在英特尔® 架构平台上开发和优化基于 NDK 的 Android 游戏应用

2022-02-07 05:31:37

作者：杜伟

Android 原生开发套件 (NDK) 是 Android SDK 的附带工具。借助该工具，您可以使用诸如 C 和 C++ 等本地代码语言实现部分应用。

您可以从以下网址下载该 NDK 工具包： http://developer.android.com/tools/sdk/ndk/index.html

适合 X86 指令集架构的 NDK

Android 是一个由 Google 开发的开源操作系统。当前，Android 可以在三种指令集架构上运行： ARM、x86 和 MIPS。 X86 表示一组基于英特尔 8086 CPU（自 1978 年开始使用）的指令集架构。我们现在从应用程序的角度介绍 X86 (也称为英特尔? 架构，或 IA) 和其他 Android 可以运行的芯片组之间的差异。

Android 应用可被分成两类：

包含 Java* 代码和仅使用 Android 官方 SDK API 和必要资源文件（诸如 .xml 和 .png）的 Dalvik 应用，可编译成一个 APK 文件。
包含 Java 代码、资源文件、C/C++ 源代码（有时也包含汇编码）的 Android NDK 应用。所有本地代码被编译成一个动态链接库 (.so 文件)，然后在主程序中通过使用 JNI 机制的 Java 进行调用。

Android 游戏引擎

游戏引擎是游戏应用的一个重要模块。有几个引擎可以在 Android 上运行，其中包括一些开源的商用 2D 和 3D 引擎。因此，我们很难将 Android 游戏迁移到 IA 平台上，也难以在这种平台上开发 Android 游戏。 Cocos2d-x 和 Unity 3D 是 Android 平台最受欢迎的游戏引擎。

Cocos2d-x 基于 Cocos2d-iPhone 构建而成，包含各种扩展支持平台，同时还有多种可以共享同一种 API 结构的编程语言。自 2010 年 7 月开始使用以来，cocos2d-x 下载的次数已经超过了 5 亿次。包括 Zynga、Glu、GREE、DeNA、Konami、TinyCo、Gamevil、HandyGames、Renren Games、4399、HappyElements、SDO 和 Kingsoft 在内的著名手机游戏公司正在使用 cocos2d-x。

Unity 3D 是一个跨平台的游戏引擎，内建有 Unity Technologies 公司开发的 IDE。我们可以使用它开发适合 web 插件、台式机平台、控制台和移动设备的视频游戏。迄今为止，已经有超过一百万的开发人员使用过该引擎。 2005 年时，它只是一个 OS X 支持的游戏开发工具，现在，它已经成长为一个多平台游戏引擎。最新的更新 Unity 4.1 于 2013 年三月发布。它现在可以支持 iOS、Android、Windows、Blackberry 10、OS X、Linux、web 浏览器、Flash*、PlayStation 3、Xbox 360、Windows Phone 和 Wii 的应用开发。

在 IA 平台上开发基于 NDK 的游戏

在我们讨论游戏开发之前，我们应当先讨论 Android 平台。如您所知，游戏有着多种不同的风格。不同风格的游戏需要不同的设计原理。在您的项目开始前，您应当先为您的游戏确定风格。如果您不能想出全新的和前所未见的思路，那么很可能您的游戏思路就会因为效仿当前流行风格而变得普通。大多数的风格已经成为了机械的游戏标准（例如控制方案、具体目标等）。而偏离这些标准则可能让您的游戏变得与众不同，因为游戏玩家总会期待出现新的事物。一些常见的风格包括：

街机与动作
益智解密
纸牌与赌场
休闲
动态壁纸
竞赛
体育游戏
小游戏
等等

开发普通 Android 游戏的过程和任何其他的 Android 应用相类似。首先，从 Google 的网站下载 Android SDK 和 NDK，然后进行正确安装。

我假设您已经完成了所有的安装和准备工作。我们以 Cocos2d-x 游戏引擎为例，说明如何为英特尔人架构创建一款游戏。

下载 Cocos2D-x

从以下网站下载稳定、最新的 Cocos2D-x 版本： http://www.cocos2d-x.org/projects/cocos2d-x/wiki/Download

执行批处理

执行来自 Windows Explorer 的批处理任务。当它询问你项目位置时，请把它设置成像 com.yourproject.something 一样的格式，并选择项目名称和目标 ID。这将在 cocos2dx 安装文件夹中创建一个以项目名称的名称的文件夹。您应当参考无错式脚本的执行情况，具体如下：

设置 NDK_ROOT 的环境变量

将以下环境变量添加到 home\<yourname>\.bash_profile 文件的结尾处（在本案例中：c:\cygwin\home\user\.bash_profile）：



1
NDK_ROOT=/cygdrive/<yourname>/


2
 


3
export
 NDK_ROOT

重启 cygwin，输入 cd $NDK_ROOT，您会看到该屏幕：

执行 build_native.sh 文件

默认的配置是 ARM；我们需要改变配置，使其符合 x86 的编译要求。打开 \helloworld\proj.android \build_native.sh 文件，找到 ndk-build 命令，将 APP_ABI=x86 参数添加到该命令的结尾处。在 Cygwin 中运行它，您会看到：

把项目导入到 Eclipse

现在转至 Eclipse，创建一个新的项目 -> 从现有项目导入。

构建并运行

到该步骤时，Eclipse 将会出现一些问题：

导入问题 org.cocos2dx.lib 不能被解析为 HelloWorld.java

/HelloWorld/src/com/young40/test 第 26 行 Java 问题 Cocos2dxActivity 不能被解析为 HelloWorld.java 类型

/HelloWorld/src/com/young40/test 第 30 行 Java 问题 Cocos2dxActivity 不能被解析为 HelloWorld.java 类型

/HelloWorld/src/com/young40/test 第 33 行 Java 问题

你必须将下列库导入到 Eclipse 中：

cocos2d-2.1beta3-x-2.1.1/cocos2dx/platform/android/java

转至 Project -> Build，然后运行 As -> Android Application：

然后将针对 cocos2dx 游戏引擎构建一个游戏框架。您可以将游戏逻辑、音频、图片等资源添加到该项目中，使其成为一款完整的游戏。

在 IA 平台上优化基于 Android NDK 的游戏

英特尔? System Studio 是一套可对 Android 平台上的应用进行配置和优化的工具。当然，我们也可以使用它对游戏进行优化。英特尔 System Studio 包括：

英特尔? C++ 编译器
英特尔? 图形性能分析器
英特尔? VTune? 放大器
(英特尔? JTAG 调试器)

本文中我们无法针对每个工具进行详细解释。我们只能通过一个示例为您演示英特尔工具的工作原理。

首先，我们以一个名为“弹跳小球”的应用为例，该应用将在一个因特尔? 凌动? Z2460 (代号 Medfield) 处理器上运行。该游戏共有 800 多个小球，这些小球移动时的速度是随机的，彼此之间的碰撞也毫无规律性。我们通过测量 FPS 发现其性能很差，在不进行任何优化的情况下仅为 6。

我们可以使用英特尔? 图形性能分析器 (Intel? GPA) 找出是哪个模块造成这种瓶颈，查明 CPU 或 GPU 是否是这种问题的根源。

以下为英特尔 GPA 屏幕截图，该图表通过 Android 平台上的 GPA 说明了该应用的细节情况。您会看到此时 CPU 消耗了 52.5% 的资源。这对一款应用来说已经是相当高的比例。同时，运行在 GPU 内的 ISP 负载、TA 负载、TSP 负载和 USSE 总负载都低于 10%，这意味着 GPU 负载是正常的。因此我们可以推断出 CPU 模块是造成瓶颈的根源。为了进一步分析 CPU 瓶颈问题，我们需要使用 VTune? 分析器配置代码。

此处我们不会说明如何使用 VTune 分析器，我们只对我们在运行它时获得的结果进行解释。关键就在于 libm.so 之内的正弦和余弦函数。因此问题就是：该应用在运行这两个函数时为何会花费如此多的时间和 CPU 循环？

通过检查应用源代码，我们发现每个小球在被 OpenGL ES* 渲染时都会调用这两个关键函数。所有小球的几何结构都是相同的，只是尺寸有所不同。我们可以使用 OpenGL 的 glScale 函数复制小球，这样关键函数的工作量就会大幅降低。

代码优化之后，性能提升了 80%；FPS 是 14。而且，我们可以通过英特尔 C/C++ 编译器编译应用，进而在英特尔架构平台上实现更出色的性能。英特尔 C/C++ 编译器在 IA 平台上有许多性能优化标识。此处我们只介绍其中一些标识。

SSSE3_ATOM
补充流 SIMD 扩展 3 (SSSE3 或 SSE3S) 是一种由英特尔创建的 SIMD 指令集，属于第四代 SSE 技术。
IPO
过程间优化标识会降低函数调用开销、消除死码同时对常数传播和流程进行重新整理。
PGO
配置文件导引优化标识通过分析将许多问题留给优化程序处理，例如：
- x > y 的频率
- 计数的大小是多少
- 接触的代码有哪些，以及频率

此外，因特尔 C/C++ 编译器也可按如下方式提升应用性能：

更准确的分支预测
基本块移动提升指令高速缓存行为
更好的内联函数决策（有助于 IPO）
更好的函数排序优化
开关语句优化
更好的向量化决策

通过使用不同的编译器和不同的编译参数，一款应用可以实现不同的性能。此处对比了两种编译器 GCC 和 ICC 的性能。我们让同一款“弹跳小球”应用运行在搭载英特尔 Medfield 的 android 手机上。蓝色部分代表 GCC 的性能，红色部分代表 ICC 性能。而对比的基准就是不使用任何参数进行编译。图表的第二部分表示通过 arch=atom 进行编辑。第三部分表示通过所有上述参数进行重新编译。最后，您能看到通过 ICC 编译的应用与 GCC 相比在性能上提升了 60%。

总结

我们为您快速介绍了在 IA 平台上进行 Android 游戏开发和优化。游戏引擎是所有游戏开发的核心部分。如果它们在 IA 平台上运行得很流畅，那么游戏也会运行的很流畅。我们以流行的游戏引擎 cocos2dx 为例演示如何在 IA 平台上进行开发。英特尔也为开发人员提供了许多工具，帮助他们在 Android 平台上优化自己的游戏应用。通过使用英特尔 System Studio，我们展示了如何对一个示例应用进行优化。

关于作者

Tao Peng 是英特尔软件和服务事业部的一名应用工程师,专注于移动应用支持领域，主要负责为 x86 设备进行 Android 应用开发和优化以及 Web HTML5 应用开发。

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