Android HWUI

Android HWUI（Hardware Accelerated Rendering Engine for UI）是Android系统中用于处理UI渲染的硬件加速引擎。它的主要作用是利用GPU（图形处理单元）来加速UI的渲染过程，从而提高渲染效率和流畅度。以下是Android HWUI工作的主要方式和步骤：

一、基本工作原理

传统软件的UI绘制是依靠CPU来完成的，硬件加速就是将绘制任务交由GPU来执行。

HWUI基于GPU加速，通过Skia Backend与GPU进行交互，将UI绘制任务从CPU转移到GPU上执行。这种方式可以显著提高绘制性能，特别是在高分辨率屏幕和复杂UI场景下。

• GPU相比CPU更加适合完成光栅化、动画变换等耗时任务，在移动设备上比起使用CPU来完成这些任务，GPU会更加省电，带来的用户体验也会更佳。
• 现代移动GPU支持可编程管线，可以高效地开发应用界面的一些特效（吸入、渐变、模糊、阴影）

Skia Backend有两种：SkiaGl和SkiaVk，分别对应后端OpenGLES和Vulkan

二、核心组件

1. Skia图形库：
   • Skia是HWUI的核心图形库，提供了基础的绘制功能，如图形、文本、位图等。
   • 它支持硬件加速渲染，能够充分利用GPU进行并发计算，加快UI界面的渲染速度。
   • 代码示例

     // 创建画布
     Canvas canvas = new Canvas(bitmap);
     // 绘制矩形
     Paint paint = new Paint();
     final int color = Color.BLUE;
     paint.setColor(color);
     RectF rect = new RectF(0, 0, bitmap.getWidth(), bitmap.getHeight());
     canvas.drawRoundRect(rect, 32, 32, paint);

2. OpenGL ES/Vulkan：
   • OpenGL ES/Vulkan是HWUI与GPU之间的桥梁，负责将Skia生成的绘制命令转化为GPU能够执行的指令序列。
   • OpenGL ES 3.0是HWUI的默认版本，具有更好的功能和性能表现。未来HWUI的Backend默认会切换到Vulkan。
3. DisplayList：
   • DisplayList是HWUI的渲染列表，用于记录绘制操作以及它们的位置、大小等信息。
   • 这些操作被显式地缓存起来，以便后续可以更快速地进行处理，并允许视图树中相同的部分在多个帧之间重复使用，从而节约内存和带宽。
   • 代码示例

     // 创建DisplayList
     DisplayList displayList = new DisplayList("MyList");
     displayList.start(512, 512); //设置宽高
     // 添加绘制操作
     Paint paint = new Paint();
     paint.setColor(Color.RED);
     paint.setStyle(Paint.Style.FILL);
     displayList.drawRect(64, 64, 256, 256, paint);
     // 结束DisplayList
     displayList.end();

4. RenderNode：
   • RenderNode是HWUI的渲染节点，对应于视图层次结构中的一个节点。
   • 每个View持有一个RenderNode，这些RenderNode组成树形结构，用于管理和组织渲染任务。
   • RenderNode负责保存和管理View绘制过程中使用的各种属性，如透明度和边框等。
   • 代码示例

     // 创建RenderNode
     RenderNode renderNode = new RenderNode("MyNode");
     // 更新RenderNode属性
     View view = findViewById(R.id.myView);
     renderNode.setPosition(view.getLeft(), view.getTop());
     renderNode.setElevation(view.getElevation());
     Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeResource(getResources(), R.drawable.icon);
     renderNode.setBitmapCache(bitmap);
     // 添加子节点
     RenderNode child = new RenderNode("MyChild");
     //更新child属性
     renderNode.addChild(child);

5. Layers
   • Layer是HWUI的另一个重要概念，用于实现UI的专业效果和动画效果。
   • 在Android 10及以前的系统中，所有视图都隶属于共享的系统组层级。但是在Android 11及以后的系统中，每个窗口/活动/碎片都将拥有自己的独立图层级别，从而增强了性能和隐私管理。
   • 代码示例

     // 创建Layer
     Layer layer = mSurface.getLayer();
     layer.setX(100);
     layer.setY(100);
     layer.setAlpha(0.5f);
     // 在Layer上绘制图像和文字
     Canvas canvas = layer.lockCanvas();
     canvas.drawBitmap(bitmap, 0, 0, paint);
     canvas.drawText(text, 30, 100, paint);
     layer.unlockCanvasAndPost(canvas);

6. HardwareComposer
   • HardwareComposer是Android系统中的硬件合成器，作为HWUI的主要接口之一。
   • 它的作用是在GPU输出图像到屏幕之前，对多个应用程序的渲染结果进行混合和组合，从而形成最终的显示内容。
   • 在硬件合成情况下，不需要将应用程序的UI渲染成一个帧缓存（FrameBuffer）并上传到系统RAM，从而减少内存和总线带宽的负担。
   • 代码示例

     RoutingTable routingTable = hwcomposer.createRoutingTable();
     routingTable.setOutputConfig(new OutputConfiguration(mDisplayToken, Display.DEFAULT_DISPLAY));
     Destination destination = routingTable.createDestination();
     destination.setColorMode(ColorMode.SRGB);
     destination.setBufferStream(bufferStream);
     surfaceFlinger.setTransactionState(routingTable.getTransaction());
     surfaceFlinger.applyTransaction();

7. Threaded Rendering（多线程渲染）：
   • 为了最大化利用CPU性能，HWUI采用了多线程渲染模式。
   • 通常包括UI线程和RenderThread（RT线程）。UI线程负责View的绘制逻辑和将绘制命令打包成Skia的绘制命令存储到DisplayList；RT线程则负责取出这些绘制命令并执行实际的渲染操作。

三、工作流程

1. UI线程绘制：
   • 当View需要被绘制时，UI线程会调用相应的绘制方法（如onDraw()）。
   • 这些绘制方法通过Canvas类提供的接口进行绘制操作，Canvas的绘制命令会被转化为Skia的绘制命令并存储到DisplayList中。
2. RenderThread渲染：
   • RenderThread从DisplayList中取出绘制命令，并通过OpenGL ES接口将这些命令发送给GPU执行。
   • GPU完成绘制后，将渲染结果输出到屏幕上。
3. 性能优化：
   • HWUI还采用了多种性能优化技术，如延时渲染列表（Deferred Display List）、绘制命令合并（Draw Op Batching）等。
   • 这些技术通过减少GPU的调用次数、优化渲染状态切换等方式来提高渲染效率。

四、总结

Android HWUI通过利用GPU进行硬件加速渲染，显著提高了Android系统的UI渲染性能和流畅度。它通过Skia图形库、OpenGL ES接口、DisplayList、RenderNode以及多线程渲染等技术手段实现了高效的UI渲染过程。同时，HWUI还不断引入新的性能优化技术来进一步提升渲染效率。