Android P 图像显示系统（三）Android HWUI 绘制流程

最新推荐文章于 2025-03-11 15:10:28 发布

夕月风

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分类专栏： Display Graphics 文章标签： Android P 硬件加速 HWUI Android渲染 OpenGL

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/chaojiangluo/article/details/83009014

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本文详细探讨了Android P中的硬件加速机制，解释了如何通过HWUI将2D绘图转化为3D绘图并利用GPU进行渲染。文章分析了从Java层到native层的绘制流程，包括Draw操纵的录制、RenderNode的创建、HwuiContext与HwuiRenderer的角色，以及RenderThread的工作原理。此外，还介绍了CanvasContext、DisplayListCanvas和DisplayList在其中的作用，以及如何通过OpenGL进行最终的绘制操作。文章通过一个硬件绘制实例展示了这一过程，帮助读者深入理解Android的硬件加速机制。

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Android中，绘图的API很多，比如2D的绘图skia；3D的绘图OpenGLES，Vulkan等。Android 开始，的View系统中，多数都是采用2D的模式的View Widget，比如绘制一张Bitmap图片，显示一个按钮等。随着Android系统的更新，和用户对视觉效果的追求，以前的这套2D View系统，不仅不能满足要求，而且渲染非常的慢。所以Android一方面完善对3D的API的支持，另一方面修改原来View Widget的渲染机制。

渲染机制的更新，Android提出了硬件加速的机制，其作用就是将2D的绘图操纵，转换为对应的3D的绘图操纵，这个转换的过程，我们把它叫做录制。需要显示的时候，再用OpenGLES通过GPU去渲染。界面创建时，第一次全部录制，后续的过程中，界面如果只有部分区域的widget更新，只需要重新录制更新的widget。录制好的绘图操纵，保存在一个显示列表DisplayList中，需要真正显示到界面的时候，直接显示DisplayList中的绘图操纵。这样，一方面利用GPU去渲染，比Skia要快；另一方面，采用DisplayList，值重新录制，有更新区域，最大程度利用上一帧的数据，效率自然就快很多。这就是硬件加速的来源。
roundRectClipState
语言苍白，实践为先，我们结合测试示例，来看看硬件加速是怎么回事～

应用使用硬件（GPU）绘制实例

这个是Android原生的测试硬件绘制的应用：

* frameworks/base/tests/HwAccelerationTest/src/com/android/test/hwui/HardwareCanvasSurfaceViewActivity.java

    private static class RenderingThread extends Thread {
        private final SurfaceHolder mSurface;
        private volatile boolean mRunning = true;
        private int mWidth, mHeight;

        public RenderingThread(SurfaceHolder surface) {
            mSurface = surface;
        }

        void setSize(int width, int height) {
            mWidth = width;
            mHeight = height;
        }

        @Override
        public void run() {
            float x = 0.0f;
            float y = 0.0f;
            float speedX = 5.0f;
            float speedY = 3.0f;

            Paint paint = new Paint();
            paint.setColor(0xff00ff00);

            while (mRunning && !Thread.interrupted()) {
                final Canvas canvas = mSurface.lockHardwareCanvas();
                try {
                    canvas.drawColor(0x00000000, PorterDuff.Mode.CLEAR);
                    canvas.drawRect(x, y, x + 20.0f, y + 20.0f, paint);
                } finally {
                    mSurface.unlockCanvasAndPost(canvas);
                }

                ... ...

                try {
                    Thread.sleep(15);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // Interrupted
                }
            }
        }

        void stopRendering() {
            interrupt();
            mRunning = false;
        }
    }

应用这里拿到一个Surface，然后lock一个HardwareCanvas，用lock的HardwareCanvas进行绘制，我们绘制的就可以使用硬件GPU进行绘制。这里每隔15秒循环一次，绘制一个小方块，在屏幕上不停的运动。而背景，被绘制成0x00000000，黑色。

硬件绘制Java层相关流程

通过前面的代码，关键的是在lockHardwareCanvas。

lockHardwareCanvas的代码如下：

* frameworks/base/core/java/android/view/SurfaceView.java

        @Override
        public Canvas lockHardwareCanvas() {
            return internalLockCanvas(null, true);
        }

        private Canvas internalLockCanvas(Rect dirty, boolean hardware) {
            mSurfaceLock.lock();

            if (DEBUG) Log.i(TAG, System.identityHashCode(this) + " " + "Locking canvas... stopped="
                    + mDrawingStopped + ", surfaceControl=" + mSurfaceControl);

            Canvas c = null;
            if (!mDrawingStopped && mSurfaceControl != null) {
                try {
                    if (hardware) {
                        c = mSurface.lockHardwareCanvas();
                    } else {
                        c = mSurface.lockCanvas(dirty);
                    }
                } catch (Exception e) {
                    Log.e(LOG_TAG, "Exception locking surface", e);
                }
            }

            if (DEBUG) Log.i(TAG, System.identityHashCode(this) + " " + "Returned canvas: " + c);
            if (c != null) {
                mLastLockTime = SystemClock.uptimeMillis();
                return c;
            }

            ... ...

            return null;
        }

这里Canvas是通过mSurface来申请的。

* frameworks/base/core/java/android/view/Surface.java

    public Canvas lockHardwareCanvas() {
        synchronized (mLock) {
            checkNotReleasedLocked();
            if (mHwuiContext == null) {
                mHwuiContext = new HwuiContext();
            }
            return mHwuiContext.lockCanvas(
                    nativeGetWidth(mNativeObject),
                    nativeGetHeight(mNativeObject));
        }
    }

Surface中封装了一个 HwuiContext ，其构造函数如下：

        HwuiContext() {
            mRenderNode = RenderNode.create("HwuiCanvas", null);
            mRenderNode.setClipToBounds(false);
            mHwuiRenderer = nHwuiCreate(mRenderNode.mNativeRenderNode, mNativeObject);
        }

在HwuiContext的构造函数中，创建了一个RenderNode，创建了一个HwuiRenderer。nHwuiCreate创建一个native的HwuiRender。

这里的HwuiContext，就是和HWUI打交道了。

HwuiContext的lockCanvas实现如下：

        Canvas lockCanvas(int width, int height) {
            if (mCanvas != null) {
                throw new IllegalStateException("Surface was already locked!");
            }
            mCanvas = mRenderNode.start(width, height);
            return mCanvas;
        }

RenderNode的start函数：

    public DisplayListCanvas start(int width, int height) {
        return DisplayListCanvas.obtain(this, width, height);
    }

    static DisplayListCanvas obtain(@NonNull RenderNode node, int width, int height) {
        if (node == null) throw new IllegalArgumentException("node cannot be null");
        DisplayListCanvas canvas = sPool.acquire();
        if (canvas == null) {
            canvas = new DisplayListCanvas(node, width, height);
        } else {
            nResetDisplayListCanvas(canvas.mNativeCanvasWrapper, node.mNativeRenderNode,
                    width, height);
        }
        canvas.mNode = node;
        canvas.mWidth = width;
        canvas.mHeight = height;
        return canvas;
    }

RenderNode，start时，将创建一个DisplayListCanvas。DisplayListCanvas是显示列表的Canvas。DisplayListCanvas 构建时，将通过nCreateDisplayListCanvas创建一个native的DisplayListCanvas。

    private DisplayListCanvas(@NonNull RenderNode node, int width, int height) {
        super(nCreateDisplayListCanvas(node.mNativeRenderNode, width, height));
        mDensity = 0; // disable bitmap density scaling
    }

DisplayListCanvas和RecordingCanvas的构造函数都比较简单，但是留意一下Canvas的构造函数：

    public Canvas(long nativeCanvas) {
        if (nativeCanvas == 0) {
            throw new IllegalStateException();
        }
        mNativeCanvasWrapper = nativeCanvas;
        mFinalizer = NoImagePreloadHolder.sRegistry.registerNativeAllocation(
                this, mNativeCanvasWrapper);
        mDensity = Bitmap.getDefaultDensity();
    }

这里的mNativeCanvasWrapper，就是nCreateDisplayListCanvas时，创建的native对应的Canvas。后续，JNI中都是通过mNativeCanvasWrapper去找到对应的nativ的Canvas的。

我们先来看这些相关的类之间的关系～
Hwui Context相关类图

其中，RenderNode，DisplayListCanvas，HwuiRenderer构成了硬件绘制的重要元素。

再回到我们的测试代码，我们这里有两个绘制操纵：

drawColor
drawRect

drawColor是在DisplayListCanvas的父类RecordingCanvas中实现的：

    public final void drawColor(@ColorInt int color, @NonNull PorterDuff.Mode mode) {
        nDrawColor(mNativeCanvasWrapper, color, mode.nativeInt);
    }

这里调用native的nDrawColor方法。

drawRect也是在DisplayListCanvas的父类RecordingCanvas中实现的：

    @Override
    public final void drawRect(float left, float top, float right, float bottom,
            @NonNull Paint paint) {
        nDrawRect(mNativeCanvasWrapper, left, top, right, bottom, paint.getNativeInstance());
    }

调用native的nDrawRect方法。

native处理流程

###native的Canvas创建

DisplayListCanvas的JNI实现如下：

* frameworks/base/core/jni/android_view_DisplayListCanvas.cpp

const char* const kClassPathName = "android/view/DisplayListCanvas";

static JNINativeMethod gMethods[] = {

    // ------------ @FastNative ------------------

    { "nCallDrawGLFunction", "(JJLjava/lang/Runnable;)V",
            (void*) android_view_DisplayListCanvas_callDrawGLFunction },

    // ------------ @CriticalNative --------------
    { "nCreateDisplayListCanvas", "(JII)J",     (void*) android_view_DisplayListCanvas_createDisplayListCanvas },
    { "nResetDisplayListCanvas",  "(JJII)V",    (void*) android_view_DisplayListCanvas_resetDisplayListCanvas },
    { "nGetMaximumTextureWidth",  "()I",        (void*) android_view_DisplayListCanvas_getMaxTextureWidth },
    { "nGetMaximumTextureHeight", "()I",        (void*) android_view_DisplayListCanvas_getMaxTextureHeight },
    { "nInsertReorderBarrier",    "(JZ)V",      (void*) android_view_DisplayListCanvas_insertReorderBarrier },
    { "nFinishRecording",         "(J)J",       (void*) android_view_DisplayListCanvas_finishRecording },
    { "nDrawRenderNode",          "(JJ)V",      (void*) android_view_DisplayListCanvas_drawRenderNode },
    { "nDrawLayer",               "(JJ)V",      (void*) android_view_DisplayListCanvas_drawLayer },
    { "nDrawCircle",              "(JJJJJ)V",   (void*) android_view_DisplayListCanvas_drawCircleProps },
    { "nDrawRoundRect",           "(JJJJJJJJ)V",(void*) android_view_DisplayListCanvas_drawRoundRectProps },
};

nCreateDisplayListCanvas对应的实现为android_view_DisplayListCanvas_createDisplayListCanvas。

static jlong android_view_DisplayListCanvas_createDisplayListCanvas(jlong renderNodePtr,
        jint width, jint height) {
    RenderNode* renderNode = reinterpret_cast<RenderNode*>(renderNodePtr);
    return reinterpret_cast<jlong>(Canvas::create_recording_canvas(width, height, renderNode));
}

注意我们这里的renderNodePtr。这个是RenderNode在native层的对象（地址）。

Canvas的create_recording_canvas函数如下：

Canvas* Canvas::create_recording_canvas(int width, int height, uirenderer::RenderNode* renderNode) {
    if (uirenderer::Properties::isSkiaEnabled()) {
        return new uirenderer::skiapipeline::SkiaRecordingCanvas(renderNode, width, height);
    }
    return new uirenderer::RecordingCanvas(width, height);
}

isSkiaEnabled没有被enable的，所以创建的是native的RecordingCanvas。Android 8.0开始，对HWUI进行了重构，增加了RenderPipeline的概念。目前有三种类型的pipeline，分别对应不同的渲染。

enum class RenderPipelineType {
	OpenGL = 0,
	SkiaGL,
	SkiaVulkan,
	NotInitialized = 128
};

默认还是OpenGL类型。

native的RecordingCanvas如下：

* frameworks/base/libs/hwui/RecordingCanvas.cpp

RecordingCanvas::RecordingCanvas(size_t width, size_t height)
        : mState(*this), mResourceCache(ResourceCache::getInstance()) {
    resetRecording(width, height);
}

RecordingCanvas创建时，创建了对应的CanvasState，和ResourceCache。CanvasState是Canvas的状态，管理Snapshot的栈，实现matrix，save/restore，clipping等Renderer的接口。ResourceCache主要是做资源cache，cache为点九类型。

在resetRecording函数中，又做了很多初始化。

void RecordingCanvas::resetRecording(int width, int height, RenderNode* node) {
    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mDisplayList, "prepareDirty called a second time during a recording!");
    mDisplayList = new DisplayList();

    mState.initializeRecordingSaveStack(width, height);

    mDeferredBarrierType = DeferredBarrierType::InOrder;
}

创建了显示列表mDisplayList，这个很重要，稍后我们再介绍。它主要用来保存显示列表的绘制命令。
初始化CanvasState

到此，native的Canvas创建完成。

Draw操纵的录制

测试代码中，一共两个绘制操纵，我们以这两个绘制操纵为例，来说明绘制的操纵的录制。
nDrawColor nDrawRect

* frameworks/base/core/jni/android_graphics_Canvas.cpp

static const JNINativeMethod gDrawMethods[] = {
    {"nDrawColor","(JII)V", (void*) CanvasJNI::drawColor},
    {"nDrawPaint","(JJ)V", (void*) CanvasJNI::drawPaint},
    {"nDrawPoint", "(JFFJ)V", (void*) CanvasJNI::drawPoint},
    {"nDrawPoints", "(J[FIIJ)V", (void*) CanvasJNI::drawPoints},
    {"nDrawLine", "(JFFFFJ)V", (void*) CanvasJNI::drawLine},
    {"nDrawLines", "(J[FIIJ)V", (void*) CanvasJNI::drawLines},
    {"nDrawRect","(JFFFFJ)V", (void*) CanvasJNI::drawRect},

drawColor函数