如何高效使用和管理Bitmap--图片缓存管理模块的设计与实现

    上周为360全景项目引入了图片缓存模块。因为是在Android4.0平台以上运作，出于惯性，都会在设计之前查阅相关资料，尽量避免拿一些以前2.3平台积累的经验来进行类比处理。开发文档中有一个 BitmapFun的示例，仔细拜读了一下，虽说围绕着Bitmap的方方面面讲得都很深入，但感觉很难引入到当前项目中去。         现在的图片服务提供者基本上都来源于网络。对于应用平台而言，访问网络属于耗时操作。尤其是在移动终端设备上，它的显著表现为系统的延迟时间变长、用户交互性变差等。可以想象，一个携带着这些问题的应用在市场上是很难与同类产品竞争的。
        说明一下，本文借鉴了 Keegan小钢和安卓巴士的处理模板，主要针对的是4.0以上平台应用。2.3以前平台执行效果未知，请斟酌使用或直接略过：），当然更欢迎您把测试结果告知笔者。
一、图片加载流程
        首先，我们谈谈加载图片的流程，项目中的该模块处理流程如下：
1.在UI主线程中，从内存缓存中获取图片，找到后返回。找不到进入下一步；
2.在工作线程中，从磁盘缓存中获取图片，找到即返回并更新内存缓存。找不到进入下一步；
3.在工作线程中，从网络中获取图片，找到即返回并同时更新内存缓存和磁盘缓存。找不到显示默认以提示。

二、内存缓存类（PanoMemCache）

        这里使用Android提供的LruCache类，该类保存一个强引用来限制内容数量，每当Item被访问的时候，此Item就会移动到队列的头部。当cache已满的时候加入新的item时，在队列尾部的item会被回收。

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1. public class PanoMemoryCache {  
2.   
3.     // LinkedHashMap初始容量  
4.     private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;  
5.     // LinkedHashMap加载因子  
6.     private static final int LOAD_FACTOR = 0.75f;  
7.     // LinkedHashMap排序模式  
8.     private static final boolean ACCESS_ORDER = true;  
9.   
10.     // 软引用缓存  
11.     private static LinkedHashMap<String, SoftReference<Bitmap>> mSoftCache;  
12.     // 硬引用缓存  
13.     private static LruCache<String, Bitmap> mLruCache;  
14.       
15.     public PanoMemoryCache() {  
16.     // 获取单个进程可用内存的最大值  
17.     // 方式一：使用ActivityManager服务（计量单位为M）  
18.         /*int memClass = ((ActivityManager) context.getSystemService(Context.ACTIVITY_SERVICE)).getMemoryClass();*/  
19.     // 方式二：使用Runtime类（计量单位为Byte）  
20.         final int memClass = (int) Runtime.getRuntime().maxMemory();  
21.         // 设置为可用内存的1/4（按Byte计算）  
22.         final int cacheSize = memClass / 4;  
23.         mLruCache = new LruCache<String, Bitmap>(cacheSize) {  
24.             @Override  
25.             protected int sizeOf(String key, Bitmap value) {  
26.                 if(value != null) {  
27.                     // 计算存储bitmap所占用的字节数  
28.                     return value.getRowBytes() * value.getHeight();  
29.                 } else {  
30.                     return 0;  
31.                 }  
32.             }  
33.               
34.             @Override  
35.             protected void entryRemoved(boolean evicted, String key, Bitmap oldValue, Bitmap newValue) {  
36.                 if(oldValue != null) {  
37.                     // 当硬引用缓存容量已满时，会使用LRU算法将最近没有被使用的图片转入软引用缓存  
38.                     mSoftCache.put(key, new SoftReference<Bitmap>(oldValue));  
39.                 }  
40.             }  
41.         };  
42.           
43.     /* 
44.     * 第一个参数：初始容量（默认16） 
45.     * 第二个参数：加载因子（默认0.75） 
46.     * 第三个参数：排序模式（true：按访问次数排序；false：按插入顺序排序） 
47.     */  
48.         mSoftCache = new LinkedHashMap<String, SoftReference<Bitmap>>(INITIAL_CAPACITY, LOAD_FACTOR, ACCESS_ORDER) {  
49.             private static final long serialVersionUID = 7237325113220820312L;  
50.             @Override  
51.             protected boolean removeEldestEntry(Entry<String, SoftReference<Bitmap>> eldest) {  
52.                 if(size() > SOFT_CACHE_SIZE) {  
53.                     return true;  
54.                 }  
55.                 return false;  
56.             }  
57.         };  
58.     }  
59.       
60.     /** 
61.      * 从缓存中获取Bitmap 
62.      * @param url 
63.      * @return bitmap 
64.      */  
65.     public Bitmap getBitmapFromMem(String url) {  
66.         Bitmap bitmap = null;  
67.         // 先从硬引用缓存中获取  
68.         synchronized (mLruCache) {  
69.             bitmap = mLruCache.get(url);  
70.             if(bitmap != null) {  
71.                 // 找到该Bitmap之后，将其移到LinkedHashMap的最前面，保证它在LRU算法中将被最后删除。  
72.                 mLruCache.remove(url);  
73.                 mLruCache.put(url, bitmap);  
74.                 return bitmap;  
75.             }  
76.         }  
77.   
78.   
79.         // 再从软引用缓存中获取  
80.         synchronized (mSoftCache) {  
81.             SoftReference<Bitmap> bitmapReference = mSoftCache.get(url);  
82.             if(bitmapReference != null) {  
83.                 bitmap = bitmapReference.get();  
84.                 if(bitmap != null) {  
85.                     // 找到该Bitmap之后，将它移到硬引用缓存。并从软引用缓存中删除。  
86.                     mLruCache.put(url, bitmap);  
87.                     mSoftCache.remove(url);  
88.                     return bitmap;  
89.                 } else {  
90.                     mSoftCache.remove(url);  
91.                 }  
92.             }  
93.         }  
94.         return null;  
95.     }  
96.       
97.     /** 
98.      * 添加Bitmap到内存缓存 
99.      * @param url 
100.      * @param bitmap 
101.      */  
102.     public void addBitmapToCache(String url, Bitmap bitmap) {  
103.         if(bitmap != null) {  
104.             synchronized (mLruCache) {  
105.               mLruCache.put(url, bitmap);    
106.             }  
107.         }  
108.     }  
109.       
110.     /** 
111.      * 清理软引用缓存 
112.      */  
113.     public void clearCache() {  
114.         mSoftCache.clear();  
115.     mSoftCache = null;  
116.     }  
117. }  

        补充一点，由于4.0平台以后对SoftReference类引用的对象调整了回收策略，所以该类中的软引用缓存实际上没什么效果，可以去掉。2.3以前平台建议保留。
三、磁盘缓存类（PanoDiskCache）

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1. public class PanoDiskCache {  
2.       
3.     private static final String TAG = "PanoDiskCache";  
4.   
5.     // 文件缓存目录  
6.     private static final String CACHE_DIR = "panoCache";  
7.     private static final String CACHE_FILE_SUFFIX = ".cache";  
8.       
9.     private static final int MB = 1024 * 1024;  
10.     private static final int CACHE_SIZE = 10; // 10M  
11.     private static final int SDCARD_CACHE_THRESHOLD = 10;  
12.       
13.     public PanoDiskCache() {  
14.         // 清理文件缓存  
15.         removeCache(getDiskCacheDir());  
16.     }  
17.       
18.     /** 
19.      * 从磁盘缓存中获取Bitmap 
20.      * @param url 
21.      * @return  
22.      */  
23.     public Bitmap getBitmapFromDisk(String url) {  
24.         String path = getDiskCacheDir() + File.separator + genCacheFileName(url);  
25.         File file = new File(path);  
26.         if(file.exists()) {  
27.             Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeFile(path);  
28.             if(bitmap == null) {  
29.                 file.delete();  
30.             } else {  
31.                 updateLastModified(path);  
32.                 return bitmap;  
33.             }  
34.         }  
35.         return null;  
36.     }  
37.       
38.     /** 
39.      * 将Bitmap写入文件缓存 
40.      * @param bitmap 
41.      * @param url 
42.      */  
43.     public void addBitmapToCache(Bitmap bitmap, String url) {  
44.         if(bitmap == null) {  
45.             return;  
46.         }  
47.         // 判断当前SDCard上的剩余空间是否足够用于文件缓存  
48.         if(SDCARD_CACHE_THRESHOLD > calculateFreeSpaceOnSd()) {  
49.             return;  
50.         }  
51.         String fileName = genCacheFileName(url);  
52.         String dir = getDiskCacheDir();  
53.         File dirFile = new File(dir);  
54.         if(!dirFile.exists()) {  
55.             dirFile.mkdirs();  
56.         }  
57.         File file = new File(dir + File.separator + fileName);  
58.         try {  
59.             file.createNewFile();  
60.             FileOutputStream out = new FileOutputStream(file);  
61.             bitmap.compress(Bitmap.CompressFormat.JPEG, 100, out);  
62.             out.flush();  
63.             out.close();  
64.         } catch (FileNotFoundException e) {  
65.             Log.e(TAG, "FileNotFoundException");  
66.         } catch (IOException e) {  
67.             Log.e(TAG, "IOException");  
68.         }  
69.     }  
70.       
71.     /** 
72.      * 清理文件缓存 
73.      * 当缓存文件总容量超过CACHE_SIZE或SDCard的剩余空间小于SDCARD_CACHE_THRESHOLD时，将删除40%最近没有被使用的文件 
74.      * @param dirPath 
75.      * @return  
76.      */  
77.     private boolean removeCache(String dirPath) {  
78.         File dir = new File(dirPath);  
79.         File[] files = dir.listFiles();  
80.         if(files == null || files.length == 0) {  
81.             return true;  
82.         }  
83.         if(!Environment.getExternalStorageState().equals(Environment.MEDIA_MOUNTED)) {  
84.             return false;  
85.         }  
86.           
87.         int dirSize = 0;  
88.         for (int i = 0; i < files.length; i++) {  
89.             if(files[i].getName().contains(CACHE_FILE_SUFFIX)) {  
90.                 dirSize += files[i].length();  
91.             }  
92.         }  
93.         if(dirSize > CACHE_SIZE * MB || SDCARD_CACHE_THRESHOLD > calculateFreeSpaceOnSd()) {  
94.             int removeFactor = (int) (0.4 * files.length + 1);  
95.             Arrays.sort(files, new FileLastModifiedSort());  
96.             for (int i = 0; i < removeFactor; i++) {  
97.                 if(files[i].getName().contains(CACHE_FILE_SUFFIX)) {  
98.                     files[i].delete();  
99.                 }  
100.             }  
101.         }  
102.           
103.         if(calculateFreeSpaceOnSd() <= SDCARD_CACHE_THRESHOLD) {  
104.             return false;  
105.         }  
106.         return true;  
107.     }  
108.       
109.     /** 
110.      * 更新文件的最后修改时间 
111.      * @param path 
112.      */  
113.     private void updateLastModified(String path) {  
114.         File file = new File(path);  
115.         long time = System.currentTimeMillis();  
116.         file.setLastModified(time);  
117.     }  
118.       
119.     /** 
120.      * 计算SDCard上的剩余空间 
121.      * @return  
122.      */  
123.     private int calculateFreeSpaceOnSd() {  
124.         StatFs stat = new StatFs(Environment.getExternalStorageDirectory().getPath());  
125.         double sdFreeMB = ((double) stat.getAvailableBlocks() * (double) stat.getBlockSize()) / MB;  
126.         return (int) sdFreeMB;  
127.     }  
128.   
129.   
130.     /** 
131.      * 生成统一的磁盘文件后缀便于维护 
132.      * 从URL中得到源文件名称，并为它追加缓存后缀名.cache 
133.      * @param url 
134.      * @return 文件存储后的名称 
135.      */  
136.     private String genCacheFileName(String url) {  
137.         String[] strs = url.split(File.separator);  
138.         return strs[strs.length - 1] + CACHE_FILE_SUFFIX;  
139.     }  
140.       
141.     /** 
142.      * 获取磁盘缓存目录 
143.      * @return  
144.      */  
145.     private String getDiskCacheDir() {  
146.         return getSDPath() + File.separator + CACHE_DIR;  
147.     }  
148.       
149.     /** 
150.      * 获取SDCard目录 
151.      * @return  
152.      */  
153.     private String getSDPath() {  
154.         File sdDir = null;  
155.         // 判断SDCard是否存在  
156.         boolean sdCardExist = Environment.getExternalStorageState().equals(Environment.MEDIA_MOUNTED);  
157.         if(sdCardExist) {  
158.             // 获取SDCard根目录  
159.             sdDir = Environment.getExternalStorageDirectory();  
160.         }  
161.         if(sdDir != null) {  
162.             return sdDir.toString();  
163.         } else {  
164.             return "";  
165.         }  
166.     }  
167.       
168.     /** 
169.      * 根据文件最后修改时间进行排序 
170.      */  
171.     private class FileLastModifiedSort implements Comparator<File> {  
172.         @Override  
173.         public int compare(File lhs, File rhs) {  
174.             if(lhs.lastModified() > rhs.lastModified()) {  
175.                 return 1;  
176.             } else if(lhs.lastModified() == rhs.lastModified()) {  
177.                 return 0;  
178.             } else {  
179.                 return -1;  
180.             }  
181.         }  
182.     }  
183. }  

四、图片工具类（PanoUtils）
1.从网络上获取图片：downloadBitmap()

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1. /** 
2.     * 从网络上获取Bitmap，并进行适屏和分辨率处理。 
3.     * @param context 
4.     * @param url 
5.     * @return  
6.     */  
7.    public static Bitmap downloadBitmap(Context context, String url) {  
8.        HttpClient client = new DefaultHttpClient();  
9.        HttpGet request = new HttpGet(url);  
10.          
11.        try {  
12.            HttpResponse response = client.execute(request);  
13.            int statusCode = response.getStatusLine().getStatusCode();  
14.            if(statusCode != HttpStatus.SC_OK) {  
15.                Log.e(TAG, "Error " + statusCode + " while retrieving bitmap from " + url);  
16.                return null;  
17.            }  
18.              
19.            HttpEntity entity = response.getEntity();  
20.            if(entity != null) {  
21.                InputStream in = null;  
22.                try {  
23.                    in = entity.getContent();  
24.                    return scaleBitmap(context, readInputStream(in));  
25.                } finally {  
26.                    if(in != null) {  
27.                        in.close();  
28.                        in = null;  
29.                    }  
30.                    entity.consumeContent();  
31.                }  
32.            }  
33.        } catch (IOException e) {  
34.            request.abort();  
35.            Log.e(TAG, "I/O error while retrieving bitmap from " + url, e);  
36.        } catch (IllegalStateException e) {  
37.            request.abort();  
38.            Log.e(TAG, "Incorrect URL: " + url);  
39.        } catch (Exception e) {  
40.            request.abort();  
41.            Log.e(TAG, "Error while retrieving bitmap from " + url, e);  
42.        } finally {  
43.            client.getConnectionManager().shutdown();  
44.        }  
45.        return null;  
46.    }     

2.从输入流读取字节数组，看起来是不是很眼熟啊！

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1. public static byte[] readInputStream(InputStream in) throws Exception {  
2.         ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();  
3.         byte[] buffer = new byte[1024];  
4.         int len = 0;  
5.         while((len = in.read(buffer)) != -1) {  
6.             out.write(buffer, 0, len);  
7.         }  
8.         in.close();  
9.         return out.toByteArray();  
10.     }      

3.对下载的源图片进行适屏处理，这也是必须的：）

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1. /** 
2.      * 按使用设备屏幕和纹理尺寸适配Bitmap 
3.      * @param context 
4.      * @param in 
5.      * @return  
6.      */  
7.     private static Bitmap scaleBitmap(Context context, byte[] data) {  
8.           
9.         WindowManager windowMgr = (WindowManager) context.getSystemService(Context.WINDOW_SERVICE);  
10.         DisplayMetrics outMetrics = new DisplayMetrics();  
11.         windowMgr.getDefaultDisplay().getMetrics(outMetrics);  
12.         int scrWidth = outMetrics.widthPixels;  
13.         int scrHeight = outMetrics.heightPixels;  
14.           
15.         BitmapFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();  
16.         options.inJustDecodeBounds = true;  
17.         Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeByteArray(data, 0, data.length, options);  
18.         int imgWidth = options.outWidth;  
19.         int imgHeight = options.outHeight;  
20.           
21.         if(imgWidth > scrWidth || imgHeight > scrHeight) {  
22.             options.inSampleSize = calculateInSampleSize(options, scrWidth, scrHeight);  
23.         }  
24.         options.inJustDecodeBounds = false;  
25.         bitmap = BitmapFactory.decodeByteArray(data, 0, data.length, options);  
26.           
27.         // 根据业务的需要，在此处还可以进一步做处理  
28.         ...  
29.   
30.         return bitmap;  
31.     }  
32.       
33.     /** 
34.      * 计算Bitmap抽样倍数 
35.      * @param options 
36.      * @param reqWidth 
37.      * @param reqHeight 
38.      * @return  
39.      */  
40.     public static int calculateInSampleSize(BitmapFactory.Options options, int reqWidth, int reqHeight) {  
41.         // 原始图片宽高  
42.         final int height = options.outHeight;  
43.         final int width = options.outWidth;  
44.         int inSampleSize = 1;  
45.       
46.         if (height > reqHeight || width > reqWidth) {  
47.       
48.             // 计算目标宽高与原始宽高的比值  
49.             final int heightRatio = Math.round((float) height / (float) reqHeight);  
50.             final int widthRatio = Math.round((float) width / (float) reqWidth);  
51.       
52.             // 选择两个比值中较小的作为inSampleSize的值  
53.             inSampleSize = heightRatio < widthRatio ? heightRatio : widthRatio;  
54.             if(inSampleSize < 1) {  
55.                 inSampleSize = 1;  
56.             }  
57.         }  
58.   
59.         return inSampleSize;  
60.     }  

五、使用decodeByteArray()还是decodeStream()？
        讲到这里，有童鞋可能会问我为什么使用BitmapFactory.decodeByteArray(data, 0, data.length, opts)来创建Bitmap，而非使用BitmapFactory.decodeStream(is, null, opts)。你这样做不是要多写一个静态方法readInputStream()吗？
        没错，decodeStream()确实是该使用情景下的首选方法，但是在有些情形下，它会导致图片资源不能即时获取，或者说图片被它偷偷地缓存起来，交 还给我们的时间有点长。但是延迟性是致命的，我们等不起。所以在这里选用decodeByteArray()获取，它直接从字节数组中获取，贴近于底层 IO、脱离平台限制、使用起来风险更小。
六、引入缓存机制后获取图片的方法

[java] view plain copy print ?

1. /** 
2.      * 加载Bitmap 
3.      * @param url 
4.      * @return  
5.      */  
6.     private Bitmap loadBitmap(String url) {  
7.         // 从内存缓存中获取，推荐在主UI线程中进行  
8.         Bitmap bitmap = memCache.getBitmapFromMem(url);  
9.         if(bitmap == null) {  
10.             // 从文件缓存中获取，推荐在工作线程中进行  
11.             bitmap = diskCache.getBitmapFromDisk(url);  
12.             if(bitmap == null) {  
13.                 // 从网络上获取，不用推荐了吧，地球人都知道~_~  
14.                 bitmap = PanoUtils.downloadBitmap(this, url);  
15.                 if(bitmap != null) {  
16.                     diskCache.addBitmapToCache(bitmap, url);  
17.                     memCache.addBitmapToCache(url, bitmap);  
18.                 }  
19.             } else {  
20.                 memCache.addBitmapToCache(url, bitmap);  
21.             }  
22.         }  
23.         return bitmap;  
24.     }  

七、工作线程池化
        有关多线程的切换问题以及在UI线程中执行loadBitmap()方法无效的问题，请参见另一篇博文： 使用严苛模式打破Android4.0以上平台应用中UI主线程的“独断专行”。
有关工作线程的处理方式，这里推荐使用定制线程池的方式，核心代码如下：

[java] view plain copy print ?

1. // 线程池初始容量  
2. private static final int POOL_SIZE = 4;  
3. private ExecutorService executorService;  
4. @Override  
5. public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {  
6.     super.onCreate(savedInstanceState);  
7.   
8.     // 获取当前使用设备的CPU个数  
9.     int cpuNums = Runtime.getRuntime().availableProcessors();  
10.     // 预开启线程池数目  
11.     executorService = Executors.newFixedThreadPool(cpuNums * POOL_SIZE);  
12.   
13.     ...  
14.     executorService.submit(new Runnable() {  
15.         // 此处执行一些耗时工作，不要涉及UI工作。如果遇到，直接转交UI主线程  
16.         pano.setImage(loadBitmap(url));  
17.     });  
18.     ...  
19.   
20. }  

        我们知道，线程构造也是比较耗资源的。一定要对其进行有效的管理和维护。千万不要随意而行，一张图片的工作线程不搭理也许没什么，当使用场景变为 ListView和GridView时，线程池化工作就显得尤为重要了。Android不是提供了AsyncTask吗？为什么不用它？其实 AsyncTask底层也是靠线程池支持的，它默认分配的线程数是128，是远大于我们定制的executorService。