绘制基础
安卓绘制框架
应用层
1.通过与WindowManagerService通信，获取一块surface。
2.通过View系统或OpenGL、Skia在这块surface上绘制。
3.与WindowManagerService通信，提交绘制产生的缓存。
服务层(WindowManagerService)
1.生成、释放surface
2.管理surface的层级
3.获取surface的数据，将surface的数据进行混合，生成新的一帧。
4.将新的一帧数据写入内核，使得显示器刷新数据
关键类：
1.Canvas:画布，里面有一个Bitmap，用于保存绘制过程中的缓存。此类提供了绘制的基本方法，包括作圆、线等。
2.Paint：画笔，提供绘制的基本参数，比如说颜色，画笔的粗细等。
3.Surface:可以获取画布并提交绘制结果。本质上是一个代理类。用于Application与WindowManager通信。
4.ViewRootImp：实现ViewParent，包含Surface和Choreographer。用于控制Activity的绘制。
- Choreographer绘制调度器。用于控制各个Surface的刷新步调，让所以Surface基本上同时开始刷新。一般16ms触发一次刷新。
- SurfaceFlinger:混合各个Surface的数据，形成新的一帧数据。
View的重绘流程
以最基本的View的invalidate为例
基本绘制流程
流程图中有小小错误，能找到吗？
基本流程可以分成两块：
一、触发刷新
子view调用invalidate，然后层层递进，调到ViewrootImp的ScheduleTraversals，在这个过程中不断确定重绘的区域，更新各个父控件的绘制标志。完成各个层级父控制的绘制标志的刷新之后，利用ViewrootImp中的Choreographer控制刷新的时机，触发刷新。
二、刷新过程
-
首先通过Surface的lockCanvas申请一块新的画布，获取一个Canvas。
值得注意的是，WindowManagerService会为每一块surface分配两块内存，
一块作为显示使用（读），一块作为绘制使用（写）。在完成绘制后，两块内存的作用互换。lockCanvas的作用，实际上时是给待绘制的内存上锁，并且获取待绘制内存的地址，把这块内存作为画布的缓存。在lockCanvas时，会将显示的内存的数据拷贝到待绘制的内存中，同时传入一个区域（dirty），作为重绘的区域。每次重绘实际只需要绘制需要修改的区域（dirty区域），其它区域保持不变，这样，就大大加快了绘制效率
绘制内存切换.png -
获取画布之后，就需要层层调用View的draw方法，在这块画布上在做画。
每一个View都有一块缓存mDrawCache。View的绘制过程，首先要通过绘制标志，判断View的内容是否发生变化，有发生变化，则调用ondraw方法，重新获取mDrawCache。最后将mDrawCache的重绘区域绘制到画布中。
ViewGroup包含自己本身的绘制和子View的绘制。自己本身的绘制和View一样，子View的绘制需要层层调用子View的绘制方法。
draw过程.png 完成绘制后，调用unlockCanvasAndPost接口。将绘制内容提交给WindowManagerService。
接口unlockCanvasAndPost的实质是将绘制的内存解锁，并且通知WindowManagerService将两块内存的作用互换，这样，SurfaceFlinger就会将最新绘制后得到的内存进行混合显示。
硬件加速
为什么使用硬件加速
CPU和GPU架构
CPU : Central Processing Unit ， 中央处理器，是计算机设备核心器件，用于执行程序代码。
GPU : Graphic Processing Unit ， 图形处理器，主要用于处理图形运算，通常所说“显卡”的核心部件就是GPU。
下面是CPU和GPU的结构对比图。其中：
黄色的Control为控制器，用于协调控制整个CPU的运行，包括取出指令、控制其他模块的运行等；
-
绿色的ALU（Arithmetic Logic Unit）是算术逻辑单元，用于进行数学、逻辑运算；
橙色的Cache和DRAM分别为缓存和RAM，用于存储信息。
cpu和gpu架构图.png 从结构图可以看出，CPU的控制器较为复杂，而ALU数量较少。因此CPU擅长各种复杂的逻辑运算，但不擅长数学尤其是浮点运算。
- 和CPU不同的是，GPU就是为实现大量数学运算设计的。从结构图中可以看到，GPU的控制器比较简单，但包含了大量ALU。GPU中的ALU使用了并行设计，且具有较多浮点运算单元。
硬件加速的主要原理，就是通过底层软件代码，将CPU不擅长的图形计算转换成GPU专用指令，由GPU完成。
硬件加速的开启
Android 系统的 UI 从 绘制 到 显示在屏幕上 是分两个步骤的
第一步：在Android 应用程序这一侧进行的。(将 UI 构建到一个图形缓冲区 Buffer 中，交给SurfaceFlinger )
第二步：在SurfaceFlinger进程这一侧进行的。(获取Buffer 并合成以及显示到屏幕中。)
其中，第二步在 SurfaceFlinger 的操作一直是以硬件加速方式完成的，所以我们说的硬件加速一般指的是在 应用程序 图形通过GPU加速渲染 到 Buffer 的过程。
在Android中，可以四给不同层次上开启硬件加速：
- 应用：
- Activity
- Window
getWindow().setFlags(WindowManager.LayoutParams.FLAG_HARDWARE_ACCELERATED, WindowManager.LayoutParams.FLAG_HARDWARE_ACCELERATED); - View
view.setLayerType(View.LAYER_TYPE_SOFTWARE, null);
在这四个层次中，应用和Activity是可以选择的，Window只能打开，View只能关闭。
硬件加速的流程分析
模式模型
构建阶段
所谓构建就是递归遍历所有视图，将需要的操作缓存下来，之后再交给单独的Render线程利用OpenGL渲染。在Android硬件加速框架中，View视图被抽象成RenderNode节点。
View中的绘制都会被抽象成一个个DrawOp（DisplayListOp），比如View中drawLine，构建中就会被抽象成一个DrawLintOp，drawBitmap操作会被抽象成DrawBitmapOp，每个子View的绘制被抽象成DrawRenderNodeOp，每个DrawOp有对应的OpenGL绘制命令，同时内部也握着绘图所需要的数据。
如此以来，每个View不仅仅握有自己DrawOp List，同时还拿着子View的绘制入口，如此递归，便能够统计到所有的绘制Op，很多分析都称为Display List，源码中也是这么来命名类的，不过这里其实更像是一个树，而不仅仅是List，示意如下：
构建完成后，就可以将这个绘图Op树交给Render线程进行绘制，这里是同软件绘制很不同的地方，软件绘制时，View一般都在主线程中完成绘制，而硬件加速，除非特殊要求，一般都是在单独线程中完成绘制，如此以来就分担了主线程很多压力，提高了UI线程的响应速度。
构建过程源码分析
从流程图可以看出，HardwareRenderer是整个硬件加速绘制的入口。整个绘制的过程通过不断dispatchGetDisplayList或者dispathDraw遍历View，刷新displayList。
从名字能看出，ThreadedRenderer应该跟一个Render线程息息相关，不过ThreadedRenderer是在UI线程中创建的，那么与UI线程也必定相关，其主要作用：
1、在UI线程中完成DrawOp集构建
2、负责跟渲染线程通信
可见ThreadRenderer的作用是很重要的，简单看一下实现：
ThreadedRenderer(Context context, boolean translucent) {
...
long rootNodePtr = nCreateRootRenderNode();
mRootNode = RenderNode.adopt(rootNodePtr);
mRootNode.setClipToBounds(false);
mNativeProxy = nCreateProxy(translucent, rootNodePtr);
ProcessInitializer.sInstance.init(context, mNativeProxy);
loadSystemProperties();
}
- RootNode用来标识整个DrawOp树的根节点，有个这个根节点就可以访问所有的绘制Op.
- RenderProxy对象，这个对象就是用来跟渲染线程进行通信的句柄
再看一下RenderProxy的源码
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);
}
- RenderThread是一个单例线程，也就是说，每个进程最多只有一个硬件渲染线程，这样就不会存在多线程并发访问冲突问题，到这里其实环境硬件渲染环境已经搭建好好了。
ThreadRender的绘制入口
@Override
void draw(View view, AttachInfo attachInfo, HardwareDrawCallbacks callbacks) {
attachInfo.mIgnoreDirtyState = true;
final Choreographer choreographer = attachInfo.mViewRootImpl.mChoreographer;
choreographer.mFrameInfo.markDrawStart();
updateRootDisplayList(view, callbacks);
int syncResult = nSyncAndDrawFrame(mNativeProxy, frameInfo, frameInfo.length);
...
}
- updateRootDisplayList，构建RootDisplayList，其实就是构建View的DrawOp树，updateRootDisplayList会进而调用根View的updateDisplayListIfDirty，让其递归子View的updateDisplayListIfDirty，从而完成DrawOp树的创建
- 通知RenderThread线程绘制
构建树的流程
private void updateRootDisplayList(View view, HardwareDrawCallbacks callbacks) {
updateViewTreeDisplayList(view);
if (mRootNodeNeedsUpdate || !mRootNode.isValid()) {
DisplayListCanvas canvas = mRootNode.start(mSurfaceWidth, mSurfaceHeight);
try {
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 {
mRootNode.end(canvas);
}
}
}
- 利用View的RenderNode获取一个DisplayListCanvas
- 利用DisplayListCanvas构建并缓存所有的DrawOp
- 将DisplayListCanvas缓存的DrawOp填充到RenderNode
- 将根View的缓存DrawOp设置到RootRenderNode中，完成构建
DisplayList的更新过程
// Don't need to recreate the display list, just need to tell our
// children to restore/recreate theirs
if (renderNode.isValid()
&& !mRecreateDisplayList) {
mPrivateFlags |= PFLAG_DRAWN | PFLAG_DRAWING_CACHE_VALID;
mPrivateFlags &= ~PFLAG_DIRTY_MASK;
dispatchGetDisplayList();
return renderNode; // no work needed
}
// If we got here, we're recreating it. Mark it as such to ensure that
// we copy in child display lists into ours in drawChild()
mRecreateDisplayList = true;
int width = mRight - mLeft;
int height = mBottom - mTop;
int layerType = getLayerType();
final DisplayListCanvas canvas = renderNode.start(width, height);
try {
if (layerType == LAYER_TYPE_SOFTWARE) {
buildDrawingCache(true);
Bitmap cache = getDrawingCache(true);
if (cache != null) {
canvas.drawBitmap(cache, 0, 0, mLayerPaint);
}
} else {
computeScroll();
canvas.translate(-mScrollX, -mScrollY);
mPrivateFlags |= PFLAG_DRAWN | PFLAG_DRAWING_CACHE_VALID;
mPrivateFlags &= ~PFLAG_DIRTY_MASK;
// Fast path for layouts with no backgrounds
if ((mPrivateFlags & PFLAG_SKIP_DRAW) == PFLAG_SKIP_DRAW) {
dispatchDraw(canvas);
drawAutofilledHighlight(canvas);
if (mOverlay != null && !mOverlay.isEmpty()) {
mOverlay.getOverlayView().draw(canvas);
}
if (debugDraw()) {
debugDrawFocus(canvas);
}
} else {
draw(canvas);
}
}
} finally {
renderNode.end(canvas);
setDisplayListProperties(renderNode);
}
- 如果本View不需要更新RendorNode，则调用dispathcGetDisplayList，让其子view更新RendorNode。最终会导致步骤2。
- 如果本View需要更新RendorNode，则调用draw(Canvas)方法。
继续跟踪draw(Canvas)方法
if (!dirtyOpaque) {
drawBackground(canvas);
}
// skip step 2 & 5 if possible (common case)
final int viewFlags = mViewFlags;
boolean horizontalEdges = (viewFlags & FADING_EDGE_HORIZONTAL) != 0;
boolean verticalEdges = (viewFlags & FADING_EDGE_VERTICAL) != 0;
if (!verticalEdges && !horizontalEdges) {
// Step 3, draw the content
if (!dirtyOpaque) onDraw(canvas);
// Step 4, draw the children
dispatchDraw(canvas);
drawAutofilledHighlight(canvas);
// Overlay is part of the content and draws beneath Foreground
if (mOverlay != null && !mOverlay.isEmpty()) {
mOverlay.getOverlayView().dispatchDraw(canvas);
}
// Step 6, draw decorations (foreground, scrollbars)
onDrawForeground(canvas);
// Step 7, draw the default focus highlight
drawDefaultFocusHighlight(canvas);
我们知道每个view的DrawRenderNodeOp缓存主要包括displayListOps和其子View的DrawRenderNodeOp
- drawBackground、onDraw 、onDrawForeground、drawDefaultFocusHighlight是更新自身相关的displayListOps
-
dispatchDraw向下触发便利，更新子View相关的DrawRenderNodeOp。
drawOps更新.png
dispatchDraw最终会走到draw(Canvas canvas, ViewGroup parent, long drawingTime) ,看一下里面的代码
....
if (drawingWithRenderNode) {
// Delay getting the display list until animation-driven alpha values are
// set up and possibly passed on to the view
renderNode = updateDisplayListIfDirty();
if (!renderNode.isValid()) {
// Uncommon, but possible. If a view is removed from the hierarchy during the call
// to getDisplayList(), the display list will be marked invalid and we should not
// try to use it again.
renderNode = null;
drawingWithRenderNode = false;
}
}
if (!drawingWithDrawingCache) {
if (drawingWithRenderNode) {
mPrivateFlags &= ~PFLAG_DIRTY_MASK;
((DisplayListCanvas) canvas).drawRenderNode(renderNode);
} else {
// Fast path for layouts with no backgrounds
if ((mPrivateFlags & PFLAG_SKIP_DRAW) == PFLAG_SKIP_DRAW) {
mPrivateFlags &= ~PFLAG_DIRTY_MASK;
dispatchDraw(canvas);
} else {
draw(canvas);
}
}
}
....
- 子view通过updateDisplayListIfDirty刷新自己的RendNode。如果子View本身，以及子View的子控件没有变化，RenderNode不会发生实质的变化。
- 最后通过DisplayListCanvas的drawRenderNode将绘制缓存保存到父View 中
DisplayListCanvas类分析，以drawLine为例
void DisplayListCanvas::drawLines(const float* points, int count, const SkPaint& paint) {
points = refBuffer(points, count);
addDrawOp(new (alloc()) DrawLinesOp(points, count, refPaint(&paint)));
}
RenderThread渲染过程
DrawOp树构建完毕后，UI线程利用RenderProxy向RenderThread线程发送一个DrawFrameTask任务请求，RenderThread被唤醒，开始渲染。
- 首先进行DrawOp的合并
- 接着绘制特殊的Layer
- 最后绘制其余所有的DrawOpList
- 调用swapBuffers将前面已经绘制好的图形缓冲区提交给Surface Flinger合成和显示。
开启硬件加速的优缺点
优点
- 硬件加速使用双线程工作，主线程只负责构建绘制树，渲染线程负责渲染。主线程基本上不会因为绘制超时而卡顿。
- GPU分担了CPU的渲染任务，CPU有多余的时间做其他重要的事情，这将使得手机整体表现将更加流畅。
- GPU擅长做渲染工作，硬件加速允许应用执行繁重的渲染任务。如果没有GPU或者不采用硬件加速，播放视频将非常卡顿
缺点 - 硬件加速属于双缓冲机制，使用显存进行页面渲染（使用较少的物理内存），导致更频繁的显存操作，可能引起以下现象：
花屏、闪屏 - 硬件加速的准备工作较长，可能在应用刚启动时，存在掉帧现象。