRenderer.create(mContext, translucent);
if (mAttachInfo.mHardwareRenderer != null) {
mAttachInfo.mHardwareRenderer.setName(attrs.getTitle().toString());
mAttachInfo.mHardwareAccelerated =
mAttachInfo.mHardwareAccelerationRequested = true;
}
...
其實到這里軟件繪制跟硬件加速的分歧點已經(jīng)找到了，就是ViewRootImpl在draw 的時候，如果需要硬件加速就利用 HardwareRenderer 進行 draw，否則走軟件繪制流程，drawSoftware其實很簡單，利用 Surface.lockCanvas，向 SurfaceFlinger 申請一塊匿名共享內(nèi)存內(nèi)存分配，同時獲取一個普通的 SkiaCanvas，用于調(diào)用Skia 庫，進行圖形繪制，
private boolean drawSoftware(Surface surface, AttachInfo attachInfo, int xoff, int yoff,
boolean scalingRequired, Rect dirty) {
final Canvas canvas;
try {
<!--關(guān)鍵點1 -->
canvas = mSurface.lockCanvas(dirty);
..
<!--關(guān)鍵點2 繪制-->
mView.draw(canvas);
..
關(guān)鍵點3 通知SurfaceFlinger進行圖層合成
surface.unlockCanvasAndPost(canvas);
} ...
return true; }
drawSoftware 工作完全由 CPU 來完成，不會牽扯到 GPU 的操作，下面重點看下 HardwareRenderer 所進行的硬件加速繪制。
HardwareRenderer 硬件加速繪制模型
開頭說過，硬件加速繪制包括兩個階段：構(gòu)建階段+繪制階段，所謂構(gòu)建就是遞歸遍歷所有視圖，將需要的操作緩存下來，之后再交給單獨的Render 線程利用 OpenGL 渲染。在 Android 硬件加速框架中，View視圖被抽象成 RenderNode 節(jié)點，View 中的繪制都會被抽象成一個個DrawOp（DisplayListOp），比如 View 中 drawLine，構(gòu)建中就會被抽象成一個 DrawLintOp，drawBitmap 操作會被抽象成DrawBitmapOp，每個子 View 的繪制被抽象成DrawRenderNodeOp，每個 DrawOp 有對應(yīng)的 OpenGL 繪制命令，同時內(nèi)部也握著繪圖所需要的數(shù)據(jù)。如下所示：
繪圖Op抽象
如此以來，每個 View 不僅僅握有自己 DrawOp List，同時還拿著子View的繪制入口，如此遞歸，便能夠統(tǒng)計到所有的繪制Op，很多分析都稱為 Display List，源碼中也是這么來命名類的，不過這里其實更像是一個樹，而不僅僅是List，示意如下：
硬件加速.jpg
構(gòu)建完成后，就可以將這個繪圖Op樹交給Render線程進行繪制，這里是同軟件繪制很不同的地方，軟件繪制時，View一般都在主線程中完成繪制，而硬件加速，除非特殊要求，一般都是在單獨線程中完成繪制，如此以來就分擔了主線程很多壓力，提高了UI線程的響應(yīng)速度。
硬件加速模型.jpg
知道整個模型后，就代碼來簡單了解下實現(xiàn)流程，先看下遞歸構(gòu)建RenderNode 樹及 DrawOp 集。
利用HardwareRenderer構(gòu)建DrawOp集
HardwareRenderer 是整個硬件加速繪制的入口，實現(xiàn)是一個ThreadedRenderer 對象，從名字能看出，ThreadedRenderer應(yīng)該跟一個Render線程息息相關(guān)，不過ThreadedRenderer是在UI線程中創(chuàng)建的，那么與UI線程也必定相關(guān)，其主要作用：
1、在UI線程中完成DrawOp集構(gòu)建
2、負責跟渲染線程通信
可見ThreadedRenderer的作用是很重要的，簡單看一下實現(xiàn)：
ThreadedRenderer(Context context, boolean translucent) {
...
<!--新建native node-->
long rootNodePtr = nCreateRootRenderNode();
mRootNode = RenderNode.adopt(rootNodePtr);
mRootNode.setClipToBounds(false);
<!--新建NativeProxy-->
mNativeProxy = nCreateProxy(translucent, rootNodePtr);
ProcessInitializer.sInstance.init(context, mNativeProxy);
loadSystemProperties();
}
從上面代碼看出，ThreadedRenderer中有一個RootNode用來標識整個DrawOp樹的根節(jié)點，有個這個根節(jié)點就可以訪問所有的繪制Op，同時還有個RenderProxy對象，這個對象就是用來跟渲染線程進行通信的句柄，看一下其構(gòu)造函數(shù)：
RenderProxy::RenderProxy(bool translucent, RenderNode* rootRenderNode, IContextFactory* contextFactory)
: mRenderThread(RenderThread::getInstance())
, mContext(nullptr) {
SETUP_TASK(createContext);
args->translucent = translucent;
args->rootRenderNode = rootRenderNode;
args->thread = &mRenderThread;
args->contextFactory = contextFactory;
mContext = (CanvasContext*) postAndWait(task);
mDrawFrameTask.setContext(&mRenderThread, mContext);
}
從RenderThread::getInstance()可以看出，RenderThread是一個單例線程，也就是說，每個進程最多只有一個硬件渲染線程，這樣就不會存在多線程并發(fā)訪問沖突問題，到這里其實環(huán)境硬件渲染環(huán)境已經(jīng)搭建好好了。下面就接著看ThreadedRenderer的draw函數(shù)，如何構(gòu)建渲染Op樹：
@Override
void draw(View view, AttachInfo attachInfo, HardwareDrawCallbacks callbacks) {
attachInfo.mIgnoreDirtyState = true;
final Choreographer choreographer = attachInfo.mViewRootImpl.mChoreographer;
choreographer.mFrameInfo.markDrawStart();
<!--關(guān)鍵點1：構(gòu)建View的DrawOp樹-->
updateRootDisplayList(view, callbacks);
<!--關(guān)鍵點2：通知RenderThread線程繪制-->
int syncResult = nSyncAndDrawFrame(mNativeProxy, frameInfo, frameInfo.length);
...
}
只關(guān)心關(guān)鍵點1 updateRootDisplayList，構(gòu)建RootDisplayList，其實就是構(gòu)建View的DrawOp樹，updateRootDisplayList會進而調(diào)用根View的updateDisplayListIfDirty，讓其遞歸子View的updateDisplayListIfDirty，從而完成DrawOp樹的創(chuàng)建，簡述一下流程：
private void updateRootDisplayList(View view, HardwareDrawCallbacks callbacks) {
<!--更新-->
updateViewTreeDisplayList(view);
if (mRootNodeNeedsUpdate || !mRootNode.isValid()) {
<!--獲取DisplayListCanvas-->
DisplayListCanvas canvas = mRootNode.start(mSurfaceWidth, mSurfaceHeight);
try {
<!--利用canvas緩存Op-->
final int saveCount = canvas.save();
canvas.translate(mInsetLeft, mInsetTop);
callbacks.onHardwarePreDraw(canvas);
canvas.insertReorderBarrier();
canvas.drawRenderNode(view.updateDisplayListIfDirty());
canvas.insertInorderBarrier();
callbacks.onHardwarePostDraw(canvas);
canvas.restoreToCount(saveCount);
mRootNodeNeedsUpdate = false;
} finally {
<!--將所有Op填充到RootRenderNode-->
mRootNode.end(canvas);
}
}
}
利用View的RenderNode獲取一個DisplayListCanvas
利用DisplayListCanvas構(gòu)建并緩存所有的DrawOp
將DisplayListCanvas緩存的DrawOp填充到RenderNode
將根View的緩存DrawOp設(shè)置到RootRenderNode中，完成構(gòu)建
繪制流程
簡單看一下View遞歸構(gòu)建DrawOp，并將自己填充到
@NonNull
public RenderNode updateDisplayListIfDirty() {
final RenderNode renderNode = mRenderNode;
...
// start 獲取一個 DisplayListCanvas 用于繪制 硬件加速
final DisplayListCanvas canvas = renderNode.start(width, height);
try {
// 是否是textureView
final HardwareLayer layer = getHardwareLayer();
if (layer != null && layer.isValid()) {
canvas.drawHardwareLayer(layer, 0, 0, mLayerPaint);
} else if (layerType == LAYER_TYPE_SOFTWARE) {
// 是否強制軟件繪制
buildDrawingCache(true);
Bitmap cache = getDrawingCache(true);
if (cache != null) {
canvas.drawBitmap(cache, 0, 0, mLayerPaint);
}
} else {
// 如果僅僅是ViewGroup，并且自身不用繪制，直接遞歸子View
if ((mPrivateFlags & PFLAG_SKIP_DRAW) == PFLAG_SKIP_DRAW) {
dispatchDraw(canvas);
} else {
<!--調(diào)用自己draw，如果是ViewGroup會遞歸子View-->
draw(canvas);
}
}
} finally {
<!--緩存構(gòu)建Op-->
renderNode.end(canvas);
setDisplayListProperties(renderNode);
}
}
return renderNode;
}
TextureView跟強制軟件繪制的View比較特殊，有額外的處理，這里不關(guān)心，直接看普通的draw，假如在View onDraw中，有個drawLine，這里就會調(diào)用DisplayListCanvas的drawLine函數(shù)，DisplayListCanvas及RenderNode類圖大概如下
硬件加速類圖
DisplayListCanvas的drawLine 函數(shù)最終會進入DisplayListCanvas.cpp的drawLine，
void DisplayListCanvas::drawLines(const float* points, int count, const SkPaint& paint) {
points = refBuffer<float>(points, count);
addDrawOp(new (alloc()) DrawLinesOp(points, count, refPaint(&paint)));
}
可以看到，這里構(gòu)建了一個DrawLinesOp，并添加到DisplayListCanvas的緩存列表中去，如此遞歸便可以完成DrawOp樹的構(gòu)建，在構(gòu)建后利用RenderNode的end函數(shù)，將DisplayListCanvas中的數(shù)據(jù)緩存到RenderNode中去：
public void end(DisplayListCanvas canvas) {
canvas.onPostDraw();
long renderNodeData = canvas.finishRecording();
<!--將DrawOp緩存到RenderNode中去-->
nSetDisplayListData(mNativeRenderNode, renderNodeData);
// canvas 回收掉]
canvas.recycle();
mValid = true;
}
如此，便完成了DrawOp樹的構(gòu)建，之后，利用RenderProxy向RenderThread發(fā)送消息，請求OpenGL線程進行渲染。
RenderThread渲染UI到Graphic Buffer
DrawOp樹構(gòu)建完畢后，UI線程利用RenderProxy向RenderThread線程發(fā)送一個DrawFrameTask任務(wù)請求，RenderThread被喚醒，開始渲染，大致流程如下：
- 首先進行DrawOp的合并
- 接著繪制特殊的Layer
- 最后繪制其余所有的DrawOpList
- 調(diào)用swapBuffers將前面已經(jīng)繪制好的圖形緩沖區(qū)提交給Surface Flinger合成和顯示。
不過再這之前先復習一下繪制內(nèi)存的由來，畢竟之前DrawOp樹的構(gòu)建只是在普通的用戶內(nèi)存中，而部分數(shù)據(jù)對于SurfaceFlinger都是不可見的，之后又繪制到共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)才會被SurfaceFlinger合成，之前分析過軟件繪制的UI是來自匿名共享內(nèi)存，那么硬件加速的共享內(nèi)存來自何處呢？到這里可能要倒回去看看 ViewRootImlp
private void performTraversals() {
...
if (mAttachInfo.mHardwareRenderer != null) {
try {
hwInitialized = mAttachInfo.mHardwareRenderer.initialize(
mSurface);
if (hwInitialized && (host.mPrivateFlags
& View.PFLAG_REQUEST_TRANSPARENT_REGIONS) == 0) {
mSurface.allocateBuffers();
}
} catch (OutOfResourcesException e) {
handleOutOfResourcesException(e);
return;
}
}
....
/**
* Allocate buffers ahead of time to avoid allocation delays during rendering
* @hide
*/
public void allocateBuffers() {
synchronized (mLock) {
checkNotReleasedLocked();
nativeAllocateBuffers(mNativeObject);
}
}
可以看出，對于硬件加速的場景，內(nèi)存分配的時機會稍微提前，而不是像軟件繪制事，由Surface的lockCanvas發(fā)起，主要目的是：避免在渲染的時候再申請，一是避免分配失敗，浪費了CPU之前的準備工作，二是也可以將渲染線程個工作簡化，在分析Android窗口管理分析（4）：Android View繪制內(nèi)存的分配、傳遞、使用的時候分析過，在分配成功后，如果有必要，會進行一次UI數(shù)據(jù)拷貝，這是局部繪制的根基，也是保證DrawOp可以部分執(zhí)行的基礎(chǔ)，到這里內(nèi)存也分配完畢。不過，還是會存在另一個問題，一個APP進程，同一時刻會有過個Surface繪圖界面，但是渲染線程只有一個，那么究竟渲染那個呢？這個時候就需要將Surface與渲染線程（上下文）綁定。
static jboolean android_view_ThreadedRenderer_initialize(JNIEnv* env, jobject clazz,
jlong proxyPtr, jobject jsurface) {
RenderProxy* proxy = reinterpret_cast<RenderProxy*>(proxyPtr);
sp<ANativeWindow> window = android_view_Surface_getNativeWindow(env, jsurface);
return proxy->initialize(window);
}
首先通過android_view_Surface_getNativeWindowSurface獲取Surface，在Native層,Surface對應(yīng)一個ANativeWindow,接著，通過RenderProxy類的成員函數(shù)initialize將前面獲得的ANativeWindow綁定到RenderThread
bool RenderProxy::initialize(const sp<ANativeWindow>& window) {
SETUP_TASK(initialize);
args->context = mContext;
args->window = window.get();
return (bool) postAndWait(task);
}
仍舊是向渲染線程發(fā)送消息，讓其綁定當前Window，其實就是調(diào)用CanvasContext的initialize函數(shù)，讓繪圖上下文綁定繪圖內(nèi)存：
bool CanvasContext::initialize(ANativeWindow* window) {
setSurface(window);
if (mCanvas) return false;
mCanvas = new OpenGLRenderer(mRenderThread.renderState());
mCanvas->initProperties();
return true;
}
CanvasContext通過setSurface將當前要渲染的Surface綁定到到RenderThread中，大概流程是通過eglApi獲得一個EGLSurface，EGLSurface封裝了一個繪圖表面，進而，通過eglApi將EGLSurface設(shè)定為當前渲染窗口，并將繪圖內(nèi)存等信息進行同步，之后通過RenderThread繪制的時候才能知道是在哪個窗口上進行繪制。這里主要是跟OpenGL庫對接，所有的操作最終都會歸結(jié)到eglApi抽象接口中去。假如，這里不是Android，是普通的Java平臺，同樣需要相似的操作，進行封裝處理，并綁定當前EGLSurface才能進行渲染，因為OpenGL是一套規(guī)范，想要使用，就必須按照這套規(guī)范走。之后，再創(chuàng)建一個OpenGLRenderer對象，后面執(zhí)行OpenGL相關(guān)操作的時候，其實就是通過OpenGLRenderer來進行的。
綁定流程
上面的流程走完，有序DrawOp樹已經(jīng)構(gòu)建好、內(nèi)存也已分配好、環(huán)境及場景也綁定成功，剩下的就是繪制了，不過之前說過，真正調(diào)用OpenGL繪制之前還有一些合并操作，這是Android硬件加速做的優(yōu)化，回過頭繼續(xù)走draw流程，其實就是走OpenGLRenderer的drawRenderNode進行遞歸處理：
void OpenGLRenderer::drawRenderNode(RenderNode* renderNode, Rect& dirty, int32_t replayFlags) {
...
<!--構(gòu)建deferredList-->
DeferredDisplayList deferredList(mState.currentClipRect(), avoidOverdraw);
DeferStateStruct deferStruct(deferredList, *this, replayFlags);
<!--合并及分組-->
renderNode->defer(deferStruct, 0);
<!--繪制layer-->
flushLayers();
startFrame();
<!--繪制 DrawOp樹-->
deferredList.flush(*this, dirty);
...
}
硬件加速渲染流程
先看下renderNode->defer(deferStruct, 0)，合并操作，DrawOp樹并不是直接被繪制的，而是首先通過DeferredDisplayList進行一個合并優(yōu)化，這個是Android硬件加速中采用的一種優(yōu)化手段，不僅可以減少不必要的繪制，還可以將相似的繪制集中處理，提高繪制速度。
void RenderNode::defer(DeferStateStruct& deferStruct, const int level) {
DeferOperationHandler handler(deferStruct, level);
issueOperations<DeferOperationHandler>(deferStruct.mRenderer, handler);
}
RenderNode::defer其實內(nèi)含遞歸操作，比如，如果當前RenderNode代表DecorView，它就會遞歸所有的子View進行合并優(yōu)化處理，簡述一下合并及優(yōu)化的流程及算法，其實主要就是根據(jù)DrawOp樹構(gòu)建DeferedDisplayList，defer本來就有延遲的意思，對于DrawOp的合并有兩個必要條件，
1：兩個DrawOp的類型必須相同，這個類型在合并的時候被抽象為Batch ID，取值主要有以下幾種
enum OpBatchId {
kOpBatch_None = 0, // Don't batch
kOpBatch_Bitmap,
kOpBatch_Patch,
kOpBatch_AlphaVertices,
kOpBatch_Vertices,
kOpBatch_AlphaMaskTexture,
kOpBatch_Text,
kOpBatch_ColorText,
kOpBatch_Count, // Add other batch ids before this
};
2：DrawOp的Merge ID必須相同，Merge ID沒有太多限制，由每個DrawOp自定決定，不過好像只有DrawPatchOp、DrawBitmapOp、DrawTextOp比較特殊，其余的似乎不需要考慮合并問題，即時是以上三種，合并的條件也很苛刻
在合并過程中，DrawOp被分為兩種：需要合的與不需要合并的，并分別緩存在不同的列表中，無法合并的按照類型分別存放在Batch* mBatchLookup[kOpBatch_Count]中，可以合并的按照類型及MergeID存儲到TinyHashMap<mergeid_t, DrawBatch*> mMergingBatches[kOpBatch_Count]中，示意圖如下：
DrawOp合并操作.jpg
合并之后，DeferredDisplayList Vector<Batch> mBatches包含全部整合后的繪制命令，之后渲染即可，需要注意的是這里的合并并不是多個變一個，只是做了一個集合，主要是方便使用各資源紋理等，比如繪制文字的時候，需要根據(jù)文字的紋理進行渲染，而這個時候就需要查詢文字的紋理坐標系，合并到一起方便統(tǒng)一處理，一次渲染，減少資源加載的浪費，當然對于理解硬件加速的整體流程，這個合并操作可以完全無視，甚至可以直觀認為，構(gòu)建完之后，就可以直接渲染，它的主要特點是在另一個Render線程使用OpenGL進行繪制，這個是它最重要的特點*。而mBatches中所有的DrawOp都會通過OpenGL被繪制到GraphicBuffer中，最后通過swapBuffers通知SurfaceFlinger合成。
總結(jié)
軟件繪制同硬件合成的區(qū)別主要是在繪制上，內(nèi)存分配、合成等整體流程是一樣的，只不過硬件加速相比軟件繪制算法更加合理，同時減輕了主線程的負擔。
以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。
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