转 如何高效使用和管理Bitmap--图片缓存管理模块的设计与实现

2022-05-15 11:21:11

上周为360全景项目引入了图片缓存模块。因为是在Android4.0平台以上运作，出于惯性，都会在设计之前查阅相关资料，尽量避免拿一些以前2.3平台积累的经验来进行类比处理。开发文档中有一个 BitmapFun的示例，仔细拜读了一下，虽说围绕着Bitmap的方方面面讲得都很深入，但感觉很难引入到当前项目中去。         现在的图片服务提供者基本上都来源于网络。对于应用平台而言，访问网络属于耗时操作。尤其是在移动终端设备上，它的显著表现为系统的延迟时间变长、用户交互性变差等。可以想象，一个携带着这些问题的应用在市场上是很难与同类产品竞争的。 
        说明一下，本文借鉴了 Keegan小钢和安卓巴士的处理模板，主要针对的是4.0以上平台应用。2.3以前平台执行效果未知，请斟酌使用或直接略过：），当然更欢迎您把测试结果告知笔者。 
一、图片加载流程 
        首先，我们谈谈加载图片的流程，项目中的该模块处理流程如下： 
1.在UI主线程中，从内存缓存中获取图片，找到后返回。找不到进入下一步； 
2.在工作线程中，从磁盘缓存中获取图片，找到即返回并更新内存缓存。找不到进入下一步； 
3.在工作线程中，从网络中获取图片，找到即返回并同时更新内存缓存和磁盘缓存。找不到显示默认以提示。

二、内存缓存类（PanoMemCache）

这里使用Android提供的LruCache类，该类保存一个强引用来限制内容数量，每当Item被访问的时候，此Item就会移动到队列的头部。当cache已满的时候加入新的item时，在队列尾部的item会被回收。

[java] view plain copy print ?
  1. public class PanoMemoryCache {
  2. // LinkedHashMap初始容量
  3. private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
  4. // LinkedHashMap加载因子
  5. private static final int LOAD_FACTOR = 0.75f;
  6. // LinkedHashMap排序模式
  7. private static final boolean ACCESS_ORDER = true;
  8. // 软引用缓存
  9. private static LinkedHashMap<String, SoftReference<Bitmap>> mSoftCache;
  10. // 硬引用缓存
  11. private static LruCache<String, Bitmap> mLruCache;
  12. public PanoMemoryCache() {
  13. // 获取单个进程可用内存的最大值
  14. // 方式一：使用ActivityManager服务（计量单位为M）
  15. /*int memClass = ((ActivityManager) context.getSystemService(Context.ACTIVITY_SERVICE)).getMemoryClass();*/
  16. // 方式二：使用Runtime类（计量单位为Byte）
  17. final int memClass = (int) Runtime.getRuntime().maxMemory();
  18. // 设置为可用内存的1/4（按Byte计算）
  19. final int cacheSize = memClass / 4;
  20. mLruCache = new LruCache<String, Bitmap>(cacheSize) {
  21. @Override
  22. protected int sizeOf(String key, Bitmap value) {
  23. if(value != null) {
  24. // 计算存储bitmap所占用的字节数
  25. return value.getRowBytes() * value.getHeight();
  26. } else {
  27. return 0;
  28. }
  29. }
  30. @Override
  31. protected void entryRemoved(boolean evicted, String key, Bitmap oldValue, Bitmap newValue) {
  32. if(oldValue != null) {
  33. // 当硬引用缓存容量已满时，会使用LRU算法将最近没有被使用的图片转入软引用缓存
  34. mSoftCache.put(key, new SoftReference<Bitmap>(oldValue));
  35. }
  36. }
  37. };
  38. /*
  39. * 第一个参数：初始容量（默认16）
  40. * 第二个参数：加载因子（默认0.75）
  41. * 第三个参数：排序模式（true：按访问次数排序；false：按插入顺序排序）
  42. */
  43. mSoftCache = new LinkedHashMap<String, SoftReference<Bitmap>>(INITIAL_CAPACITY, LOAD_FACTOR, ACCESS_ORDER) {
  44. private static final long serialVersionUID = 7237325113220820312L;
  45. @Override
  46. protected boolean removeEldestEntry(Entry<String, SoftReference<Bitmap>> eldest) {
  47. if(size() > SOFT_CACHE_SIZE) {
  48. return true;
  49. }
  50. return false;
  51. }
  52. };
  53. }
  54. /**
  55. * 从缓存中获取Bitmap
  56. * @param url
  57. * @return bitmap
  58. */
  59. public Bitmap getBitmapFromMem(String url) {
  60. Bitmap bitmap = null;
  61. // 先从硬引用缓存中获取
  62. synchronized (mLruCache) {
  63. bitmap = mLruCache.get(url);
  64. if(bitmap != null) {
  65. // 找到该Bitmap之后，将其移到LinkedHashMap的最前面，保证它在LRU算法中将被最后删除。
  66. mLruCache.remove(url);
  67. mLruCache.put(url, bitmap);
  68. return bitmap;
  69. }
  70. }
  71. // 再从软引用缓存中获取
  72. synchronized (mSoftCache) {
  73. SoftReference<Bitmap> bitmapReference = mSoftCache.get(url);
  74. if(bitmapReference != null) {
  75. bitmap = bitmapReference.get();
  76. if(bitmap != null) {
  77. // 找到该Bitmap之后，将它移到硬引用缓存。并从软引用缓存中删除。
  78. mLruCache.put(url, bitmap);
  79. mSoftCache.remove(url);
  80. return bitmap;
  81. } else {
  82. mSoftCache.remove(url);
  83. }
  84. }
  85. }
  86. return null;
  87. }
  88. /**
  89. * 添加Bitmap到内存缓存
  90. * @param url
  91. * @param bitmap
  92. */
  93. public void addBitmapToCache(String url, Bitmap bitmap) {
  94. if(bitmap != null) {
  95. synchronized (mLruCache) {
  96. mLruCache.put(url, bitmap);
  97. }
  98. }
  99. }
  100. /**
  101. * 清理软引用缓存
  102. */
  103. public void clearCache() {
  104. mSoftCache.clear();
  105. mSoftCache = null;
  106. }
  107. }

补充一点，由于4.0平台以后对SoftReference类引用的对象调整了回收策略，所以该类中的软引用缓存实际上没什么效果，可以去掉。2.3以前平台建议保留。 
三、磁盘缓存类（PanoDiskCache）

[java] view plain copy print ?
  1. public class PanoDiskCache {
  2. private static final String TAG = "PanoDiskCache";
  3. // 文件缓存目录
  4. private static final String CACHE_DIR = "panoCache";
  5. private static final String CACHE_FILE_SUFFIX = ".cache";
  6. private static final int MB = 1024 * 1024;
  7. private static final int CACHE_SIZE = 10; // 10M
  8. private static final int SDCARD_CACHE_THRESHOLD = 10;
  9. public PanoDiskCache() {
  10. // 清理文件缓存
  11. removeCache(getDiskCacheDir());
  12. }
  13. /**
  14. * 从磁盘缓存中获取Bitmap
  15. * @param url
  16. * @return
  17. */
  18. public Bitmap getBitmapFromDisk(String url) {
  19. String path = getDiskCacheDir() + File.separator + genCacheFileName(url);
  20. File file = new File(path);
  21. if(file.exists()) {
  22. Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeFile(path);
  23. if(bitmap == null) {
  24. file.delete();
  25. } else {
  26. updateLastModified(path);
  27. return bitmap;
  28. }
  29. }
  30. return null;
  31. }
  32. /**
  33. * 将Bitmap写入文件缓存
  34. * @param bitmap
  35. * @param url
  36. */
  37. public void addBitmapToCache(Bitmap bitmap, String url) {
  38. if(bitmap == null) {
  39. return;
  40. }
  41. // 判断当前SDCard上的剩余空间是否足够用于文件缓存
  42. if(SDCARD_CACHE_THRESHOLD > calculateFreeSpaceOnSd()) {
  43. return;
  44. }
  45. String fileName = genCacheFileName(url);
  46. String dir = getDiskCacheDir();
  47. File dirFile = new File(dir);
  48. if(!dirFile.exists()) {
  49. dirFile.mkdirs();
  50. }
  51. File file = new File(dir + File.separator + fileName);
  52. try {
  53. file.createNewFile();
  54. FileOutputStream out = new FileOutputStream(file);
  55. bitmap.compress(Bitmap.CompressFormat.JPEG, 100, out);
  56. out.flush();
  57. out.close();
  58. } catch (FileNotFoundException e) {
  59. Log.e(TAG, "FileNotFoundException");
  60. } catch (IOException e) {
  61. Log.e(TAG, "IOException");
  62. }
  63. }
  64. /**
  65. * 清理文件缓存
  66. * 当缓存文件总容量超过CACHE_SIZE或SDCard的剩余空间小于SDCARD_CACHE_THRESHOLD时，将删除40%最近没有被使用的文件
  67. * @param dirPath
  68. * @return
  69. */
  70. private boolean removeCache(String dirPath) {
  71. File dir = new File(dirPath);
  72. File[] files = dir.listFiles();
  73. if(files == null || files.length == 0) {
  74. return true;
  75. }
  76. if(!Environment.getExternalStorageState().equals(Environment.MEDIA_MOUNTED)) {
  77. return false;
  78. }
  79. int dirSize = 0;
  80. for (int i = 0; i < files.length; i++) {
  81. if(files[i].getName().contains(CACHE_FILE_SUFFIX)) {
  82. dirSize += files[i].length();
  83. }
  84. }
  85. if(dirSize > CACHE_SIZE * MB || SDCARD_CACHE_THRESHOLD > calculateFreeSpaceOnSd()) {
  86. int removeFactor = (int) (0.4 * files.length + 1);
  87. Arrays.sort(files, new FileLastModifiedSort());
  88. for (int i = 0; i < removeFactor; i++) {
  89. if(files[i].getName().contains(CACHE_FILE_SUFFIX)) {
  90. files[i].delete();
  91. }
  92. }
  93. }
  94. if(calculateFreeSpaceOnSd() <= SDCARD_CACHE_THRESHOLD) {
  95. return false;
  96. }
  97. return true;
  98. }
  99. /**
  100. * 更新文件的最后修改时间
  101. * @param path
  102. */
  103. private void updateLastModified(String path) {
  104. File file = new File(path);
  105. long time = System.currentTimeMillis();
  106. file.setLastModified(time);
  107. }
  108. /**
  109. * 计算SDCard上的剩余空间
  110. * @return
  111. */
  112. private int calculateFreeSpaceOnSd() {
  113. StatFs stat = new StatFs(Environment.getExternalStorageDirectory().getPath());
  114. double sdFreeMB = ((double) stat.getAvailableBlocks() * (double) stat.getBlockSize()) / MB;
  115. return (int) sdFreeMB;
  116. }
  117. /**
  118. * 生成统一的磁盘文件后缀便于维护
  119. * 从URL中得到源文件名称，并为它追加缓存后缀名.cache
  120. * @param url
  121. * @return 文件存储后的名称
  122. */
  123. private String genCacheFileName(String url) {
  124. String[] strs = url.split(File.separator);
  125. return strs[strs.length - 1] + CACHE_FILE_SUFFIX;
  126. }
  127. /**
  128. * 获取磁盘缓存目录
  129. * @return
  130. */
  131. private String getDiskCacheDir() {
  132. return getSDPath() + File.separator + CACHE_DIR;
  133. }
  134. /**
  135. * 获取SDCard目录
  136. * @return
  137. */
  138. private String getSDPath() {
  139. File sdDir = null;
  140. // 判断SDCard是否存在
  141. boolean sdCardExist = Environment.getExternalStorageState().equals(Environment.MEDIA_MOUNTED);
  142. if(sdCardExist) {
  143. // 获取SDCard根目录
  144. sdDir = Environment.getExternalStorageDirectory();
  145. }
  146. if(sdDir != null) {
  147. return sdDir.toString();
  148. } else {
  149. return "";
  150. }
  151. }
  152. /**
  153. * 根据文件最后修改时间进行排序
  154. */
  155. private class FileLastModifiedSort implements Comparator<File> {
  156. @Override
  157. public int compare(File lhs, File rhs) {
  158. if(lhs.lastModified() > rhs.lastModified()) {
  159. return 1;
  160. } else if(lhs.lastModified() == rhs.lastModified()) {
  161. return 0;
  162. } else {
  163. return -1;
  164. }
  165. }
  166. }
  167. }

四、图片工具类（PanoUtils） 
1.从网络上获取图片：downloadBitmap()

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  1. /**
  2. * 从网络上获取Bitmap，并进行适屏和分辨率处理。
  3. * @param context
  4. * @param url
  5. * @return
  6. */
  7. public static Bitmap downloadBitmap(Context context, String url) {
  8. HttpClient client = new DefaultHttpClient();
  9. HttpGet request = new HttpGet(url);
  10. try {
  11. HttpResponse response = client.execute(request);
  12. int statusCode = response.getStatusLine().getStatusCode();
  13. if(statusCode != HttpStatus.SC_OK) {
  14. Log.e(TAG, "Error " + statusCode + " while retrieving bitmap from " + url);
  15. return null;
  16. }
  17. HttpEntity entity = response.getEntity();
  18. if(entity != null) {
  19. InputStream in = null;
  20. try {
  21. in = entity.getContent();
  22. return scaleBitmap(context, readInputStream(in));
  23. } finally {
  24. if(in != null) {
  25. in.close();
  26. in = null;
  27. }
  28. entity.consumeContent();
  29. }
  30. }
  31. } catch (IOException e) {
  32. request.abort();
  33. Log.e(TAG, "I/O error while retrieving bitmap from " + url, e);
  34. } catch (IllegalStateException e) {
  35. request.abort();
  36. Log.e(TAG, "Incorrect URL: " + url);
  37. } catch (Exception e) {
  38. request.abort();
  39. Log.e(TAG, "Error while retrieving bitmap from " + url, e);
  40. } finally {
  41. client.getConnectionManager().shutdown();
  42. }
  43. return null;
  44. }

2.从输入流读取字节数组，看起来是不是很眼熟啊！

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  1. public static byte[] readInputStream(InputStream in) throws Exception {
  2. ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
  3. byte[] buffer = new byte[1024];
  4. int len = 0;
  5. while((len = in.read(buffer)) != -1) {
  6. out.write(buffer, 0, len);
  7. }
  8. in.close();
  9. return out.toByteArray();
  10. }

3.对下载的源图片进行适屏处理，这也是必须的：）

[java] view plain copy print ?
  1. /**
  2. * 按使用设备屏幕和纹理尺寸适配Bitmap
  3. * @param context
  4. * @param in
  5. * @return
  6. */
  7. private static Bitmap scaleBitmap(Context context, byte[] data) {
  8. WindowManager windowMgr = (WindowManager) context.getSystemService(Context.WINDOW_SERVICE);
  9. DisplayMetrics outMetrics = new DisplayMetrics();
  10. windowMgr.getDefaultDisplay().getMetrics(outMetrics);
  11. int scrWidth = outMetrics.widthPixels;
  12. int scrHeight = outMetrics.heightPixels;
  13. BitmapFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();
  14. options.inJustDecodeBounds = true;
  15. Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeByteArray(data, 0, data.length, options);
  16. int imgWidth = options.outWidth;
  17. int imgHeight = options.outHeight;
  18. if(imgWidth > scrWidth || imgHeight > scrHeight) {
  19. options.inSampleSize = calculateInSampleSize(options, scrWidth, scrHeight);
  20. }
  21. options.inJustDecodeBounds = false;
  22. bitmap = BitmapFactory.decodeByteArray(data, 0, data.length, options);
  23. // 根据业务的需要，在此处还可以进一步做处理
  24. ...
  25. return bitmap;
  26. }
  27. /**
  28. * 计算Bitmap抽样倍数
  29. * @param options
  30. * @param reqWidth
  31. * @param reqHeight
  32. * @return
  33. */
  34. public static int calculateInSampleSize(BitmapFactory.Options options, int reqWidth, int reqHeight) {
  35. // 原始图片宽高
  36. final int height = options.outHeight;
  37. final int width = options.outWidth;
  38. int inSampleSize = 1;
  39. if (height > reqHeight || width > reqWidth) {
  40. // 计算目标宽高与原始宽高的比值
  41. final int heightRatio = Math.round((float) height / (float) reqHeight);
  42. final int widthRatio = Math.round((float) width / (float) reqWidth);
  43. // 选择两个比值中较小的作为inSampleSize的值
  44. inSampleSize = heightRatio < widthRatio ? heightRatio : widthRatio;
  45. if(inSampleSize < 1) {
  46. inSampleSize = 1;
  47. }
  48. }
  49. return inSampleSize;
  50. }

五、使用decodeByteArray()还是decodeStream()？ 
        讲到这里，有童鞋可能会问我为什么使用BitmapFactory.decodeByteArray(data, 0, data.length, opts)来创建Bitmap，而非使用BitmapFactory.decodeStream(is, null, opts)。你这样做不是要多写一个静态方法readInputStream()吗？ 
        没错，decodeStream()确实是该使用情景下的首选方法，但是在有些情形下，它会导致图片资源不能即时获取，或者说图片被它偷偷地缓存起来，交 还给我们的时间有点长。但是延迟性是致命的，我们等不起。所以在这里选用decodeByteArray()获取，它直接从字节数组中获取，贴近于底层 IO、脱离平台限制、使用起来风险更小。 
六、引入缓存机制后获取图片的方法

[java] view plain copy print ?
  1. /**
  2. * 加载Bitmap
  3. * @param url
  4. * @return
  5. */
  6. private Bitmap loadBitmap(String url) {
  7. // 从内存缓存中获取，推荐在主UI线程中进行
  8. Bitmap bitmap = memCache.getBitmapFromMem(url);
  9. if(bitmap == null) {
  10. // 从文件缓存中获取，推荐在工作线程中进行
  11. bitmap = diskCache.getBitmapFromDisk(url);
  12. if(bitmap == null) {
  13. // 从网络上获取，不用推荐了吧，地球人都知道~_~
  14. bitmap = PanoUtils.downloadBitmap(this, url);
  15. if(bitmap != null) {
  16. diskCache.addBitmapToCache(bitmap, url);
  17. memCache.addBitmapToCache(url, bitmap);
  18. }
  19. } else {
  20. memCache.addBitmapToCache(url, bitmap);
  21. }
  22. }
  23. return bitmap;
  24. }

七、工作线程池化 
        有关多线程的切换问题以及在UI线程中执行loadBitmap()方法无效的问题，请参见另一篇博文： 使用严苛模式打破Android4.0以上平台应用中UI主线程的“独断专行”。 
有关工作线程的处理方式，这里推荐使用定制线程池的方式，核心代码如下：

[java] view plain copy print ?
  1. // 线程池初始容量
  2. private static final int POOL_SIZE = 4;
  3. private ExecutorService executorService;
  4. @Override
  5. public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
  6. super.onCreate(savedInstanceState);
  7. // 获取当前使用设备的CPU个数
  8. int cpuNums = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
  9. // 预开启线程池数目
  10. executorService = Executors.newFixedThreadPool(cpuNums * POOL_SIZE);
  11. ...
  12. executorService.submit(new Runnable() {
  13. // 此处执行一些耗时工作，不要涉及UI工作。如果遇到，直接转交UI主线程
  14. pano.setImage(loadBitmap(url));
  15. });
  16. ...
  17. }

我们知道，线程构造也是比较耗资源的。一定要对其进行有效的管理和维护。千万不要随意而行，一张图片的工作线程不搭理也许没什么，当使用场景变为 ListView和GridView时，线程池化工作就显得尤为重要了。Android不是提供了AsyncTask吗？为什么不用它？其实 AsyncTask底层也是靠线程池支持的，它默认分配的线程数是128，是远大于我们定制的executorService。

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