Android性能优化 | 帧动画OOM？优化帧动画之SurfaceView逐帧解析

这是 Android 性能优化系列文章的第一篇，文章列表如下：

1. Android性能优化 | 帧动画OOM？优化帧动画之 SurfaceView逐帧解析
2. Android性能优化 | 大图做帧动画卡顿？优化帧动画之 SurfaceView滑动窗口式帧复用
3. Android性能优化 | 把构建布局用时缩短 20 倍（上）
4. Android性能优化 | 把构建布局用时缩短 20 倍（下）

Android 提供了AnimationDrawable用于实现帧动画。在动画开始之前，所有帧的图片都被解析并占用内存，一旦动画较复杂帧数较多，在低配置手机上容易发生 OOM。即使不发生 OOM，也会对内存造成不小的压力。下面代码展示了一个帧数为4的帧动画：

原生帧动画

AnimationDrawable drawable = new AnimationDrawable();
drawable.addFrame(getDrawable(R.drawable.frame1), frameDuration);
drawable.addFrame(getDrawable(R.drawable.frame2), frameDuration);
drawable.addFrame(getDrawable(R.drawable.frame3), frameDuration);
drawable.addFrame(getDrawable(R.drawable.frame4), frameDuration);
drawable.setOneShot(true);

ImageView ivFrameAnim = ((ImageView) findViewById(R.id.frame_anim));
ivFrameAnim.setImageDrawable(drawable);
drawable.start();

有没有什么办法让帧动画的数据逐帧加载，而不是一次性全部加载到内存？SurfaceView就提供了这种能力。

SurfaceView

屏幕的显示机制和帧动画类似，也是一帧一帧的连环画，只不过刷新频率很高，感觉像连续的。为了显示一帧，需要经历计算和渲染两个过程，CPU 先计算出这一帧的图像数据并写入内存，然后调用 OpenGL 命令将内存中数据渲染成图像存放在 GPU Buffer 中，显示设备每隔一定时间从 Buffer 中获取图像并显示。

上述过程中的计算，对于View来说，就好比在主线程遍历 View树 以决定视图画多大（measure），画在哪（layout），画些啥（draw），计算结果存放在内存中，SurfaceFlinger 会调用 OpenGL 命令将内存中的数据渲染成图像存放在 GPU Buffer 中。每隔16.6ms，显示器从 Buffer 中取出帧并显示。所以自定义 View 可以通过重载onMeasure()、onLayout()、onDraw()来定义帧内容，但不能定义帧刷新频率。

SurfaceView可以突破这个限制。而且它可以将计算帧数据放到独立的线程中进行。下面是自定义SurfaceView的模版代码：

public abstract class BaseSurfaceView extends SurfaceView implements SurfaceHolder.Callback {
    public static final int DEFAULT_FRAME_DURATION_MILLISECOND = 50;
    //用于计算帧数据的线程
    private HandlerThread handlerThread;
    private Handler handler;
    //帧刷新频率
    private int frameDuration = DEFAULT_FRAME_DURATION_MILLISECOND;
    //用于绘制帧的画布
    private Canvas canvas;
    private boolean isAlive;

    public BaseSurfaceView(Context context) {
        super(context);
        init();
    }

    protected void init() {
        getHolder().addCallback(this);
        //设置透明背景，否则SurfaceView背景是黑的
        setBackgroundTransparent();
    }

    private void setBackgroundTransparent() {
        getHolder().setFormat(PixelFormat.TRANSLUCENT);
        setZOrderOnTop(true);
    }

    @Override
    public void surfaceCreated(SurfaceHolder holder) {
        isAlive = true;
        startDrawThread();
    }

    @Override
    public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width, int height) {
    }

    @Override
    public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) {
        stopDrawThread();
        isAlive = false;
    }

    //停止帧绘制线程
    private void stopDrawThread() {
        handlerThread.quit();
        handler = null;
    }

    //启动帧绘制线程
    private void startDrawThread() {
        handlerThread = new HandlerThread("SurfaceViewThread");
        handlerThread.start();
        handler = new Handler(handlerThread.getLooper());
        handler.post(new DrawRunnable());
    }

    private class DrawRunnable implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            if (!isAlive) {
                return;
            }
            try {
                //1.获取画布
                canvas = getHolder().lockCanvas();
                //2.绘制一帧
                onFrameDraw(canvas);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                //3.将帧数据提交
                getHolder().unlockCanvasAndPost(canvas);
                //4.一帧绘制结束
                onFrameDrawFinish();
            }
            //不停的将自己推送到绘制线程的消息队列以实现帧刷新
            handler.postDelayed(this, frameDuration);
        }
    }
    
    protected abstract void onFrameDrawFinish();

    protected abstract void onFrameDraw(Canvas canvas);
}

• 用HandlerThread作为独立帧绘制线程，好处是可以通过与其绑定的Handler方便地实现“每隔一段时间刷新”，而且在Surface被销毁的时候可以方便的调用HandlerThread.quit()来结束线程执行的逻辑。
• DrawRunnable.run()运用模版方法模式定义了绘制算法框架，其中帧绘制逻辑的具体实现被定义成两个抽象方法，推迟到子类中实现，因为绘制的东西是多样的，对于本文来说，绘制的就是一张张图片，所以新建BaseSurfaceView的子类FrameSurfaceView：

逐帧解析 & 及时回收

public class FrameSurfaceView extends BaseSurfaceView {
    public static final int INVALID_BITMAP_INDEX = Integer.MAX_VALUE;
    private List<Integer> bitmaps = new ArrayList<>();
    //帧图片
    private Bitmap frameBitmap;
    //帧索引
    private int bitmapIndex = INVALID_BITMAP_INDEX;
    private Paint paint = new Paint();
    private BitmapFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();
    //帧图片原始大小
    private Rect srcRect;
    //帧图片目标大小
    private Rect dstRect = new Rect();
    private int defaultWidth;
    private int defaultHeight;

    public void setDuration(int duration) {
        int frameDuration = duration / bitmaps.size();
        setFrameDuration(frameDuration);
    }

    public void setBitmaps(List<Integer> bitmaps) {
        if (bitmaps == null || bitmaps.size() == 0) {
            return;
        }
        this.bitmaps = bitmaps;
        //默认情况下，计算第一帧图片的原始大小
        getBitmapDimension(bitmaps.get(0));
    }
    
    private void getBitmapDimension(Integer integer) {
        final BitmapFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();
        options.inJustDecodeBounds = true;
        BitmapFactory.decodeResource(this.getResources(), integer, options);
        defaultWidth = options.outWidth;
        defaultHeight = options.outHeight;
        srcRect = new Rect(0, 0, defaultWidth, defaultHeight);
        requestLayout();
    }

    public FrameSurfaceView(Context context) {
        super(context);
    }
    
    @Override
    protected void onLayout(boolean changed, int left, int top, int right, int bottom) {
        super.onLayout(changed, left, top, right, bottom);
        dstRect.set(0, 0, getWidth(), getHeight());
    }

    @Override
    protected void onFrameDrawFinish() {
        //在一帧绘制完后，直接回收它
        recycleOneFrame();
    }

    //回收帧
    private void recycleOneFrame() {
        if (frameBitmap != null) {
            frameBitmap.recycle();
            frameBitmap = null;
        }
    }

    @Override
    protected void onFrameDraw(Canvas canvas) {
        //绘制一帧前需要先清画布，否则所有帧都叠在一起同时显示
        clearCanvas(canvas);
        if (!isStart()) {
            return;
        }
        if (!isFinish()) {
            drawOneFrame(canvas);
        } else {
            onFrameAnimationEnd();
        }
    }

    //绘制一帧，是张Bitmap
    private void drawOneFrame(Canvas canvas) {
        frameBitmap = BitmapUtil.decodeOriginBitmap(getResources(), bitmaps.get(bitmapIndex), options);
        canvas.drawBitmap(frameBitmap, srcRect, dstRect, paint);
        bitmapIndex++;
    }

    private void onFrameAnimationEnd() {
        reset();
    }

    private void reset() {
        bitmapIndex = INVALID_BITMAP_INDEX;
    }

    //帧动画是否结束
    private boolean isFinish() {
        return bitmapIndex >= bitmaps.size();
    }

    //帧动画是否开始
    private boolean isStart() {
        return bitmapIndex != INVALID_BITMAP_INDEX;
    }
    
    //开始播放帧动画
    public void start() {
        bitmapIndex = 0;
    }

    private void clearCanvas(Canvas canvas) {
        paint.setXfermode(new PorterDuffXfermode(PorterDuff.Mode.CLEAR));
        canvas.drawPaint(paint);
        paint.setXfermode(new PorterDuffXfermode(PorterDuff.Mode.SRC));
    }
}

• FrameSurfaceView继承自BaseSurfaceView，所以它复用了基类的绘制框架算法，并且定了自己每一帧的绘制内容：一张Bitmap。
• Bitmap资源 id 通过setBitmaps()传递进来， 绘制一帧解析一张 ，在每一帧绘制完毕后，调用Bitmap.recycle()释放图片 native 内存并去除 java 堆中图片像素数据的引用。这样当 GC 发生时，图片像素数据可以及时被回收。

一切都是这么地能够自圆其说，我迫不及待地运行代码并打开AndroidStudio的Profiler标签页，切换到MEMORY，想用真实内存数据验证下性能。但残酷的事实狠狠地打了下脸。。。多次播放帧动画后，内存占用居然比原生AnimationDrawable还大，而且每播放一次，内存中都会多出 N 个Bitmap对象（N为帧动画总帧数）。唯一令人欣慰的是，手动触发 GC 后帧动画图片能够被回收。（AnimationDrawable中的图片数据不会被 GC）

原因就在于自作聪明地及时回收，每一帧绘制完后帧数据被回收，那下一帧解析Bitmap时只能新申请一块内存。帧动画每张图片大小是一致的，是不是能复用上一帧Bitmap的内存空间？于是乎有了下面这个版本的FrameSurfaceView：

逐帧解析 & 帧复用

public class FrameSurfaceView extends BaseSurfaceView {
    public static final int INVALID_BITMAP_INDEX = Integer.MAX_VALUE;
    private List<Integer> bitmaps = new ArrayList<>();
    private Bitmap frameBitmap;
    private int bitmapIndex = INVALID_BITMAP_INDEX;
    private Paint paint = new Paint();
    private BitmapFactory.Options options;
    private Rect srcRect;
    private Rect dstRect = new Rect();

    public void setDuration(int duration) {
        int frameDuration = duration / bitmaps.size();
        setFrameDuration(frameDuration);
    }

    public void setBitmaps(List<Integer> bitmaps) {
        if (bitmaps == null || bitmaps.size() == 0) {
            return;
        }
        this.bitmaps = bitmaps;
        getBitmapDimension(bitmaps.get(0));
    }

    private void getBitmapDimension(Integer integer) {
        final BitmapFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();
        options.inJustDecodeBounds = true;
        BitmapFactory.decodeResource(this.getResources(), integer, options);
        defaultWidth = options.outWidth;
        defaultHeight = options.outHeight;
        srcRect = new Rect(0, 0, defaultWidth, defaultHeight);;
    }

    public FrameSurfaceView(Context context) {
        super(context);
    }

    @Override
    protected void init() {
        super.init();
        //定义解析Bitmap参数为可变类型，这样才能复用Bitmap
        options = new BitmapFactory.Options();
        options.inMutable = true;
    }

    @Override
    protected void onLayout(boolean changed, int left, int top, int right, int bottom) {
        super.onLayout(changed, left, top, right, bottom);
        dstRect.set(0, 0, getWidth(), getHeight());
    }

    @Override
    protected int getDefaultWidth() {
        return defaultWidth;
    }

    @Override
    protected int getDefaultHeight() {
        return defaultHeight;
    }

    @Override
    protected void onFrameDrawFinish() {
        //每帧绘制完毕后不再回收
//        recycle();
    }

    public void recycle() {
        if (frameBitmap != null) {
            frameBitmap.recycle();
            frameBitmap = null;
        }
    }

    @Override
    protected void onFrameDraw(Canvas canvas) {
        clearCanvas(canvas);
        if (!isStart()) {
            return;
        }
        if (!isFinish()) {
            drawOneFrame(canvas);
        } else {
            onFrameAnimationEnd();
        }
    }

    private void drawOneFrame(Canvas canvas) {
        frameBitmap = BitmapUtil.decodeOriginBitmap(getResources(), bitmaps.get(bitmapIndex), options);
        //复用上一帧Bitmap的内存
        options.inBitmap = frameBitmap;
        canvas.drawBitmap(frameBitmap, srcRect, dstRect, paint);
        bitmapIndex++;
    }

    private void onFrameAnimationEnd() {
        reset();
    }

    private void reset() {
        bitmapIndex = INVALID_BITMAP_INDEX;
    }

    private boolean isFinish() {
        return bitmapIndex >= bitmaps.size();
    }

    private boolean isStart() {
        return bitmapIndex != INVALID_BITMAP_INDEX;
    }

    public void start() {
        bitmapIndex = 0;
    }

    private void clearCanvas(Canvas canvas) {
        paint.setXfermode(new PorterDuffXfermode(PorterDuff.Mode.CLEAR));
        canvas.drawPaint(paint);
        paint.setXfermode(new PorterDuffXfermode(PorterDuff.Mode.SRC));
    }
}

• 将Bitmap的解析参数inBitmap设置为已经成功解析的Bitmap对象以实现复用。

这一次不管重新播放多少次帧动画，内存中Bitmap数量只会增加1，因为只在解析第一张图片时分配了内存。而这块内存可以在FrameSurfaceView生命周期结束时手动调用recycle()回收。

talk is cheap, show me the code

为了更清晰的展示，上述代码段省略了一些和主题无关的自定义 View 细节，完整的代码可以点击这里。

后续

虽然把复杂的绘制放到了异步线程执行，但当帧动画图片大的时候，慢速的解析会拖累快速的绘制，下一篇会用一个新的机制解决慢解析快绘制之间的矛盾。