Android硬件加速原理与实现

页面渲染背景知识：

• 页面渲染时，被绘制的元素最终转换为矩阵像素点（多维数组的形式），才能被显示器显示
• 页面由各种基本元素组成，例如圆形，圆角矩形，线段，文字，矢量图（常用贝塞尔曲线组成），Bitmap等
• 元素绘制时尤其是动画绘制过程中，经常涉及插值、缩放、旋转、透明度变化、动画过渡、毛玻璃效果，3D变换、物理运动、多媒体文件解码等运算。
• 绘制过程需要进行逻辑简单，但数据量庞大的浮点运算。

CPU与GPU结构对比

• 从结构上看，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。以8086为例，一百多条汇编指令大部分都是逻辑指令，数学计算相关的主要是16位加减乘除和移位预算。一次整形和逻辑运算一般需要1~3个机器指令周期，而浮点运算要转换为整形计算，一次运算可能消耗上百个机器周期。更简单的CPU甚至只有加法指令，减法用补码加法实现，乘法用累加实现，除法用减法循环实现。现在CPU一般都带有硬件浮点运算器FPU，但主要用于数据量不大的情况。CPU是串行结构，以计算100个数字为例，对于CPU的一个核，每次只能计算两个数，然后结果累加。
• GPU是为了实现大量数学运算设计的。GPU的控制器比较简单，但包含了大量ALU。GPU的ALU使用了并行设计，且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为GPU专用指令，由GPU完成。
很多计算机中的GPU有自己独立的显存；没有独立显存则使用共享内存的形式，从内存中划分一块区域作为显存。显存可以保存GPU指令等信息。

Android UI渲染处理节点

• 在Android中，大多数应用的界面都是利用常规的View来构建的（除了游戏、视频、图像等应用可能直接使用OpenGL.ES）。
• DisplayList
  DisplayList是一个基本绘制元素，包含元素原始属性（位置，尺寸，角度，透明度等），对应Canvas的drawXxx()方法。
  信息传递流程：Canvas(Java Api) -> OpenGL(C++ lib) -> 驱动程序 -> GPU
  在Android 4.1以上版本，DisplayList支持属性，如果View的一些属性发生变化(比如Scale，Alpha，Translate)，只需把属性更新给GPU，不需要生成新的DisplayList。
• RendorNode
  一个RendorNode包含若干个DisplayList，通常一个RendorNode对应一个View，包含View自身以及子View的所有DisplayList。

Android绘制流程

• 从ViewRoutImpl.performTraversals 到 PhoneWindow.DectorView.drawChild是每次遍历View树的固定流程，首先根据标志位判断是否需要重新布局并执行布局；然后进行Canvas的创建等操作开始绘制。
• 如果硬件加速不支持或者被关闭，则使用软件绘制，生成的Canvas即Canvas.class对象
• 如果支持硬件加速，则生成的是DisplayListCanvas.class对象
• 两者的isHardwareAccelerated()方法返回的值分别为false,true. View根据这个值判断是否使用了硬件加速。
• View中的draw(canvas, parent, drawingTime) -> draw(canvas) -> onDraw() -> dispatchDraw() -> drawChild()这条递归路径（Draw路径），调用了Canvas.drawXxx()方法，在软件渲染是用于实际绘制；在硬件加速时，用于构建DisplayList。
• View中的updateDisplayListifDirty -> dispatchGetDisplayList -> recreateChildDisplayList这条递归路径（DisplayList路径），仅在硬件加速的时候会经过，用于在遍历View树绘制的过程中更新DisplayList属性，并快速跳过不需要重建DisplayList的View。
• 硬件加速情况下，draw流程执行结束后，DisplayList构建完成，然后通过ThreadedRenderer.nSyncAndDrawFrame()利用GPU绘制DisplayList到屏幕上。

渲染场景	软件绘制	硬件加速	加速效果分析
页面初始化	绘制所有View	创建所有DisplayList	GPU分担了复杂计算任务
在一个复杂页面调用背景透明TextView的setText()方法，且调用后尺寸位置不变	重绘脏区所有View	TextView及每一级父View重建DisplayList	重叠的兄弟节点不需CPU重绘，GPU会自行处理
TextView逐帧播放Alpha/Transition/Scale动画	每帧都要重绘脏区所有View	除第一帧同场景2，之后每帧只刷新TextView对应RendorNode的属性	刷新一帧的性能极大提高，动画流畅度提高
修改TextView透明度	重绘脏区所有View	直接调用RendorNode.setAlpha更新	加速前需全页面遍历，并重绘很多View；加速后只触发DecorView.updateDisplayListIfDirty,不再往下遍历，CPU执行时间可忽略不计。

• 场景1中，无论是否加速，遍历View树，且走Draw路径。硬件加速后Draw路径不做实际绘制工作，只是创建DisplayList，复杂的绘制计算任务被GPU分担，已经有较大的加速效果。
• 场景2中，TextView设置亲厚尺寸位置不变，不会触发重新Layout。
  • 软件绘制时，TextView所有区域即为脏区。由于TextView有透明区域，遍历View树过程中，和脏区重叠的多数View都要重绘，包括与之重叠的兄弟节点和他们的父节点，不需要绘制的View在draw(canvas, parent, drawingTime)方法中判断直接返回。
  • 硬件加速后，也需要遍历View树，但只有TextView及其每一层父节点需要重建DisplayList，走的是Draw路径，其他View直接走DisplayList路径，剩下的工作都交给GPU处理。页面越复杂，两者性能差距越明显。
• 场景3中，软件绘制每一帧都要做大量绘制工作，很容易导致动画卡顿。硬件加速后，动画过程直接走DisplayList路径更新DisplayList的属性，动画流畅度得到极大提升。
• 场景4中，两者的性能差距更明显。简单修改透明度，软件绘制仍然要做很多工作；硬件加速后一般直接更新RenderNode的属性，不需要触发invalidate，也不会遍历View树（除了少数View可能要对Alpha做特殊响应，并在onSetAlpha()返回true，会走invalidate）。

软件绘制刷新逻辑

• 默认情况下，View的clipChildren属性为true，即每个区域不能超过其父View的范围。如果设置一个页面根布局的clipChildren属性为false，则子View可以超出父View的绘制区域。
• 当一个View触发invalidate，且没有播放动画，没有触发layout的情况下：
  • 对于全不透明的View，其自身会设置标志位PFLAG_DIRTY。其父View会设置标志位PFLAG_DIRTY_OPAQUE。在draw(canvas)方法中，只有这个View自身重绘。
  • 对于可能有透明区域的View，其自身和父View都会设置成标志位PFLAG_DIRTY
• clipChildren为true时，脏区会被转换成ViewRoot中的Rect，刷新时层层向下判断，当View与脏区有重叠则重绘。如果一个View超出父View范围且与脏区重叠，但其父View不与脏区重叠，这个子View不会重绘。
• clipChildren为false时，ViewGroup.invalidateChildInParent()中会把脏区扩大到自身整个区域，于是与这个区域重叠的所有View都会重绘。

总结：

• CPU更擅长复杂逻辑控制，而GPU得益于大量ALU和并行结构设计，更擅长数学运算。
• 页面由各种基础元素（DisplayList）构成，渲染时需要进行大量浮点运算。
• 硬件加速条件下，CPU用于控制复杂绘制逻辑，构建或更新DisplayList；GPU用于完成图形计算，渲染DisplayList。
• 硬件加速条件下，刷新界面尤其是播放动画时，CPU只重建或更新必要的DisplayList，进一步提高渲染效率。
• 实现同样的效果，应尽量使用更简单的DisplayList，从而达到更好的性能（Shape替代Bitmap）。

本文参考

• 2018美团点评技术年货