Android自定义View(八) – 硬件加速

前面学习的内容:
Android自定义View(一) – 初识
 Android自定义View(二) – Paint详解
 Android自定义View(三) – drawText()
Android自定义View(四) – Canvas
Android自定义View(五) – 绘制顺序
 Android自定义View(六) – 属性动画(上)
Android自定义View(七) – 属性动画(下)

今天学习自定义View部分的最有一篇：硬件加速因为无法录制GIF，所以本篇内容基本为原博

本文计划根据HenCoder系列文章进行学习，所以代码风格及博文素材可能会摘自其中

硬件加速经常被提及，很多人感兴趣，这个词给人的概念大概有两种：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科技：是，听说很牛逼，但是不敢乱用，甚至不知道什么时候使用

今天就试着把硬件加速的原理和应用，好好了解一下：

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正宗的限制。

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：

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：

而开启硬件加速后，Canvas的工作方式改变了：它把绘制的内容转为GPU的操作保存下来，然后交给GPU来完成显示工作。大致过程：

如图，硬件加速开启时，CPU的工作是把绘制工作转换为GPU的操作，这个工作量相对来说还是非常小的。

怎么「加速」了

从上图可以看出，开启硬件加速后，绘制的计算工作有CPU交给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：

本来CPU的工作，分摊一部分给GPU，自然可以提高效率；
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、方形)具有优势；
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话：用了GPU，绘制就是快，原因很直观，不再多说。

关于第三点，它的原理大致说一下：

前面说到，关闭硬件加速时，绘制内容会被CPU转为实际的像素，然后直接渲染到屏幕，具体来说，这个[实际的像素]，是由bitmap承载的，在界面的某个View由于内容发生改变而调用invalidat()方法时，如果没有开启硬件加速，为了正确计算bitmap的像素，这个View的父View、父View的父View乃至一直向上知道最顶级的View，以及所有和它相交的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重绘一遍，这个工作量是非常大的。

而在开启硬件加速时，前面说过，绘制的内容会被转换成GPU的操作保存下来(承载的形式成为displaylist,对应的类也叫作DisplayList)，再转交给GPU。由于所有绘制的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时，只需把发生了改变的View调用invalidate()方法以更新它所对应的GPU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的引入提高效率，而且因为绘制机制的改变，而极大的提高了界面内容改变时的刷新效率

所以把上面三条压缩总结一下，硬件加速更快的原因有两条：

用了GPU，绘制更快了
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坏处，那大家不必要关心其他问题，直接使用就行了，那这篇文章也没有必要了，既然是好东西，关心那么多原理干嘛？

可事实就是，硬件加速不止有好处，也有限制：收到GPU绘制方式的限制，Canvas的有些方法在硬件加速开启时会失效或者无法正常工作，比如：开启硬件加速，clipPath()在 API 18及以上系统中才有效，具体的 API 限制和 API 版本的关系如下图：

所以，如果你对自定义控件有自定义绘制的内容，最好参照一下表格，确保你的绘制操作可以正确地在所有用户手机中正常显示，而不是只在你最新Android系统的 Nexus 或 Pixel 里测试一遍没问题就发布。那就小心被祭天了。

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);

很多人有过疑问：什么是layer type？如果这个方法是关闭硬件加速的开关，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来开启硬件加速，这两个参数，而是三个参数，第三个参数为LAYER_TYPE_NONE，难道还能既不用软件绘制又不用硬件绘制吗？

事实上，view.setLayerType(LAYER_TYPE_SOFTWARE, null)这个方法的作用并不是关闭硬件加速，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，它的作用其实就是字面的意思：设置View Layer的类型。所谓ViewLayer，又称为离屏缓冲（off-screen Buffer），它的作用就是单独启用一块地方来绘制这个View，而不是使用绘制软件的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。采取什么来绘制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:只要绘制的内容没变，那么不论是CPU绘制还是GPU绘制，都不用重新计算，只要用之前缓存的结果就可以了。

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ViewLayer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

本期内容就是这些，就像文章开始说的，本期知识是作为一个完整的补充，并么有太多重要或者高难度的东西，我也没有准备视频或者太多的截图或者GIF 去说明，总结一下：

硬件加速指使用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两个角度提升了绘制速度。

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：

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；
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LAYER_TYPE_SOFTWARE一致)；
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。