[置顶] High Performance Canvas Game for Android

Rule #0 为移动平台进行优化
为移动平台进行优化是十分重要的，因为移动平台的性能大概只有桌面平台的1/10左右（*1），它通常意味着：
  1. 更慢的CPU速度，这意味着不经过优化的JavaScript代码，性能会十分糟糕；
  2. 更小的内存，没有虚拟内存的支持，这意味着加载太多的资源容易导致内存不足，JSVM更容易引发GC，并且GC造成的停顿时间也越长；
  3. 更慢的GPU速度，没有独立的显存，内存带宽相比PC要慢的多，这意味着即使使用GPU对Canvas进行加速，您仍然需要小心网页DOM树的复杂度，游戏所使用的分辨率（Canvas的大小），图片资源的分辨率，游戏场景的复杂度和尽量避免Overdraw等等；
注释：
  1. 如果您需要对移动平台浏览器的性能有一个全面的了解，建议阅读文章“Why mobile web apps are slow”（原文，译文）和”5 Myths About Mobile Web Performance“（原文，译文）。

Rule #1 为Android而不是iOS进行优化
牢记这一点非常重要，Mobile Safari的Canvas渲染机制跟Android平台有很大的不同，特别地针对Mobile Safari进行优化的Canvas游戏在Android平台的渲染性能会十分的糟糕。

Mobile Safari使用了iOS/MacOS平台特有的IOSurface作为Canvas的Buffer，当通过Canvas API往IOSurface绘制内容的时候是没有GPU加速的，iOS仍然使用CPU进行绘制，但是将一个IOSurface绘制到另外一个IOSurface上的时候，iOS会使用GPU的2D位拷贝加速单元进行加速（*1）。这种机制其实也是iOS UI界面Layer Rendering渲染架构的基础。所以为iOS优化的Canvas游戏会倾向于使用大量的Off-Screen Canvas（*2），不管是静态的图片也好，还是需要动态产生的内容也好，统统都缓存到一个Off-Screen Canvas上，最终游戏场景的绘制就是一个把一堆Off-Screen Canvas绘制到一个On-Screen Canvas的过程，这样就可以充分利用iOS绘制IOSurface到IOSurface使用了GPU加速的特性来提升渲染性能。

但是这种大量使用Off-Screen Canvas的做法在Android平台的浏览器上会非常糟糕。Android平台并没有IOSurface的同等物（一块同时支持CPU读写和GPU读写的缓冲区），所以它只能使用GL API对Canvas进行加速，一个加速的Canvas，它的Buffer是一个GL Texture（被attach到一个FBO上），这意味着：
  1. 无论是绘制到Canvas本身，还是Canvas绘制到Canvas都是GPU加速的，普通的位图要绘制到Canvas上，需要先被加载到一个Texture中；
  2. Texture Buffer只能通过GPU进行读写，如果要使用CPU访问，必须先通过glReadPixels把内容从显存拷贝到一块普通内存，而这个操作会非常慢并且会造成GL渲染流水线的阻塞；
  3. 如果游戏频繁创建和销毁一些比较小的Canvas，会很容易造成显存的碎片化，让显存的耗尽速度加快，并且创建太多的Canvas也容易把GPU资源都消耗光，导致后续的分配失败和渲染错误；
  4. 当每个Game Loop都对多个Canvas进行同时更新时，会导致GL Context不断地切换不同的Render Target（FBO），而这对GL的渲染性能有很大的影响；
后续的内容会进一步说明如何针对使用GL加速的Canvas渲染架构进行优化。

注释：
  1. 一般GPU都会带有多个独立的加速单元，包括3D加速单元，支持GL和D3D这样的3D API；2D位拷贝加速单元，对将一块缓冲区绘制到另外一块缓冲区进行加速；2D矢量绘制加速单元，支持像OpenVG这样的2D API，但是Android平台只支持通过GL API使用GPU加速，并没有公开的2D位拷贝加速API，虽然2.x的时候厂商可以提供一个copybit模块对位拷贝进行加速，供SurfaceFlinger使用，但这个模块不是通用的，并且不对外公开，另外在4.x的时候也已经移除了。
  2. Off-Screen Canvas在文中是指display:none，没有attach到DOM树上的Canvas，相对于On-Screen Canvas而言。

Rule #2 优化网页的DOM树结构

 

Canvas只是网页的一部分，它最终要显示出来还需要浏览器对网页本身的绘制，如果网页的DOM树结构越复杂，浏览器花在网页绘制上的时间也就越长，网页绘制占用的CPU/GPU资源也就越多，而留给Canvas绘制的CPU/GPU资源也就越少，这意味着Canvas绘制本身需要的时间也越长。并且网页绘制的耗时越长，Canvas最终更新到屏幕上的延迟也就越长，总之，这是一个此消彼涨的过程。所以，优化网页的DOM树结构，让其尽可能简单，浏览器就可以把更多的系统资源花费在Canvas的绘制上，从而提升Canvas的渲染性能。

 

最理想的DOM结构就是只包含一个<body>，加上一个<div>作为容器和加上一个<canvas>本身。如果Canvas上面需要显示其它的网页内容，最好只是用于一些临时使用的对话框之类的东西，而不是一直固定显示。

 

Rule #3 优化网页元素的css背景设置

 

跟#2的道理一样，背景设置越简单或者根本不设置背景，浏览器花费在网页本身绘制的开销也就越小，一般来说<canvas>元素本身都不应该设置css背景，它的背景应该通过Canvas API来绘制，避免浏览器在绘制<canvas>元素时还要先绘制背景，然后再绘制Canvas的内容。另外<body>和其它元素都应该首先考虑使用background-color而不是background-image，因为background-image的绘制耗时比一个纯色填充要大的多，而且背景图片本身还有消耗额外的显存资源。

 

 Rule #4 使用合适大小的Canvas

 

考虑移动设备的性能限制，Canvas不适宜太大，否则需要消耗更多的GPU资源和内存带宽，480p或者600p是一个比较合适的选择（横屏游戏可以选择800p或者960p），一般不应该超过720p。并且游戏图片资源的分辨率应该跟Canvas的分辨率保持一致，也就是正常情况下图片绘制到Canvas上应该不需要缩放。

 

一定要避免使用较低分辨率的图片，但是创建较大的Canvas，然后图片绘制到Canvas上还需要缩放的情况。这样做毫无意义，因为游戏本身的分辨率是由图片资源的分辨率来决定的，这种做法既不能提升游戏的精美程度，也白白浪费了系统资源。

 

如果自己预先指定了Canvas的大小，又希望Canvas在网页中全屏显示，可以通过<meta viewport>标签设置viewport的大小（*1，*2），直接告诉浏览器网页虚拟viewport的宽度应该是多少，并且让viewport的宽度等于Canvas的宽度，而浏览器会自动按照viewport宽度和屏幕宽屏的比值对网页进行整体放大。

 

注释：
  1. <meta viewport>的设置可以参考这个例子：http://www.craftymind.com/factory/guimark3/bitmap/GM3_JS_Bitmap.html
  2. Android系统浏览器在网页不指定viewport宽度时，它会认为这是一个WWW页面，并且使用980的默认viewport宽度，UC浏览器也遵循了同样的做法。这意味着您不设置viewport宽度，并且直接使用window.clientWidth作为Canvas的宽度时，就会创建出一个980p的Canvas，通常这是毫无意义的；

 Rule #5 避免使用多个On-Screen Canvas
如#1所述，多个Canvas同时更新会降低GL渲染的效率，并且如#2所述，多个On-Screen Canvas会导致网页本身的绘制时间增加，所以应该避免使用。

Rule #6 合理地使用Off-Screen Canvas
在GL加速的Canvas渲染架构下，合理地使用Off-Screen Canvas可以在某些特定的场景提升渲染性能，但是不合理的使用反而会导致性能下降。

  1. 将图片绘制到一个Off-Screen Canvas上，然后把这个Canvas当作原图片使用，这种用法，如#1所述，在iOS上是有用的，但是在Android上不必要的，甚至会导致额外的资源浪费（虽然渲染性能还是一样）。浏览器会自动将需要绘制到Canvas的图片加载成Texture并缓存起来，避免反复加载，只要这个缓存池大小没有超过限制，图片的绘制就只需要付出一次贴图的开销，这对GPU来说是很小的；
  2. 避免使用过大或者过小的Off-Screen Canvas —— 首先过大的Canvas会超过系统的Max Texture Size而无法进行加速（*1，*2），而太小的Canvas（*3，*4），因为对它加速不但不会加快渲染速度，反而会导致如#1所述的一些问题 —— 加快GPU资源的耗尽，频繁切换Render Target的额外开销等，所以也是不加速的；
  3. 避免频繁动态创建和销毁Canvas对象，这样很容易引发GC，而且浏览器为了避免大量的Canvas Buffer把GPU资源耗尽，还会在接近临界值时进行强制GC（*5），而强制GC造成的停顿比一般GC还要长，通常会达到500ms～1000ms。所以一般来说应该事先生成所有需要的Canvas然后一直使用，或者建立一个缓存池来回收和重用；
  4. Canvas初始大小设置后就不应该再改变，否则浏览器需要为它分配新的Buffer；
  5. 需要动态生成的内容，可以在一个Off-Screen Canvas上预先生成，然后直接将这个Canvas绘制到On-Screen Canvas上，但是这个生成应该是一次性的（或者偶尔），而不是每个Game Loop都需要更新，否则就会造成#1所述的问题 —— 频繁切换Render Target的额外开销；
  6. 如果场景中的部分内容很少发生变化，但是位置，缩放比例，旋转角度，透明度等属性需要频繁变化，可以把一个Off-Screen Canvas当作Layer使用，缓存这部分内容，然后在绘制这部分内容时就直接绘制这个Off-Screen Canvas；
总结一下，Off-Screen Canvas的使用应该尽量遵循以下原则：
  1. 数量适中（越少越好）；
  2. 大小适中（面积128x128以上，长宽2048以内，并且为2的幂次方对GPU来说是最友好的）；
  3. 一次创建，大小固定，持续使用；
  4. 读多写少（可以在每个Game Loop都绘制到On-Screen Canvas上，但是自身更新/变化的次数应该很少，避免每个Game Loop都更新）；
注释：
  1. 一般手机的Max Texture Size是2048，高端的机器可能会到4096或者8192，Canvas长宽任意一边超过这个大小都无法使用Texture做为自己的Buffer；
  2. 非加速的Canvas仍然使用普通的Bitmap作为自己的Buffer，这意味着它的绘制仍然使用CPU，并且它绘制到另外一个Canvas还需要先加载成Texture，而加速的Canvas本身就是一个Texture，所以它绘制到另外一个Canvas上只需要一次贴图的开销；
  3. WebKit默认的设置是128x128大小以内的Canvas不加速，UC和Chrome都使用了默认的设置；
  4. 把一个比较大，加速的Canvas绘制到一个比较小，不加速的Canvas会非常非常慢，这是因为浏览器需要从显存拷贝内容到普通内存，拷贝的速度很慢并且会造成GL渲染流水线的阻塞；
  5. 一个小技巧是，如果一个Canvas不再使用，可以将它的长宽设置为0，这样在JSVM的垃圾收集器还没有回收该Canvas对象时，浏览器就可以先释放它的Buffer，这样可以避免浏览器因为Buffer占用太多而不得不强制GC，不过总的来说最好还是自己建立缓存池；

Rule #7 避免频繁调用getImageData，putImageData和toDataURL
因为它们都会需要从显存拷贝内容到普通内存，或者相反，拷贝的速度很慢并且会造成GL渲染流水线的阻塞。所以不要在每个Game Loop都调用这几个API。

Rule #8 如果需要最大帧率，优先使用requestAnimationFrame而不是Timer
如果您的游戏只需要20或者30帧，那么就只能使用Timer。但是如果希望达到设备本身的最大帧率，则应该使用rAF，因为rAF可以让浏览器把网页绘制，Canvas绘制跟屏幕刷新保持同步，减少Canvas更新的延迟，并且在网页不可见的时候还可以自动停止rAF回调，避免无谓的浪费电池。

Rule #9 图片资源大小应该对GPU友好
  1. 避免使用太多小图片，而是应该把它们拼接成一张大图；
  2. 拼接的图片长宽应该是2的幂次方，并且小于或者等于2048，512x512，1024x1024都是不错的选择；
  3. 拼接的图片应该尽量避免留下大量空白区域，造成无谓的浪费

 

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