4.2.Android 硬件加速补充

2022-07-12 18:56:41

具体源码分析在之后上传，因为涉及的东西特别多

 

参考

https://hencoder.com/ui-1-8/

https://blog.csdn.net/OneDeveloper/article/details/79791302

https://www.jianshu.com/p/f1feafffc365

 

概念

在正式开始之前需要说明一下，作为绘制部分的最后一期，本期内容只是为了内容的完整性做一个补充，因为之前好几期的内容里都有涉及硬件加速的技术点，而一些读者因为不了解硬件加速而产生了一些疑问。所以仅仅从难度上来讲，这期的内容并不难，并且本期的大部分内容你都可以从这两个页面中找到：

https://developer.android.google.cn/guide/topics/graphics/hardware-accel.html

 

https://www.youtube.com/watch?v=v9S5EO7CLjo

 

下面进入正题。

所谓硬件加速，指的是把某些计算工作交给专门的硬件来做，而不是和普通的计算工作一样交给 CPU 来处理。这样不仅减轻了 CPU 的压力，而且由于有了「专人」的处理，这份计算工作的速度也被加快了。这就是「硬件加速」。

而对于 Android 来说，硬件加速有它专属的意思：在 Android 里，硬件加速专指把 View 中绘制的计算工作交给 GPU 来处理。

进一步地再明确一下，这个「绘制的计算工作」指的就是把绘制方法中的那些 Canvas.drawXXX() 变成实际的像素这件事。

原理

在硬件加速关闭的时候，Canvas 绘制的工作方式是：把要绘制的内容写进一个 Bitmap，然后在之后的渲染过程中，这个 Bitmap 的像素内容被直接用于渲染到屏幕。这种绘制方式的主要计算工作在于把绘制操作转换为像素的过程（例如由一句 Canvas.drawCircle() 来获得一个具体的圆的像素信息），这个过程的计算是由 CPU 来完成的。大致就像这样：

4.2.Android 硬件加速补充

 

而在硬件加速开启时，Canvas 的工作方式改变了：它只是把绘制的内容转换为 GPU 的操作保存了下来，然后就把它交给 GPU，最终由 GPU 来完成实际的显示工作。大致是这样：

4.2.Android 硬件加速补充

如图，在硬件加速开启时，CPU 做的事只是把绘制工作转换成 GPU 的操作，这个工作量相对来说是非常小的。

 

怎么就「加速」了？

从上面的图中可以看出，硬件加速开启后，绘制的计算工作由 CPU 转交给了 GPU。不过这怎么就能起到「加速」作用，让绘制变快了呢？

硬件加速能够让绘制变快，主要有三个原因：

  1. 本来由 CPU 自己来做的事，分摊给了 GPU 一部分，自然可以提高效率；
  2. 相对于 CPU 来说，GPU 自身的设计本来就对于很多常见类型内容的计算（例如简单的圆形、简单的方形）具有优势；
  3. 由于绘制流程的不同，硬件加速在界面内容发生重绘的时候绘制流程可以得到优化，避免了一些重复操作，从而大幅提升绘制效率。

其中前两点可以总结为一句：用了 GPU，绘制就是快。原因很直观，不再多说。

 

关于第三点，它的原理我大致说一下：

  • 在硬件加速关闭时，绘制内容会被 CPU 转换成实际的像素，然后直接渲染到屏幕。具体来说，这个「实际的像素」，它是由 Bitmap来承载的（在硬件加速关闭的时候，Canvas 绘制的工作方式是：把要绘制的内容写进一个 Bitmap，然后在之后的渲染过程中，这个 Bitmap 的像素内容被直接用于渲染到屏幕）。在界面中的某个 View 由于内容发生改变而调用 invalidate() 方法时，如果没有开启硬件加速，那么为了正确计算 Bitmap 的像素，这个View的父 View、父View 的父View 乃至一直向上直到最* View，以及所有和它相交的兄弟 View，都需要被调用 invalidate()来重绘。一个 View 的改变使得大半个界面甚至整个界面都重绘一遍，这个工作量是非常大的。

 

  • 而在硬件加速开启时，绘制的内容会被转换成 GPU 的操作保存下来（承载的形式称为 display list，对应的类也叫做 DisplayList），再转交给 GPU。由于所有的绘制内容都没有变成最终的像素，所以它们之间是相互独立的，那么在界面内容发生改变的时候，只要把发生了改变的 View 调用 invalidate() 方法以更新它所对应的 GPU 操作就好，至于它的父 View 和兄弟 View，只需要保持原样。那么这个工作量就很小了。

 

正是由于上面的原因，硬件加速不仅是由于 GPU 的引入而提高了绘制效率，还由于绘制机制的改变，而极大地提高了界面内容改变时的刷新效率。

 

这里有个点需要注意，不管有没有硬件加速，在屏幕上绘制 UI 的时候，还是需要重新绘制整个屏幕的内容，而不是单单绘制发生变化的内容部分，之所以加速，是因为有了 Display List 把相关的操作缓存下来，而不用每次再去重复操作了。

 

所以把上面的三条压缩总结一下，硬件加速更快的原因有两条：

  • 用了 GPU，绘制变快了；
  • 绘制机制的改变，导致界面内容改变时的刷新效率极大提高。

layer type

在之前几期的内容里我提到过几次，如果你的绘制操作不支持硬件加速，你需要手动关闭硬件加速来绘制界面，关闭的方式是通过这行代码：

view.setLayerType(LAYER_TYPE_SOFTWARE, null);

 

硬件加速可以使用 setLayerType() 来关闭硬件加速，但这个方法其实是用来设置 View Layer 的：

  1. 参数为 LAYER_TYPE_SOFTWARE 时，使用软件来绘制 View Layer，绘制到一个 Bitmap，并顺便关闭硬件加速；
  2. 参数为 LAYER_TYPE_HARDWARE 时，使用 GPU 来绘制 View Layer，绘制到一个 OpenGL texture（如果硬件加速关闭，那么行为和 VIEW_TYPE_SOFTWARE 一致）；
  3. 参数为 LAYER_TYPE_NONE 时，关闭 View Layer。

 

View Layer 可以加速无 invalidate() 时的刷新效率，但对于需要调用 invalidate() 的刷新无法加速。

View Layer 绘制所消耗的实际时间是比不使用 View Layer 时要高的，所以要慎重使用。

 

有不少人都有过疑问：什么是 layer type？如果这个方法是硬件加速的开关，那么它的参数为什么不是一个 LAYER_TYPE_SOFTWARE 来关闭硬件加速以及一个 LAYER_TYPE_HARDWARE 来打开硬件加速这么两个参数，而是三个参数，在 SOFTWARE 和 HARDWARE 之外还有一个 LAYER_TYPE_NONE？难道还能既不用软件绘制，也不用硬件绘制吗？

事实上，这个方法的本来作用并不是用来开关硬件加速的，只是当它的参数为 LAYER_TYPE_SOFTWARE 的时候，可以「顺便」把硬件加速关掉而已；并且除了这个方法之外，Android 并没有提供专门的 View 级别的硬件加速开关，所以它就「顺便」成了一个开关硬件加速的方法。

 

View Layer 是 View Layer，硬件加速是硬件加速，两者是两个概念，但是两者存在着交叉的地方。

所谓 View Layer，又称为离屏缓冲（Off-screen Buffer），它的作用是单独启用一块地方来绘制这个 View ，而不是使用软件绘制的 Bitmap 或者通过硬件加速的 GPU。这块「地方」可能是一块单独的 Bitmap，也可能是一块 OpenGL 的纹理（texture，OpenGL 的纹理可以简单理解为图像的意思），具体取决于硬件加速是否开启。

 

使用 setLayerType() 方法有什么好处呢，那就是在设置了 View Layer 之后，可以在原基础上（如果没有开启硬件加速，则在没有开启的基础上；如果开启了硬件加速，则在开启了的基础上），更进一步的将 View 的重绘效率提高。

 

采用什么来绘制 View 不是关键，关键在于当设置了 View Layer 的时候（非 NONE ），它的绘制会被缓存下来，就是使用了 Off-screen buffers，而且缓存的是最终的绘制结果，不是像硬件加速那样只是把 GPU 的操作保存下来再交给 GPU 去计算，因为在硬件加速开启时，需要绘制的内容会被转换成 GPU 的操作保存下来，承载的形式称为 display list，对应的类也叫做 DisplayList，再转交给 GPU，但是所有的绘制内容都没有变成最终的像素，因此每次绘制的时候，还是需要将 DisplayList 中保存的内容转换为最终的像素。

通过这样更进一步的缓存方式，View 的重绘效率进一步提高了：只要绘制的内容没有变，那么不论是 CPU 绘制（基于软件绘制模型）还是 GPU 绘制（硬件加速模型），它们都不用重新计算，而只要使用用之前缓存的绘制结果就可以了。

 

基于这样的原理，在进行移动、旋转等（无需调用 invalidate()）的属性动画的时候开启 Hardware Layer 将会极大地提升动画的效率，因为在动画过程中 View 本身并没有发生改变，只是它的位置或角度改变了，而这种改变是可以由 GPU 通过简单计算就完成的，并不需要重绘整个 View。所以在这种动画的过程中开启 Hardware Layer，可以让本来就依靠硬件加速而变流畅了的动画变得更加流畅。实现方式大概是这样：

view.setLayerType(LAYER_TYPE_HARDWARE, null);  
ObjectAnimator animator = ObjectAnimator.ofFloat(view, "rotationY", 180);

animator.addListener(new AnimatorListenerAdapter() {  
    @Override
    public void onAnimationEnd(Animator animation) {
        view.setLayerType(LAYER_TYPE_NONE, null);
    }
});

animator.start();

 

或者如果是使用 ViewPropertyAnimator，那么更简单：

view.animate()  
        .rotationY(90)
        .withLayer(); // withLayer() 可以自动完成上面这段代码的复杂操作

 

不过，一定要注意，只有你在对 translationX translationY rotation alpha 等无需调用 invalidate() 的属性做动画的时候，这种方法才适用，因为这种方法本身利用的就是当界面不发生时，缓存未更新所带来的时间的节省。

所以简单地说——这种方式不适用于基于自定义属性绘制的动画。一定记得这句话。

 

另外，由于设置了 View Layer 后，View 在初次绘制时以及每次 invalidate() 后重绘时，需要进行两次的绘制工作（一次绘制到 Layer，一次从 Layer 绘制到显示屏），所以其实它的每次绘制的效率是被降低了的。所以一定要慎重使用 View Layer，在需要用到它的时候再去使用。

 

另外，除了用于关闭硬件加速和辅助属性动画这两项功能外，Layer 还可以用于给 View 增加一些绘制效果，例如设置一个 ColorMatrixColorFilter 来让 View 变成黑白的：

ColorMatrix colorMatrix = new ColorMatrix();  
colorMatrix.setSaturation(0);
Paint paint = new Paint();  
paint.setColorFilter(new ColorMatrixColorFilter(colorMatrix));

view.setLayerType(LAYER_TYPE_HARDWARE, paint);

  

window硬件加速的开启和layer type的关系

  • ？？canvas.savelayer不管是否开启了硬件加速，layer type设置如何，都可以创建一个bitmap，即离屏缓存。

 

  • 如果window硬件加速没有开启，

LAYER_TYPE_NONE，就表示不会创建drawing cache，不管是否invalidate，都会把view的绘制代码从头到尾执行一遍。

LAYER_TYPE_HARDWARE，和 LAYER_TYPE_SOFTWARE一样。

LAYER_TYPE_SOFTWARE，会创建drawing cache（buildDrawingCache），把绘制操作绘制到bitmap，

 

  • 如果window硬件加速开启

LAYER_TYPE_NONE，就表示不会创建hardware layer，就是硬件加速的绘制流程

LAYER_TYPE_HARDWARE，会绘制到一个hardware layer上，类似于bitmap，所以只要 除了那些不会调用invalidate的属性，其他属性修改后就会重绘。

LAYER_TYPE_SOFTWARE，会创建drawing cache（buildDrawingCache），把绘制操作绘制到bitmap

 

public void setLayerType(int layerType, @Nullable Paint paint) {
    if (layerType < LAYER_TYPE_NONE || layerType > LAYER_TYPE_HARDWARE) {
        throw new IllegalArgumentException("Layer type can only be one of: LAYER_TYPE_NONE, "
                + "LAYER_TYPE_SOFTWARE or LAYER_TYPE_HARDWARE");
    }

    //告诉底层是否开启硬件层，如果开启，那么之后的绘制都是在这个硬件层上进行的。
    boolean typeChanged = mRenderNode.setLayerType(layerType);

    if (!typeChanged) {
        setLayerPaint(paint);
        return;
    }

    if (layerType != LAYER_TYPE_SOFTWARE) {
        // Destroy any previous software drawing cache if present
        // NOTE: even if previous layer type is HW, we do this to ensure we‘ve cleaned up
        // drawing cache created in View#draw when drawing to a SW canvas.
        destroyDrawingCache();
    }

    mLayerType = layerType;
    mLayerPaint = mLayerType == LAYER_TYPE_NONE ? null : paint;
    mRenderNode.setLayerPaint(mLayerPaint);

    // draw() behaves differently if we are on a layer, so we need to
    // invalidate() here
    invalidateParentCaches();
    invalidate(true);
}

  

使用注意

对所有的缓存来讲，都有一个缓存失效的可能性。任何时候如果在动画过程中调用view.invalidate()，那么layer就必须要重新渲染。经常的废弃hardware layers会比没有layers的情况下更糟糕，因为如同上面讲到的hardware layers在设置缓存时会有额外的开销。如果你需要经常的重新缓存layer，那就会有极大的损害。

这个问题也是非常容易出现的，因为动画经常有多个移动的部分。假如现在有一个三个部分移动的动画:

Parent ViewGroup

—-> Child View1 (往左移动)

—-> Child View2 (往右移动)

—-> Child View3 (往上移动)

 

如果你只在父布局ViewGroup上设置一个layer，那就将经常的缓存失效，因为ViewGroup会随着子View不断地改变。然而对每个单独的子Views而言，他们只是在位移。这种情况下，最好是对每个子View上设置Hardware Layer（而不是在父布局上）。

再次重申，通常是对多个子View上适当的设置Hardware Layer，这样他们就不会在动画运行时失效。

 

几种layer type的性能表现

  1. 如果只是单纯的做动画，不动态修改 View 的内容，那么性能表现为 ：Hardware Layer >= Software Layer > Normal Layer
  2. 如果做动画同时动态修改 View 的内容，那么性能表现为 ：Normal Layer > Software Layer = Hardware Layer
  3. Hardware Layer 对动画性能确实有很大的提升，但是如果你用不好，那么还不如不用
  4. 如果通过 Systrace 发现你做动画的时候每一帧都在 buildDrawingCache/SW(主线程) 或者 buildLayer(渲染线程)，那么请查看你的代码的逻辑
  5. 有些情况下是由于系统的原因，比如图片比 Cache 大，invalidate 逻辑问题，可以联系手机厂商进行一起修改

 

问题

LAYER_TYPE_SOFTWARE时，如果调用了setAlpah/setTranslationX等方法会使用drawing cache，还是会重绘？

虽然进行了从上到下的遍历，但并没有进行任何的重绘或重建displaylist。

 

硬件加速开启后，调用了setAlpah/setTranslationX等方法会让父view进行重绘吗？

不会

 

 

 

4.2.Android 硬件加速补充

上一篇：jar命令+7z：创建，替换，修改，删除Jar, war, ear包中的文件


下一篇：mybatis缓存机制