硬件加速这个词每当被提及,很多人都会感兴趣。这个词给大部分人的概念大致有两个:快速、不稳定。对很多人来说,硬件加速似乎是一个只可远观而不可亵玩的高端科技:是,我听说它很牛逼,但我不敢「乱」用,因为我怕 hold 不住。

今天我试着就把硬件加速的外衣脱掉(并没有),聊一聊它的原理和应用:

  1. 硬件加速的本质和原理;
  2. 硬件加速在 Android 中的应用;
  3. 硬件加速在 Android 中的限制。

本篇是 「HenCoder Android 开发进阶」自定义 View 部分的最后一篇:硬件加速。

如果你没听说过 HenCoder,也可以看看这个:
HenCoder:给高级 Android 工程师的进阶手册

概念

在正式开始之前需要说明一下,作为绘制部分的最后一期,本期内容只是为了内容的完整性做一个补充,因为之前好几期的内容里都有涉及硬件加速的技术点,而一些读者因为不了解硬件加速而产生了一些疑问。所以仅仅从难度上来讲,这期的内容并不难,并且本期的大部分内容你都可以从这两个页面中找到:

  1. Hardware Acceleration | Android Developers
  2. Google I/O 2011: Accelerated Android Rendering

下面进入正题。

所谓硬件加速,指的是把某些计算工作交给专门的硬件来做,而不是和普通的计算工作一样交给 CPU 来处理。这样不仅减轻了 CPU 的压力,而且由于有了「专人」的处理,这份计算工作的速度也被加快了。这就是「硬件加速」。

而对于 Android 来说,硬件加速有它专属的意思:在 Android 里,硬件加速专指把 View 中绘制的计算工作交给 GPU 来处理。进一步地再明确一下,这个「绘制的计算工作」指的就是把绘制方法中的那些 Canvas.drawXXX() 变成实际的像素这件事。

原理

在硬件加速关闭的时候,Canvas 绘制的工作方式是:把要绘制的内容写进一个 Bitmap,然后在之后的渲染过程中,这个 Bitmap 的像素内容被直接用于渲染到屏幕。这种绘制方式的主要计算工作在于把绘制操作转换为像素的过程(例如由一句 Canvas.drawCircle() 来获得一个具体的圆的像素信息),这个过程的计算是由 CPU 来完成的。大致就像这样:

而在硬件加速开启时,Canvas 的工作方式改变了:它只是把绘制的内容转换为 GPU 的操作保存了下来,然后就把它交给 GPU,最终由 GPU 来完成实际的显示工作。大致是这样:

如图,在硬件加速开启时,CPU 做的事只是把绘制工作转换成 GPU 的操作,这个工作量相对来说是非常小的。

怎么就「加速」了?

从上面的图中可以看出,硬件加速开启后,绘制的计算工作由 CPU 转交给了 GPU。不过这怎么就能起到「加速」作用,让绘制变快了呢?

硬件加速能够让绘制变快,主要有三个原因:

  1. 本来由 CPU 自己来做的事,分摊给了 GPU 一部分,自然可以提高效率;
  2. 相对于 CPU 来说,GPU 自身的设计本来就对于很多常见类型内容的计算(例如简单的圆形、简单的方形)具有优势;
  3. 由于绘制流程的不同,硬件加速在界面内容发生重绘的时候绘制流程可以得到优化,避免了一些重复操作,从而大幅提升绘制效率。

其中前两点可以总结为一句:用了 GPU,绘制就是快。原因很直观,不再多说。

关于第三点,它的原理我大致说一下:

前面说到,在硬件加速关闭时,绘制内容会被 CPU 转换成实际的像素,然后直接渲染到屏幕。具体来说,这个「实际的像素」,它是由 Bitmap 来承载的。在界面中的某个 View 由于内容发生改变而调用 invalidate() 方法时,如果没有开启硬件加速,那么为了正确计算 Bitmap 的像素,这个 View 的父 View、父 View 的父 View 乃至一直向上直到最顶级 View,以及所有和它相交的兄弟 View,都需要被调用 invalidate()来重绘。一个 View 的改变使得大半个界面甚至整个界面都重绘一遍,这个工作量是非常大的。

而在硬件加速开启时,前面说过,绘制的内容会被转换成 GPU 的操作保存下来(承载的形式称为 display list,对应的类也叫做 DisplayList),再转交给 GPU。由于所有的绘制内容都没有变成最终的像素,所以它们之间是相互独立的,那么在界面内容发生改变的时候,只要把发生了改变的 View 调用 invalidate() 方法以更新它所对应的 GPU 操作就好,至于它的父 View 和兄弟 View,只需要保持原样。那么这个工作量就很小了。

正是由于上面的原因,硬件加速不仅是由于 GPU 的引入而提高了绘制效率,还由于绘制机制的改变,而极大地提高了界面内容改变时的刷新效率。

所以把上面的三条压缩总结一下,硬件加速更快的原因有两条:

  1. 用了 GPU,绘制变快了;
  2. 绘制机制的改变,导致界面内容改变时的刷新效率极大提高。

限制

如果仅仅是这样,硬件加速只有好处没有缺陷,那大家都不必关心硬件加速了,这篇文章也不会出现:既然是好东西就用呗,关心那么多原理干吗?

可事实就是,硬件加速不只是好处,也有它的限制:受到 GPU 绘制方式的限制,Canvas 的有些方法在硬件加速开启式会失效或无法正常工作。比如,在硬件加速开启时, clipPath() 在 API 18 及以上的系统中才有效。具体的 API 限制和 API 版本的关系如下图:

所以,如果你的自定义控件中有自定义绘制的内容,最好参照一下这份表格,确保你的绘制操作可以正确地在所有用户的手机里能够正常显示,而不是只在你的运行了最新版本 Android 系统的 Nexus 或 Pixel 里测试一遍没问题就发布了。小心被祭天。

不过有一点可以放心的是,所有的原生自带控件,都没有用到 API 版本不兼容的绘制操作,可以放心使用。所以你只要检查你写的自定义绘制就好。

View Layer

在之前几期的内容里我提到过几次,如果你的绘制操作不支持硬件加速,你需要手动关闭硬件加速来绘制界面,关闭的方式是通过这行代码:

view.setLayerType(LAYER_TYPE_SOFTWARE, null);  

有不少人都有过疑问:什么是 layer type?如果这个方法是硬件加速的开关,那么它的参数为什么不是一个 LAYER_TYPE_SOFTWARE 来关闭硬件加速以及一个 LAYER_TYPE_HARDWARE 来打开硬件加速这么两个参数,而是三个参数,在 SOFTWAREHARDWARE 之外还有一个 LAYER_TYPE_NONE?难道还能既不用软件绘制,也不用硬件绘制吗?

事实上,这个方法的本来作用并不是用来开关硬件加速的,只是当它的参数为 LAYER_TYPE_SOFTWARE 的时候,可以「顺便」把硬件加速关掉而已;并且除了这个方法之外,Android 并没有提供专门的 View 级别的硬件加速开关,所以它就「顺便」成了一个开关硬件加速的方法。

setLayerType() 这个方法,它的作用其实就是名字里的意思:设置 View Layer 的类型。所谓 View Layer,又称为离屏缓冲(Off-screen Buffer),它的作用是单独启用一块地方来绘制这个 View ,而不是使用软件绘制的 Bitmap 或者通过硬件加速的 GPU。这块「地方」可能是一块单独的 Bitmap,也可能是一块 OpenGL 的纹理(texture,OpenGL 的纹理可以简单理解为图像的意思),具体取决于硬件加速是否开启。采用什么来绘制 View 不是关键,关键在于当设置了 View Layer 的时候,它的绘制会被缓存下来,而且缓存的是最终的绘制结果,而不是像硬件加速那样只是把 GPU 的操作保存下来再交给 GPU 去计算。通过这样更进一步的缓存方式,View 的重绘效率进一步提高了:只要绘制的内容没有变,那么不论是 CPU 绘制还是 GPU 绘制,它们都不用重新计算,而只要只用之前缓存的绘制结果就可以了。

多说一句,其实这个离屏缓冲(Off-screen Buffer),更准确的说应该叫做离屏缓存(Off-screen Cache)会更合适一点。原因在上面这一段里已经说过了,因为它其实是缓存而不是缓冲。(这段话仅代表个人意见)

基于这样的原理,在进行移动、旋转等(无需调用 invalidate())的属性动画的时候开启 Hardware Layer 将会极大地提升动画的效率,因为在动画过程中 View 本身并没有发生改变,只是它的位置或角度改变了,而这种改变是可以由 GPU 通过简单计算就完成的,并不需要重绘整个 View。所以在这种动画的过程中开启 Hardware Layer,可以让本来就依靠硬件加速而变流畅了的动画变得更加流畅。实现方式大概是这样:

view.setLayerType(LAYER_TYPE_HARDWARE, null);  
ObjectAnimator animator = ObjectAnimator.ofFloat(view, "rotationY", 180);

animator.addListener(new AnimatorListenerAdapter() {  
    @Override
    public void onAnimationEnd(Animator animation) {
        view.setLayerType(LAYER_TYPE_NONE, null);
    }
});

animator.start();  

或者如果是使用 ViewPropertyAnimator,那么更简单:

view.animate()  
        .rotationY(90)
        .withLayer(); // withLayer() 可以自动完成上面这段代码的复杂操作

不过一定要注意,只有你在对 translationX translationY rotation alpha 等无需调用 invalidate() 的属性做动画的时候,这种方法才适用,因为这种方法本身利用的就是当界面不发生时,缓存未更新所带来的时间的节省。所以简单地说——

这种方式不适用于基于自定义属性绘制的动画。一定记得这句话。

另外,除了用于关闭硬件加速和辅助属性动画这两项功能外,Layer 还可以用于给 View 增加一些绘制效果,例如设置一个 ColorMatrixColorFilter 来让 View 变成黑白的:

ColorMatrix colorMatrix = new ColorMatrix();  
colorMatrix.setSaturation(0);

Paint paint = new Paint();  
paint.setColorFilter(new ColorMatrixColorFilter(colorMatrix));

view.setLayerType(LAYER_TYPE_HARDWARE, paint);  

另外,由于设置了 View Layer 后,View 在初次绘制时以及每次 invalidate() 后重绘时,需要进行两次的绘制工作(一次绘制到 Layer,一次从 Layer 绘制到显示屏),所以其实它的每次绘制的效率是被降低了的。所以一定要慎重使用 View Layer,在需要用到它的时候再去使用。

总结

本期内容就到这里,就像开头处我说的,本期只是作为一个完整性的补充,并没有太多重要或高难度的东西,我也没有准备视频或太多的截图或动图来做说明。惯例总结一下:

硬件加速指的是使用 GPU 来完成绘制的计算工作,代替 CPU。它从工作分摊和绘制机制优化这两个角度提升了绘制的速度。

硬件加速可以使用 setLayerType() 来关闭硬件加速,但这个方法其实是用来设置 View Layer 的:

  1. 参数为 LAYER_TYPE_SOFTWARE 时,使用软件来绘制 View Layer,绘制到一个 Bitmap,并顺便关闭硬件加速;
  2. 参数为 LAYER_TYPE_HARDWARE 时,使用 GPU 来绘制 View Layer,绘制到一个 OpenGL texture(如果硬件加速关闭,那么行为和 VIEW_TYPE_SOFTWARE 一致);
  3. 参数为 LAYER_TYPE_NONE 时,关闭 View Layer。

View Layer 可以加速无 invalidate() 时的刷新效率,但对于需要调用 invalidate() 的刷新无法加速。

View Layer 绘制所消耗的实际时间是比不使用 View Layer 时要高的,所以要慎重使用。