微信小游戏 - 小游戏 vs H5 游戏性能对比和分析

这是个人关于微信小游戏系列文章的第三篇，在这系列文章里会描述 ——

• 如何把一些 Canvas/WebGL Demo 移植到小游戏环境并支持双端运行；
• 对小游戏在 Android 平台的运行时架构进行分析；
• 通过对移植的 Canvas/WebGL Demo 在小游戏和 Chrome for Android 浏览器上做 Benchmarking，对 H5 游戏 vs 小游戏的渲染性能进行对比和分析；

测试说明

测试软件

1. 微信 6.6.3
2. Chrome for Android 64.0.3282.137

测试使用的 Demo 可以通过 GitHub 下载。

测试设备

小米 Note3，使用骁龙 660，算是这两年比较主流的中端芯片，虽然性能在高负荷场景下跟旗舰芯片如骁龙 835 还有一定距离，不过大部分场景下也已经够用。

测试环境

设备电量在 60% 以上，处于充足状态，并使用风扇进行辅助散热，避免因为电量不足或者过热导致设备锁核降频，从而引起测试数据的波动，无法获得可以对比的测试结果。

页面在 Chrome 上运行在全屏的 WebApp 模式下，如果没有额外说明，Canvas 的渲染分辨率使用设备的屏幕分辨率 1080p。

帧率获取

adb shell "dumpsys SurfaceFlinger --latency 'TARGET_WINDOW_NAME'"

使用上述命令可以获取目标窗口最近 127 帧的更新时间戳，然后用脚本计算出这 127 帧渲染过程中的平均帧率。

另外代码中也通过计算 JavaScript 中每帧调用的次数和时间间隔来计算帧率，然后通过控制台打印输出类似下面的信息，实际验证两者的结果基本一致。

WebGL Aqua framerate:1.55fps, program:44, draw call:118

本文的测试数据使用第一种方法。

测试数据

WebGL Compute

模拟鸟群的运动，包含大量的物理运动计算，实际上是测试 JavaScript 的计算性能。

可以对 numBoids （guimark3.js）参数进行修改，改变鸟群的数量，鸟群数量越大，JavaScript 计算的耗时就越大。

运行环境	250 鸟群	500 鸟群
小游戏	58 ~ 59	21 ~ 22
Chrome	58 ~ 60	20 ~ 21

WebGL Aqua

绘制的场景有一定的复杂度，包含了约 30 个模型，使用了 44 个 Program，当参数设定为 500 条鱼时，需要调用 600 多个 Draw Call（不使用 Instance Rendering 的情况下）。

可以配置的参数如下：

1. fishSetting 可以修改鱼的数量（aquarium-common.js）；
2. antialias 可以选择开启或者关闭抗锯齿（webgl.js）；
3. TRY_USE_WEBGL2 可以选择是否使用 Instance Rendering（wxhelper.js）;
4. 使用 GetCanvasSizeUseWindowRatio(720/600) 或者 GetWindowSizeInPx 选择不同的渲染分辨率（aquarium.js - setCanvasSize）；

运行环境	100 条鱼	200 条鱼	500 条鱼	1000 条鱼	2000 条鱼
小游戏	52 ~ 53	52 ~ 53	58 ~ 59	58 ~ 59	37 ~ 38
Chrome (关闭抗锯齿)	60	60	60	58 ~ 60	39 ~ 40
Chrome (关闭抗锯齿, 720p)	-	-	-	-	60
Chrome (关闭抗锯齿, Instance)	-	-	-	-	52 ~ 54
Chrome (打开抗锯齿)	60	60	42 ~ 44	28 ~ 30	18 ~ 19
Chrome (打开抗锯齿, 720p)	-	-	60	51 ~ 53	31 ~ 32
Chrome (打开抗锯齿, 600p)	-	-	-	60	42 ~ 43
Chrome (打开抗锯齿, Instance)	-	-	56 ~ 60	47 ~ 51	35 ~ 36
Chrome (打开抗锯齿, Instance, 720p)	-	-	-	-	58 ~ 60

1. 小游戏不支持抗锯齿，无论设置 antialias 参数为 true 或者 false，结果都是 false，Chrome 默认是打开抗锯齿，需要显式关闭；
2. 小游戏目前并不支持 WebGL2，WebGL2 新增的 API 并没有实现；
3. 小游戏只能使用屏幕像素大小的渲染分辨率；
4. 小游戏在 100 ~ 200 条鱼时帧率反而更低，反复验证过几次均是如此，怀疑踩到了什么坑，应该不是性能瓶颈；
5. 小游戏最高帧率不会达到 60，最多就是 58 ~ 59，或许是 requestAnimationFrame 的实现有些问题；

Canvas Bitmap

类似雷电的小游戏，多个小位图的重复绘制，主要测试 Canvas.drawImage 的性能，跟微信开发工具自带的样例游戏类似。

可以对 enemiesCount（guimark3.js），改变敌机的数量，从而增加或者减少 drawImage 的调用次数。

运行环境	~1000 drawImage	~2000	~4000
小游戏	58 ~ 59	58 ~ 59	51 ~ 53
Chrome	60	60	30 ~ 31

性能分析

渲染流水线

在 Chrome 渲染流水线里面，Canvas 元素的更新跟其他 DOM 元素的内容更新一样，都需要走非合成器动画的渲染流水线。而非合成器动画渲染流水线过于复杂和冗长，比较小游戏简单和直接的渲染流水线，会有较多的 Overhead。

不过假设网页的运行条件跟小游戏一样，页面只有一个 Canvas 元素而不存在其他 DOM 元素，这些 Overhead 其实每个环节的耗时都很小，加上 Chrome 多线程高并发的流水线设计，实际上大部分开销都可以忽略不计，对整体性能的影响微乎其微。

WebGL Compute 的测试结果也验证了这一点，该 Demo 只有一个 Draw Call，所以我们基本可以忽略绘制部分的影响，JavaScript 计算的开销也可以认为是基本相同，在小游戏和 Chrome 的性能测试结果基本一致的情况下，我们可以推断出渲染流水线本身不会造成明显的性能差异。

关于 Chrome 非合成器动画的渲染流水线可以参考我的文章 - 浏览器渲染流水线解析与网页动画性能优化。

JavaScript Computing

我们把 JavaScript Computing 定义为除了 Native API（2D Canvas，WebGL，etc…）外的其它纯 JavaScript 代码运行的耗时。

小游戏和 Chrome 都使用 v8 虚拟机运行 JavaScript 代码，理论上 JavaScript 计算的性能不会存在较大差异，些微的差别可能来源自 v8 的版本差异，WebGL Compute 的测试结果也验证了这一点。

WebGL

Chrome 对比小游戏 WebGL 绘制的差别在于：

1. 小游戏的 WebGL 调用会直接调用对应的 GL API，Chrome 使用了跨进程/线程的 CommandBuffer 机制，WebGL 调用会先被 Encode Command 到 Buffer 里面，然后在另外一个独立的 GPU 线程中 Decode Command，再调用相应的 GL API；
2. 小游戏的主 Canvas 直接绘制在 GLSurfaceView 上，Chrome 会为每个 Canvas 元素分配额外的 Texture 作为 Render Target，然后再把该 Texture 合成到 Window 上，这意味着 Chrome 需要做一次 Render Target 的切换和多一次缓存拷贝，会增加一些 GPU 开销；

在 WebGL Aqua 这个 Demo 中，计算部分的开销很小，大部分是绘制的开销，Chrome 的多线程模型并没有带来多少并发的优势，只是抵消了 CommandBuffer 机制带来的一些 Overhead，不过额外的 Render Target 切换和缓存拷贝的影响看起来也很小，Chrome 和小游戏的性能基本持平，甚至 Chrome 还稍微好一些。如果是计算和绘制开销比较平均的场景，Chrome 可能会有更大的性能优势。

2D Canvas

Chrome 对比小游戏 2D Canvas 绘制的差别在于：

1. Chrome 每一个 2D Canvas Draw Call，特别是 drawImage 的调用，因为浏览器运行环境复杂性的原因，有较大的 Overhead，包括 Image 对象的类型检查和转型，Dirty Rect 的计算，DOM 对象的交互，Image URL 的 Origin Check 安全检查，等等，而这些在小游戏运行环境下都是可以省略或者优化的；
2. Chrome 使用 Skia 作为 2D 绘图引擎，Skia 作为一个通用，完备，可外部配置的 2D 绘图引擎，支持不同的光栅化后端实现（CPU，GL，Vulkan），支持复杂的内存管理和资源缓存机制，但是也带来了较高的 per drawImage 的开销，小游戏高度定制的 2D 绘图引擎可以容易地规避掉这些开销；

因为 Chrome 运行环境中较高的 per drawImage 的开销，我们可以在 Canvas Bitmap 测试中看到当 drawImage 的调用次数非常高时，Chrome 的 Renderer 线程会被严重阻塞而导致帧率下降幅度大大高于小游戏的下降幅度。

WebGL 理论上 Chrome 也会多一些 Overhead，只是 WebGL API 相比 2D Canvas API 的实现要简单很多，所以这些 Oveahead 实际影响非常小，并没有 2D Canvas 那么明显。

总结和优化建议

总结

1. Chrome 和小游戏因为渲染流水线不同带来的影响很小，基本上可以忽略（在没有其他 DOM 元素的条件下）；
2. Chrome 和小游戏都使用 v8 作为 JavaScript 虚拟机，JavaScript 的计算性能基本一致；
3. Chrome 和小游戏的 WebGL 渲染性能在都关闭抗锯齿的条件下基本一致，Chrome 还略微超出，另外 Chrome 可以通过降低渲染分辨率和使用 Instance Rendering 等方式进一步提升性能；
4. Chrome 和小游戏在 2D Canvas 绘制场景中，如果 drawImage 的每帧调用次数在正常范围内，性能差别不大，如果 drawImage 调用次数非常高，Chrome 的性能下降幅度更大；

H5 游戏的优化建议

1. 如果渲染场景比较复杂，WebGL 建议关闭抗锯齿，打开/关闭抗锯齿在 5.x 寸屏上对渲染效果的影响微乎其微，并且小游戏和原生手游也没有使用抗锯齿，关闭抗锯齿对于复杂的渲染场景可以带来非常明显的性能提升；
2. 如果渲染场景非常复杂，可以考虑使用较低的渲染分辨率，降低分辨率可以带来明显的性能提升，600 ~ 720p 在 5.x 寸屏上比起原生分辨率虽然画面会略微模糊一些，但是整体渲染效果还是可以接受的；
3. 如果渲染场景存在同一个 Mesh 的大量重复绘制，建议使用 Instance Rendering，Instance Rendering 可以大幅降低 GL API 调用次数，减少 GL API 调用的 CPU 开销，带来较大程度的性能提升；
4. 如果 2D 游戏场景中的每帧 Image 绘制次数达到几千的量级，建议使用 WebGL 替代 2D Canvas（大部分 2D 游戏应该也就几百的量级，就不需要考虑这个）；

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