理解Android硬件加速原理(小白文)
前言
硬件加速，直观上说就是依赖 GPU 实现图形绘制加速，同软硬件加速的区别主要是图形的绘制究竟是 GPU 来处理还是 CPU，如果是GPU，就认为是硬件加速绘制，反之，软件绘制。在 Android 中也是如此，不过相对于普通的软件绘制，硬件加速还做了其他方面优化，不仅仅限定在绘制方面，绘制之前，在如何构建绘制区域上，硬件加速也做出了很大优化，因此硬件加速特性可以从下面两部分来分析：
1、前期策略：如何构建需要绘制的区域
2、后期绘制：单独渲染线程，依赖 GPU 进行绘制
无论是软件绘制还是硬件加速，绘制内存的分配都是类似的，都是需要请求 SurfaceFlinger 服务分配一块内存，只不过硬件加速有可能从FrameBuffer 硬件缓冲区直接分配内存（SurfaceFlinger 一直这么干的），两者的绘制都是在APP端，绘制完成之后同样需要通知SurfaceFlinger 进行合成，在这个流程上没有任何区别，真正的区别在于在 APP 端如何完成UI数据绘制，本文就直观的了解下两者的区别，会涉及部分源码，但不求甚解。
软硬件加速的分歧点
大概从 Android 4.+开始，默认情况下都是支持跟开启了硬件加速的，也存在手机支持硬件加速，但是部分API不支持硬件加速的情况，如果使用了这些API，就需要主关闭硬件加速，或者在 View 层，或者在Activity 层，比如 Canvas 的 clipPath等。但是，View 的绘制是软件加速实现的还是硬件加速实现的，一般在开发的时候并不可见，那图形绘制的时候，软硬件的分歧点究竟在哪呢？举个例子，有个 View 需要重绘，一般会调用 View 的 invalidate，触发重绘，跟着这条线走，去查一下分歧点。
从上面的调用流程可以看出，视图重绘最后会进入ViewRootImpl的draw，这里有个判断点是软硬件加速的分歧点,简化后如下
ViewRootImpl.java
private void draw(boolean fullRedrawNeeded) {
...
if (!dirty.isEmpty() || mIsAnimating || accessibilityFocusDirty) {
<!--关键点1 是否开启硬件加速-->
if (mAttachInfo.mHardwareRenderer != null && mAttachInfo.mHardwareRenderer.isEnabled()) {
...
dirty.setEmpty();
mBlockResizeBuffer = false;
<!--关键点2 硬件加速绘制-->
mAttachInfo.mHardwareRenderer.draw(mView, mAttachInfo, this);
} else {
...
<!--关键点3 软件绘制-->
if (!drawSoftware(surface, mAttachInfo, xOffset, yOffset, scalingRequired, dirty)) {
return;
}
...
关键点1是启用硬件加速的条件，必须支持硬件并且开启了硬件加速才可以，满足，就利用 HardwareRenderer.draw，否则 drawSoftware（软件绘制）。简答看一下这个条件，默认情况下，该条件是成立的，因为4.+之后的手机一般都支持硬件加速，而且在添加窗口的时候，ViewRootImpl 会 enableHardwareAcceleration 开启硬件加速，new HardwareRenderer，并初始化硬件加速环境。
private void enableHardwareAcceleration(WindowManager.LayoutParams attrs) {
<!--根据配置，获取硬件加速的开关-->
// Try to enable hardware acceleration if requested
final boolean hardwareAccelerated =
(attrs.flags & WindowManager.LayoutParams.FLAG_HARDWARE_ACCELERATED) != 0;
if (hardwareAccelerated) {
...
<!--新建硬件加速图形渲染器-->
mAttachInfo.mHardwareRenderer = HardwareRenderer.create(mContext, translucent);
if (mAttachInfo.mHardwareRenderer != null) {
mAttachInfo.mHardwareRenderer.setName(attrs.getTitle().toString());
mAttachInfo.mHardwareAccelerated =
mAttachInfo.mHardwareAccelerationRequested = true;
}
...
其实到这里软件绘制跟硬件加速的分歧点已经找到了，就是ViewRootImpl在draw 的时候，如果需要硬件加速就利用 HardwareRenderer 进行 draw，否则走软件绘制流程，drawSoftware其实很简单，利用 Surface.lockCanvas，向 SurfaceFlinger 申请一块匿名共享内存内存分配，同时获取一个普通的 SkiaCanvas，用于调用Skia 库，进行图形绘制，
private boolean drawSoftware(Surface surface, AttachInfo attachInfo, int xoff, int yoff,
boolean scalingRequired, Rect dirty) {
final Canvas canvas;
try {
<!--关键点1 -->
canvas = mSurface.lockCanvas(dirty);
..
<!--关键点2 绘制-->
mView.draw(canvas);
..
关键点3 通知SurfaceFlinger进行图层合成
surface.unlockCanvasAndPost(canvas);
} ...
return true; }
drawSoftware 工作完全由 CPU 来完成，不会牵扯到 GPU 的操作，下面重点看下 HardwareRenderer 所进行的硬件加速绘制。
HardwareRenderer 硬件加速绘制模型
开头说过，硬件加速绘制包括两个阶段：构建阶段+绘制阶段，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。如下所示：
绘图Op抽象
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：
硬件加速.jpg
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。
硬件加速模型.jpg
知道整个模型后，就代码来简单了解下实现流程，先看下递归构建RenderNode 树及 DrawOp 集。
利用HardwareRenderer构建DrawOp集
HardwareRenderer 是整个硬件加速绘制的入口，实现是一个ThreadedRenderer 对象，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ThreadedRenderer的作用是很重要的，简单看一下实现：
ThreadedRenderer(Context context, boolean translucent) {
...
<!--新建native node-->
long rootNodePtr = nCreateRootRenderNode();
mRootNode = RenderNode.adopt(rootNodePtr);
mRootNode.setClipToBounds(false);
<!--新建NativeProxy-->
mNativeProxy = nCreateProxy(translucent, rootNodePtr);
ProcessInitializer.sInstance.init(context, mNativeProxy);
loadSystemProperties();
}
从上面代码看出，ThreadedRenderer中有一个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，同时还有个RenderProxy对象，这个对象就是用来跟渲染线程进行通信的句柄，看一下其构造函数：
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);
}
从RenderThread::getInstance()可以看出，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。下面就接着看ThreadedRenderer的draw函数，如何构建渲染Op树：
@Override
void draw(View view, AttachInfo attachInfo, HardwareDrawCallbacks callbacks) {
attachInfo.mIgnoreDirtyState = true;
final Choreographer choreographer = attachInfo.mViewRootImpl.mChoreographer;
choreographer.mFrameInfo.markDrawStart();
<!--关键点1：构建View的DrawOp树-->
updateRootDisplayList(view, callbacks);
<!--关键点2：通知RenderThread线程绘制-->
int syncResult = nSyncAndDrawFrame(mNativeProxy, frameInfo, frameInfo.length);
...
}
只关心关键点1 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，简述一下流程：
private void updateRootDisplayList(View view, HardwareDrawCallbacks callbacks) {
<!--更新-->
updateViewTreeDisplayList(view);
if (mRootNodeNeedsUpdate || !mRootNode.isValid()) {
<!--获取DisplayListCanvas-->
DisplayListCanvas canvas = mRootNode.start(mSurfaceWidth, mSurfaceHeight);
try {
<!--利用canvas缓存Op-->
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 {
<!--将所有Op填充到RootRenderNode-->
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
绘制流程
简单看一下View递归构建DrawOp，并将自己填充到
@NonNull
public RenderNode updateDisplayListIfDirty() {
final RenderNode renderNode = mRenderNode;
...
// start 获取一个 DisplayListCanvas 用于绘制 硬件加速
final DisplayListCanvas canvas = renderNode.start(width, height);
try {
// 是否是textureView
final HardwareLayer layer = getHardwareLayer();
if (layer != null && layer.isValid()) {
canvas.drawHardwareLayer(layer, 0, 0, mLayerPaint);
} else if (layerType == LAYER_TYPE_SOFTWARE) {
// 是否强制软件绘制
buildDrawingCache(true);
Bitmap cache = getDrawingCache(true);
if (cache != null) {
canvas.drawBitmap(cache, 0, 0, mLayerPaint);
}
} else {
// 如果仅仅是ViewGroup，并且自身不用绘制，直接递归子View
if ((mPrivateFlags & PFLAG_SKIP_DRAW) == PFLAG_SKIP_DRAW) {
dispatchDraw(canvas);
} else {
<!--调用自己draw，如果是ViewGroup会递归子View-->
draw(canvas);
}
}
} finally {
<!--缓存构建Op-->
renderNode.end(canvas);
setDisplayListProperties(renderNode);
}
}
return renderNode;
}
TextureView跟强制软件绘制的View比较特殊，有额外的处理，这里不关心，直接看普通的draw，假如在View onDraw中，有个drawLine，这里就会调用DisplayListCanvas的drawLine函数，DisplayListCanvas及RenderNode类图大概如下
硬件加速类图
DisplayListCanvas的drawLine 函数最终会进入DisplayListCanvas.cpp的drawLine，
void DisplayListCanvas::drawLines(const float* points, int count, const SkPaint& paint) {
points = refBuffer<float>(points, count);
addDrawOp(new (alloc()) DrawLinesOp(points, count, refPaint(&paint)));
}
可以看到，这里构建了一个DrawLinesOp，并添加到DisplayListCanvas的缓存列表中去，如此递归便可以完成DrawOp树的构建，在构建后利用RenderNode的end函数，将DisplayListCanvas中的数据缓存到RenderNode中去：
public void end(DisplayListCanvas canvas) {
canvas.onPostDraw();
long renderNodeData = canvas.finishRecording();
<!--将DrawOp缓存到RenderNode中去-->
nSetDisplayListData(mNativeRenderNode, renderNodeData);
// canvas 回收掉]
canvas.recycle();
mValid = true;
}
如此，便完成了DrawOp树的构建，之后，利用RenderProxy向RenderThread发送消息，请求OpenGL线程进行渲染。
RenderThread渲染UI到Graphic Buffer
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，大致流程如下：
- 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。
不过再这之前先复习一下绘制内存的由来，毕竟之前DrawOp树的构建只是在普通的用户内存中，而部分数据对于SurfaceFlinger都是不可见的，之后又绘制到共享内存中的数据才会被SurfaceFlinger合成，之前分析过软件绘制的UI是来自匿名共享内存，那么硬件加速的共享内存来自何处呢？到这里可能要倒回去看看 ViewRootImlp
private void performTraversals() {
...
if (mAttachInfo.mHardwareRenderer != null) {
try {
hwInitialized = mAttachInfo.mHardwareRenderer.initialize(
mSurface);
if (hwInitialized && (host.mPrivateFlags
& View.PFLAG_REQUEST_TRANSPARENT_REGIONS) == 0) {
mSurface.allocateBuffers();
}
} catch (OutOfResourcesException e) {
handleOutOfResourcesException(e);
return;
}
}
....
/**
* Allocate buffers ahead of time to avoid allocation delays during rendering
* @hide
*/
public void allocateBuffers() {
synchronized (mLock) {
checkNotReleasedLocked();
nativeAllocateBuffers(mNativeObject);
}
}
可以看出，对于硬件加速的场景，内存分配的时机会稍微提前，而不是像软件绘制事，由Surface的lockCanvas发起，主要目的是：避免在渲染的时候再申请，一是避免分配失败，浪费了CPU之前的准备工作，二是也可以将渲染线程个工作简化，在分析Android窗口管理分析（4）：Android View绘制内存的分配、传递、使用的时候分析过，在分配成功后，如果有必要，会进行一次UI数据拷贝，这是局部绘制的根基，也是保证DrawOp可以部分执行的基础，到这里内存也分配完毕。不过，还是会存在另一个问题，一个APP进程，同一时刻会有过个Surface绘图界面，但是渲染线程只有一个，那么究竟渲染那个呢？这个时候就需要将Surface与渲染线程（上下文）绑定。
static jboolean android_view_ThreadedRenderer_initialize(JNIEnv* env, jobject clazz,
jlong proxyPtr, jobject jsurface) {
RenderProxy* proxy = reinterpret_cast<RenderProxy*>(proxyPtr);
sp<ANativeWindow> window = android_view_Surface_getNativeWindow(env, jsurface);
return proxy->initialize(window);
}
首先通过android_view_Surface_getNativeWindowSurface获取Surface，在Native层,Surface对应一个ANativeWindow,接着，通过RenderProxy类的成员函数initialize将前面获得的ANativeWindow绑定到RenderThread
bool RenderProxy::initialize(const sp<ANativeWindow>& window) {
SETUP_TASK(initialize);
args->context = mContext;
args->window = window.get();
return (bool) postAndWait(task);
}
仍旧是向渲染线程发送消息，让其绑定当前Window，其实就是调用CanvasContext的initialize函数，让绘图上下文绑定绘图内存：
bool CanvasContext::initialize(ANativeWindow* window) {
setSurface(window);
if (mCanvas) return false;
mCanvas = new OpenGLRenderer(mRenderThread.renderState());
mCanvas->initProperties();
return true;
}
CanvasContext通过setSurface将当前要渲染的Surface绑定到到RenderThread中，大概流程是通过eglApi获得一个EGLSurface，EGLSurface封装了一个绘图表面，进而，通过eglApi将EGLSurface设定为当前渲染窗口，并将绘图内存等信息进行同步，之后通过RenderThread绘制的时候才能知道是在哪个窗口上进行绘制。这里主要是跟OpenGL库对接，所有的操作最终都会归结到eglApi抽象接口中去。假如，这里不是Android，是普通的Java平台，同样需要相似的操作，进行封装处理，并绑定当前EGLSurface才能进行渲染，因为OpenGL是一套规范，想要使用，就必须按照这套规范走。之后，再创建一个OpenGLRenderer对象，后面执行OpenGL相关操作的时候，其实就是通过OpenGLRenderer来进行的。
绑定流程
上面的流程走完，有序DrawOp树已经构建好、内存也已分配好、环境及场景也绑定成功，剩下的就是绘制了，不过之前说过，真正调用OpenGL绘制之前还有一些合并操作，这是Android硬件加速做的优化，回过头继续走draw流程，其实就是走OpenGLRenderer的drawRenderNode进行递归处理：
void OpenGLRenderer::drawRenderNode(RenderNode* renderNode, Rect& dirty, int32_t replayFlags) {
...
<!--构建deferredList-->
DeferredDisplayList deferredList(mState.currentClipRect(), avoidOverdraw);
DeferStateStruct deferStruct(deferredList, *this, replayFlags);
<!--合并及分组-->
renderNode->defer(deferStruct, 0);
<!--绘制layer-->
flushLayers();
startFrame();
<!--绘制 DrawOp树-->
deferredList.flush(*this, dirty);
...
}
硬件加速渲染流程
先看下renderNode->defer(deferStruct, 0)，合并操作，DrawOp树并不是直接被绘制的，而是首先通过DeferredDisplayList进行一个合并优化，这个是Android硬件加速中采用的一种优化手段，不仅可以减少不必要的绘制，还可以将相似的绘制集中处理，提高绘制速度。
void RenderNode::defer(DeferStateStruct& deferStruct, const int level) {
DeferOperationHandler handler(deferStruct, level);
issueOperations<DeferOperationHandler>(deferStruct.mRenderer, handler);
}
RenderNode::defer其实内含递归操作，比如，如果当前RenderNode代表DecorView，它就会递归所有的子View进行合并优化处理，简述一下合并及优化的流程及算法，其实主要就是根据DrawOp树构建DeferedDisplayList，defer本来就有延迟的意思，对于DrawOp的合并有两个必要条件，
1：两个DrawOp的类型必须相同，这个类型在合并的时候被抽象为Batch ID，取值主要有以下几种
enum OpBatchId {
kOpBatch_None = 0, // Don't batch
kOpBatch_Bitmap,
kOpBatch_Patch,
kOpBatch_AlphaVertices,
kOpBatch_Vertices,
kOpBatch_AlphaMaskTexture,
kOpBatch_Text,
kOpBatch_ColorText,
kOpBatch_Count, // Add other batch ids before this
};
2：DrawOp的Merge ID必须相同，Merge ID没有太多限制，由每个DrawOp自定决定，不过好像只有DrawPatchOp、DrawBitmapOp、DrawTextOp比较特殊，其余的似乎不需要考虑合并问题，即时是以上三种，合并的条件也很苛刻
在合并过程中，DrawOp被分为两种：需要合的与不需要合并的，并分别缓存在不同的列表中，无法合并的按照类型分别存放在Batch* mBatchLookup[kOpBatch_Count]中，可以合并的按照类型及MergeID存储到TinyHashMap<mergeid_t, DrawBatch*> mMergingBatches[kOpBatch_Count]中，示意图如下：
DrawOp合并操作.jpg
合并之后，DeferredDisplayList Vector<Batch> mBatches包含全部整合后的绘制命令，之后渲染即可，需要注意的是这里的合并并不是多个变一个，只是做了一个集合，主要是方便使用各资源纹理等，比如绘制文字的时候，需要根据文字的纹理进行渲染，而这个时候就需要查询文字的纹理坐标系，合并到一起方便统一处理，一次渲染，减少资源加载的浪费，当然对于理解硬件加速的整体流程，这个合并操作可以完全无视，甚至可以直观认为，构建完之后，就可以直接渲染，它的主要特点是在另一个Render线程使用OpenGL进行绘制，这个是它最重要的特点*。而mBatches中所有的DrawOp都会通过OpenGL被绘制到GraphicBuffer中，最后通过swapBuffers通知SurfaceFlinger合成。
总结
软件绘制同硬件合成的区别主要是在绘制上，内存分配、合成等整体流程是一样的，只不过硬件加速相比软件绘制算法更加合理，同时减轻了主线程的负担。
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