[学习记录]浅谈Android硬件加速

最近看了一些Android硬件加速的文章，因此做个记录与总结

众所周知，如果使用GPU进行图形绘制，就认为是硬件减速绘制；反之，则是软件绘制。

以平时开发举例，实现一个圆角矩形按钮通常有两种方案：使用PNG图片；使用代码(XML/java)实现。

简单对比下两种方案：

方案	原理	特点
使用PNG图片（BitmapDrawable)	解码PNG图片生成Bitmap，传到底层，由GPU渲染	图片解码消耗CPU运算资源，Bitmap占用内存大，绘制慢
使用代码实现（ShapeDrawable)	直接将Shape信息传到底层，由GPU渲染	消耗CPU资源少，占用内存少，绘制快

页面渲染背景知识

页面渲染时，被绘制的元素最终要转换成矩阵像素点（即多维数组形式，类似安卓中的Bitmap），才能被显示出来
页面由各种基本元素组成，例如圆形，圆角矩形，线段，文字，矢量图，Bitmap等
元素绘制时尤其是动画绘制的过程中，经常涉及插值、缩放、旋转、透明度变化，物理运动，多媒体文件解码等运算
绘制过程经常需要进行逻辑较简单、但数据量庞大的浮点运算。

CPU与GPU结构对比

CPU（Central Processing Unit 中央处理器）是计算机设备核心器件，用于执行程序代码

GPU (Graphics Processing Unit 图形处理器) 主要用于图形计算，通常说的"显卡"的核心部件就是GPU

下面是GPU和CPU的结构对比图。其中

黄色的为Control为控制器，用于协调控制整个CPU的运行，包括取出指令、控制其他模块的运行等
绿色的ALU（Arithmetic Logic Unit）是算术逻辑单元，用于进行数学、逻辑运算；
橙色的Cache和DRAM分别为缓存和RAM，用于存储信息

从结构图可以看出，CPU的控制器较为复杂，而ALU数量较少。因此CPU擅长各种复杂的逻辑运算，但不擅长数学尤其是浮点运算。

以8086为例，一百多条汇编指令大部分都是逻辑指令，数学计算相关的主要是16位加减乘除和移位运算，一次整型和逻辑运算一般需要1-3个机器周期，而浮点运算要转换成整数计算，一次运算可能消耗上百个机器周期。
更简单的CPU甚至只有加法指令，减法用补码加法实现，乘法用累加实现，除法用减法循环实现。
现代CPU一般都带有硬件浮点运算器(FPU)，但主要适用于数据量不大的情况。

CPU是串行结构，以计算100个数字为例，对于一个CPU的核，每次只能计算两个数的和，结果逐步累加。

和CPU不同的是，GPU就是为实现大量数学运算设计的。从结构图可以看到，GPU的控制器比较简单，但包含了大量ALU。GPU中的ALU使用了并行设计，且具有较多的浮点运算单元。

至此，我们可以说出硬件加速的主要原理，即通过底层软件代码，将CPU不擅长的图形计算转换成GPU专用指令，由GPU完成。

纯软件绘制VS硬件加速（android 6.0）

下面根据具体的几种场景，具体分析一下硬件加速后的流程与加速效果。

渲染场景	纯软件绘制	硬件加速	加速效果分析
场景1.页面初始化	绘制所有View	创建所有DisplayList	GPU分担了复杂计算任务
场景2.在一个复杂页面调用背景透明TextView的setText(),且调用后其尺寸位置不变	重回脏区内所有View	TextView以及每一集父View冲间DisplayList	重叠的兄弟节点不需CPU重绘，GPU会自行处理
场景3.TextView逐帧播放Alpha/Translation/Scale动画	每帧都要重绘脏区内所有View	除第一帧同场景2，之后每一帧只更新TextView对应的RenderNode的属性	刷新一帧性能极大提高，动画流畅度提高
场景4.修改TextView透明度	重回脏区内所有View	直接调用RenderNode.setAlpha()更新	加速前需全页面遍历，并重绘很多View；加速后只触发DecorView.updateDisplayListlfDirty，不再往下遍历，CPU执行时间可以忽略不计

场景1中，无论是否加速，遍历View树并都会走Draw路径。硬件加速后Draw路径不做实际绘制工作，只是构建DisplayList，复杂的绘制计算任务被GPU分担，已经有了较大的加速效果。

场景2中，TextView设置前后尺寸位置不变，不会触发重新绘制Layout。

场景3中，软件绘制每一帧都要做大量绘制工作，很容易导致动画卡顿。硬件加速后，动画过程直接走DisplayList路径更新DisplayList属性，动画流畅度能得到极大提高。

场景4中，两者性能差距更明显。简单修改透明度，软件绘制仍要做很多工作；硬件加速后一般直接更新RenderNode的属性，不需要除法invalidate，也不会遍历View树（除了少数View可能要对Alpha做特殊相应并在onSetAlpha()返回true。

总结

CPU更擅长复杂逻辑控制，而GPU得益于大量ALU和并行结构设计，更擅长数学运算。
页面由各种基础元素(DisplayList)构成，渲染时需进行大量浮点运算。
硬件加速条件下，CPU用于控制复杂绘制逻辑、构建或更新DisplayList，进一步提高渲染效率。
在能实现同样效果前提下，应尽量使用更简单的DisplayList，从而达到更好的性能(Shape代替Bitmap等)。